Unidades Básicas

El sistema internacional de unidades se fundamente en siete unidades de base correspondientes a las magnitudes de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, cantidad de materia e intensidad luminosa.



A partir de estas siete unidades de base se establecen las demás unidades de uso práctico, conocidas como unidades derivadas, asociadas a magnitudes tales como velocidad, aceleración, fuerza, presión, energía, tensión, resistencia eléctrica, etc.
El metro (m) se define como la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío en un lapso de 1 / 299 792 458 de segundo. El kilogramo (kg) se define como la masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo. El segundo (s) se define como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de cesio 133. El ampere (A) se define como la intensidad de una corriente constante, que mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable, colocados a un metro de distancia entre sí en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 X 10-7 newton por metro de longitud. El kelvin (K) se define como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. El mol (mol) se define como la cantidad de materia que contiene tantas unidades elementales como átomos existen en 0,012 kilogramos de carbono 12 (12C). La candela (cd) se define como la intensidad luminosa, en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 wat por esterradián.

Potencia base 10

La notación científica ( notación índice estándar ) es un modo conciso de anotar números enteros mediante potencias de diez , esta notación es utilizada en números demasiado grandes o demasiado pequeños
Es un modo conciso de anotar número enteros mediante potencias de diez, esta notación es utilizada en número demasiado grandes o demasiado pequeños. Por ejemplo:

10^1 = 10
10^2 = 100
10^3 = 1,000
10^6 = 1,000,000
10^9 = 1,000,000,000
10^20 = 100,000,000,000,000,000,000
10^-1 = 1/10 = 0,1
10^-3 = 1/1000 = 0,001
10^-9 = 1/1.000.000.000 = 0,000000001



Siempre que las potencias de 10 sean las mismas, se debe sumar las mantisas, dejando la potencia de 10 con el mismo grado (en caso de que no tengan el mismo exponente, debe convertirse la mantisa multiplicándola o dividiéndola por 10 tantas veces como sea necesario para obtener el mismo exponente):
Ejemplo:
1 × 10⁴ + 3 ×10⁴ = 4 × 10⁴
0.2 × 10⁵ + 3 ×10⁵ = 3.2 × 10⁵

Para sumar y restar dos números (o más) debemos tener el mismo exponente en las potencias de base diez. Tomamos como factor común el mayor y movemos la coma flotante, en los menores, tantos espacios como sea necesario, elevando los correspondientes exponentes hasta que todos sean iguales. Ejemplo:
2 × 10⁴ + 3 ×10⁵ - 6 ×10³ (tomamos el exponente 5 como referencia)
0,2 × 10⁵ + 3 × 10⁵ - 0,06 ×10⁵
3,14 ×10⁵
entonces la notación científica es una manera de recoger todos los 0 en una base 1

Para multiplicar cantidades escritas en notación científica se multiplican las mantisas y se suman los exponentes algebraicamente.
Ejemplo: (4×10^12)×(2×10⁵) =8×10^17

Para dividir cantidades escritas en notación científica se dividen las mantisas y se restan los exponentes (el del numerador menos el del denominador).
Ejemplo: (4×10^12)/(2×10⁵) =2×10⁷

Se eleva la mantisa a la potencia y se multiplican los exponentes.
Ejemplo: (3×10⁶)² = 9×10^12

Movimiento

La rama de la física que se ocupa del estudio del movimiento de un objeto y de la relación de este movimiento con conceptos físicos tales como la fuerza y la masa se llama dinámica. La parte de la dinámica que describe el movimiento, sin considerar sus causas, recibe el nombre de cinemática.

El desplazamiento, la velocidad y la aceleración son conceptos que nos permitirán estudiar el movimiento de los objetos que experimentan una aceleración constante.

El movimiento es el cambio de posición de un cuerpo respecto al espacio y tiempo

Velocidad Media

La velocidad medica, v, se define como el cociente del desplazamiento, Δx, entre el intervalo de tiempo durante el cual se produjo un desplazamiento:

V=Δx/Δt

Las unidades de velocidad media son unidades de longitud divididas entre unidades de tiempo. Esto significa metros entre segundo en el SI.

La velocidad media de un objeto durante el intervalo de tiempo de ti a tf es igual a la pendiente de la línea recta que une los punto inicial y final en una gráfica de la posición del objeto contra el tiempo.

Aceleración

Cuando la velocidad de un objeto cambia con el tiempo, se dice que el objeto experimenta una aceleración.

Supóngase que un automóvil se desplaza a lo largo de una carretera recta. En el tiempo ti, el auto tiene una velocidad vi y en el tiempo tf su velocidad es vf. La aceleración media durante este intervalo de tiempo se define como el cociente del cambio de velocidad entre el intervalo de tiempo durante el cual se produce este cambio:

a=Δv/Δt

La aceleración es una cantidad vectorial con dimensiones de longitud divididas entre el cuadro del tiempo. Las unidades de aceleración común son m/s²

Movimiento Rectilíneo Uniforme

Este tipo de movimiento es en una dirección y sentido
tiene una aceleración constante

Las fórmulas que utilizamos fueron las siguientes:

vm=V

v=ΔX/tpara la velocidad

Xf=xi+v*t para posición

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado

Aceleración constante

Hemos de quedarnos en casos en los que es contante, en dirección y magnitud, y en consecuencia es igual a am. Entonces, sin importar lo grande que sea Δt a es constante

a=ΔV/Δt

Como esta descripción se restringe al movimiento rectilíneo, el componente escalar de a en la dirección del movimiento es a. Si ponemos en marcha los cronómetros de tal manera que ti=0, el tiempo final, tf, es todo el tiempo del viaje, que representamos ahora como t. Entonces, la ecuación se transforma en

a=Δv/tf

Multiplicamos ambos lados por t y pasamos a vi al otro lado, para llegar a una de las ecuaciones básicas del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado.

vf=vi+at

Velocidad media

vit+1/2(Δv)t=(vi-1/2vi+1/2vi)t=1/2(vi+vf)t

Igualando a s lo anterior llegamos al teorema de la rapidez media:

s=1/2(vi+vf)t

Las ecuaciones de aceleración constante

Hay 5 variables en el movimiento acelerado, vi,vf, a, s, y t, y cinco ecuaciones adecuadas que las interrelacionan. Esas ecuaciones para a constante se deducen partiendo de las definiciones básicas de velocidad y aceleración, de modo que en realidad sólo hay dos ecuaciones independientes y dos variables que se pueden despejar. ya tenemos la definición de aceleración

vf=vi+at

velocidad media

Vm=1/2(vf+vi)

tiempo

s=Vmt=1/2(vf+vi)t

y el teorema de la rapidez media

s=1/2(vi+vf)t

Sería conveniente tener la ecuación para s en la que no dependa explícitamente de que puede ser dificil de medir en forma directa. Para deducirla, se sustituye vf en la ecuación por Vf=vi+at

s=1/2[vi+(vi+at)]t=1/2(2vit+at²)

s=vif+1/2at²

El primer término, vit es el valor escalar del desplazamiento, cuando el cuerpo se desliza con su rapidez inicial como si no acelerara. A ese desplazamiento se le suma otro, 1/2at² recorrido cuando aumenta la rapidez a partir de vf.

La última de las 5 ecuaciones que necesitamos relaciona a s,vf,vi y a, independiente del tiempo. Primero se despeja el tiempo de la ecuación vf=vi+at. a continuación se sustituye esto en s=1/2(vi+vf)t, para que ya no aparezca t en forma explicita:

s=(vi+vf/2)(vf-vi/a)=Vf²-vi²/2a

Multiplicando ambios lados por 2a, y sumando vi² en ambos lados se obtiene

vf²=vi²+2as

Plano Inclinado

Una de las formas más sencillas de hacer subir un objeto, por ejemplo un bloque, es arrastrarlo por un plano inclinado. La fuerza que se necesita para arrastrar el bloque a lo largo de un plano inclinado perfectamente liso, es decir, en el que no actúan fuerzas de rozamiento, es menor que el peso del bloque. Por eso se dice que el plano inclinado ofrece una ventaja mecánica, pues aumenta el efecto de la fuerza que se aplica. Sin embargo, el bloque debe ser arrastrado a lo largo de una distancia mayor para conseguir la misma elevación, ya que la fuerza que es necesario ejercer para ascender el bloque por el plano inclinado es tanto menor cuanto mayor es la longitud del mismo.



El peso del bloque se convierte en una magnitud vectorial, ya que tiene magnitud y dirección; por tanto, se puede descomponer en vectores x y, siendo, respectivamente
F=G cos(θ)
F=G sen(θ)

Y como ya sabemos, la fuerza necesaria es convertida por distancia y rozamiento, volviendose rozamiento la fuerza de gravedad

Vectores

Un vector es una cantidad física para la que es necesario especificar tanto su dirección como su magnitud.

Propiedades de los vectores

Igualdad de dos vectores
Dos vectores, A y B, se definen como iguales si tienen la misma magnitud y la misma dirección. Esta propiedad nos permite trasladar un vector en un sentido paralelo a sí mismo en un diagrama sin afectar el vector.

Suma de Vectores
Cuando se suman dos o más vectores, todos ellos deben de tener las mismas unidades. Cuando se escribe a mano una cantidad vectorial , suele representársele por medio de una flecha sobre la letra. La magnitud de un vector como A se representará con letras cursivas A. Los procedimientos para sumar vectores se apoyan en métodos geométricos. Para sumar el vector B al vector A, primero debemos dibujar A en una hoja de papel para graficar a cierta escala, como 1cm=1m, por ejemplo. El vector A se debe dibujar de tal modo que se especifique su dirección respecto a un sistema de coordenadas. A continuación debemos dibujar el vector B a la misma escala y con la cola de B en la punta de A. El vector se debe dibujar a lo largo de la dirección que forme el ángulo apropiado respecto al vector A. El vector resultante, R, dado por R=A+B, es el vector dibujado de la cola de A ala punta de B.



Negativo de un vector
El negativo del vector A se define como el vector que,sumado a A, da cero como vector suma. esto significa que A y -A tienen la misma magnitud pero direcciones opuestas.

Resta de vectores
Para restar vectores se utiliza la definición del negativo de un vector. Definimos la operación A.B como el vector -B sumado al vector A

A-B=A+(-B)

Por tanto, la resta vectorial es en realidad un caso especial de la suma vectorial.

Multiplicación y división de vectores por (entre) escalares
La multiplicación o divición de un vector por (entre) un escalar da vector.

Componentes de un Vector

En un método para sumar vectores se utilizan las proyecciones de un vector a lo largo de los ejes de un sistema de coordenadas rectangulares. Estas proyecciones se llaman componentes. Cualquier vector se puede describir totalmente por medio de sus componentes.

Ax y Ay son los vectores componentes de A. La proyección de A a lo largo del eje x, Ax, se conoce como la componente x de A, y la proyección de A a lo largo del eje Y, Ay, es la componente y de A. Estas componentes pueden ser números positivos o negativos con unidades. Con base en las definiciones de seno y coseno de un ángulo, vemos que cosθ= Ax/A y senθ=Ay/ S. Por tanto, la magnitud de las componentes de A es



Ax= A cos θ
Ay= A sen θ

Estas componentes forman dos lados de un triángulo rectángulo, la magnitud de cuya hipotenusa es A. Por tanto, se sigue que la magnitud y dirección de A se relacionan sus componentes por el teorema de pitágoras y la definición de tangente.

A=√Ax²Ay²
tanθ=Ay/Ax

1a Ley de Newton

La primera ley de newton establece que los objetos tenderán a continuar en movimiento hasta que una fuerza actué en el. En la ausencia de una fuerza los objetos se mantendrán en reposo. Un objeto que esta en movimiento se mantendrá igual con la
misma dirección y velocidad.

Afirma que si la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre un objeto es cero, el objeto permanecerá en reposo o seguirá moviéndose a velocidad constante. El que la fuerza ejercida sobre un objeto sea cero no significa necesariamente que su velocidad sea cero. Si no está sometido a ninguna fuerza (incluido el rozamiento), un objeto en movimiento seguirá desplazándose a velocidad constante.

2a Ley de Newton

"El cambio de momentum ∆p de una partícula es proporcional a la fuerza neta
que actúa sobre el cuerpo, como también al intervalo ∆t durante el cual ella se aplica, y apunta en la dirección y sentido de esta fuerza, o sea,
∆p = F ∆t."


La segunda ley de Newton relaciona la fuerza total y la aceleración. Una fuerza neta ejercida sobre un objeto lo acelerará, es decir, cambiará su velocidad. La aceleración será proporcional a la magnitud de la fuerza total y tendrá la misma dirección y sentido que ésta. La constante de proporcionalidad es la masa m del objeto F = maEn el Sistema Internacional de unidades, la aceleración a se mide en metros por segundo cuadrado, la masa m se mide en kilogramos, y la fuerza F en newtons. Un newton se define como la fuerza necesaria para suministrar a una masa de 1 kg una aceleración de 1 metro por segundo cada segundo; esta fuerza es aproximadamente igual al peso de un objeto de 100 gramos.

Un objeto con más masa requerirá una fuerza mayor para una aceleración dada que uno con menos masa. Lo asombroso es que la masa, que mide la inercia de un, también mide la atracción gravitacional que ejerce sobre otros objetos.

3a Ley de Newton

"Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro B, entonces este ultimo ejercerá so-
bre A una fuerza de igual magnitud y en la misma dirección, pero en sentido
opuesto."


La tercera ley de Newton afirma que cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, este otro objeto ejerce también una fuerza sobre el primero. La fuerza que ejerce el primer objeto sobre el segundo debe tener la misma magnitud que la fuerza que el segundo objeto ejerce sobre el primero, pero con sentido opuesto. Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente a un niño, no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que el niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin embargo, como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor.

También implica la conservación del momento lineal, el producto de la masa por la velocidad. En un sistema aislado, sobre el que no actúan fuerzas externas, el momento debe ser constante. En el ejemplo del adulto y el niño en la pista de patinaje, sus velocidades iníciales son cero, por lo que el momento inicial del sistema es cero. Durante la interacción operan fuerzas internas entre el adulto y el niño, pero la suma de las fuerzas externas es cero. Por tanto, el momento del sistema tiene que seguir siendo nulo.Otra magnitud que se conserva es el momento angular o cinético. El momento angular de un objeto en rotación depende de su velocidad angular, su masa y su distancia al eje.

Termodinámica

Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de estado. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables termodinámicas (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de dilatación), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Todas estas variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.

Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

Ley cero de la termodinámica

Considérense ahora dos objetos, A y B, que no están en contacto térmico uno con otro, y un tercer objeto, C, que actúa como termómetro. Se busca determinar si A y B estarían en equilibrio térmico uno respecto al otro una vez colocados en contacto térmico. El termómetro, objeto C, se pone primero en contacto térmico con A hasta que se alcanza el equilibrio térmico. En ese punto, la lectura del termómetro permanece constante y se anota su valor. A continuación, el termómetro se pone en contacto con B, y su lectura se registra después que se alcanza el equilibrio térmico. si las dos lecturas son iguales, entonces A y B también estarán en equilibrio térmico entre sí cuando se pongan en contacto térmico.

Podemos resumir estos resultados en un enunciado que se conoce como la ley cero de la termodinámica.

"Si los cuerpos A y B, por separado, están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, entonces A y B estarán en equilibrio térmico uno con otro si se ponen en contacto térmico".

Temperatura Absoluta

La escala absoluta o termodinámica utiliza como unidad de medida de temperatura el kelvin (K), cuyo valor coincide exactamente con el de 1 °C, ya que el intervalo entre los puntos fijos también se divide en 100 unidades. Sin embargo, se asigna el valor 273 al punto de fusión del hielo y, por tanto, el valor 373 al punto de ebullición del agua. En consecuencia, la relación entre la temperatura medida en Kelvin y la medida en grados centígrados es la siguiente:

T (K) = t (°C) + 273

es decir, se trata de la misma escala que la centígrada pero desplazada hacia abajo en 273 unidades.

La importancia de la escala absoluta radica en que es posible demostrar que el cero absoluto de temperatura se corresponde con la ausencia total de energía cinética interna del cuerpo considerado, es decir, con la inmovilidad total de sus partículas.

Primera ley de la termodinámica

Supóngase que un sistema experimenta un cambio de un estado inicial a un estado final. Durante este cambio, Q positivo es el calor transferido al sistema, y W positivo es el trabajo realizado por el sistema.

Si se mide la cantidad Q-W para diversas trayectorias que conectan los estados de equilibrio inicial y final, se encuentra que es la misma para todas las trayectorias que conectan los estados inicial y final del sistema, y se le denomina el cambio de energía interna del sistema. Aunque tanto Q como W dependen de la trayectoria, Q-W es independiente de la misma. Si representamos la función de energía interna son la letra U, entonces el cambio de energía interna, ΔU=Uf-Ui, se puede expresar como:

ΔU=Uf-Ui=Q-W

donde todas las cantidades deben tener las mismas unidades de energía. La ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, y se aplica de manera universal en todos los sistemas.

Energia

Es la capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella.La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial.La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica, radiante o atómica.Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante.

Calor

Es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Trabajo Termodinámico

Es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro sin una transferencia de acompañamiento de la entropía. En una generalización del concepto de trabajo mecánico. En el Si, el trabajo de mide en Joules

Variables Termodinámicas

Temperatura: Propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo que conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico.

Volumen:Espacio ocupado por un mol de cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura.

Densidad:Masa de un cuerpo por unidad de volumen. En ocasiones se habla de densidad relativa que es la relación entre la densidad de un cuerpo y la densidad del agua a 4 °C, que se toma como unidad. Como un centímetro cúbico de agua a 4 °C tiene una masa de 1 g, la densidad relativa de la sustancia equivale numéricamente a su densidad expresada en gramos por centímetro cúbico.

Masa: La magnitud que cuantifica la cantidad de materia de un cuerpo. La unidad de masa, en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). Es una cantidad escalar y no debe confundirse con el peso, que es una cantidad vectorial que representa una fuerza.

Presión: fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. la presión se expresa en newtons por metro cuadrado

Entropía

Considérese un proceso reversible entre dos estado en equilibrio si ΔQr es el calor absorbido o expulsado por el sistema durante cierto intervalo pequeño de la trayectoria, el cambio de de entropia, ΔS, entre dos estados en equilibrio está dado por el cociente del calor transferido, ΔQr, entre la temperatura absoluta,T, del sistema en este intervalo. es decir:

ΔS=ΔQr/t

El subíndice del término ΔQr destaca el hecho de que la definición se aplica sólo a procesos reversibles. Cuando el sistema absorbe calor, ΔQr, es positivo y, por tanto, la entropía aumenta. Cuando el sistema expulsa calor ΔQr es negativo y la entropía disminuye.

Eficiencia Máquina Térmica

En 1824, cuando las máquinas de vapor ya estaban por todas partes, el ingeniero Francés Sadi Carnot se puso a estudiarlas. Quería saber, en partículas, de qué dependía la eficiencia de una máquina térmica. Una máquina es más eficiente mientras menos energía necesite para operar y produce mas trabajo mecánico. Una máquina eficiente permite ahorrar mucho en energía para operarla.

Carnot descubrió que no podía existir una máquina ideal en la que no se perdiera energía; incluso en condiciones ideales (imposibles de alcanzar), cualquier máquina térmica imaginable generaría calor deshecho. dicho de otro modo, no es posible construir una máquina que convierta en trabajo toda la energía que se usa para operarla.

La eficiencia de la máquina está dada por la ecuación:

e=1-Qf/Qc

2a Ley de la termodinámica

"El calor pasa en forma natural de una región a alta temperatura, a una región, a baja temperatura. Por sí mismo, el calor no pasará de un cuerpo frió a uno caliente"

El calor es impulsado por un gradiente de temperatura; si no hay gradiente, no hay calor. De acuerdo con el trabajo de Carnot, vemos que una máquina térmica cíclica debe funcionar entre recipientes de alta y baja temperatura. Si ambas temperaturas son iguales, su eficiencia es cero y no entra calor en la máquina, a través de la cual debe de haber un gradiente.

La máquina absorbe una cantidad de calor, Qc, del depósito caliente, realiza el trabajo W, y después cede el calor Qf, al depósito frío. puesto que la sustancia de trabajo pasa por un ciclo, su energía inicial y final es la misma, por lo que ΔU=0. Por consiguiente, con base en la primera ley de la termodinámica vemos que el trabajo neto, W, que una máquina térmica realiza es igual al calor neto que fluye hacia ella

W=Qc-Qf

Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa el proceso de un diagrama PV. La eficiencia térmica,e, de una máquina térmica es el cociente del trabajo neto realizado entre el calor absorbido a la temperatura más alta durante un ciclo.

e=W/Qc=(Qc-Qf)/Qc=1-Qf/Qc

Ciclo de Carnot

El Ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el Físico francés Sadi Carnot, que vivió a principios de l siglo XIX. Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina.

Gas Ideal

Supóngase que un gas ideal está confinado en un recipiente cilíndrico cuyo volumen se puede modificar por medio de un émbolo móvil. Supondremos que el cilindro no tiene fugas, por lo que la masa (o número de moles) permanece constante. Respecto a un sistema de este tipo, los experimentos aportan la información siguiente. Primero, cuando el gas se mantiene a temperatura constante, su presión es inversamente proporcional al volumen (ley de Boyle). Segundo, cuando se mantiene constante la presión del gas, el volumen es directamente proporcional a la temperatura (ley de Charles y Gay-Lussac). Estas observaciones se resumen en la siguiente ecuación de estado de un gas ideal:

PV=nRT

En esta expresión, llamada la ley del gas ideal, R es una constante de un gas específico que se puede determinar en forma experimental, y T es la temperatura en Kelvins. Los experimentos realizados con varios gases muestran que, a medida que la temperatura se aproxima a cero, la cantidad de PV/nT se acerca al mismo valor de R para todos los gases. Por esta razón a R se le conoce como la constante universal de los gases. En el sistema SI, en el que la presión se expresa en pascales y el volumen en metros cúbicos el producto de PV tiene unidades de newton-metro, o joules, y le valor de R es

R=8.31 J/mol.K

Procesos termodinámicos

Isotérmicos

Es un proceso en el cual la temperatura permanece constante durante la operación. La energía interna de un gas es función de la temperatura exclusivamente.Es un proceso a temperatura constante. En general, ninguna de las cantidades ΔV, Q y W son nulas. Hay una excepción: la energía interna de un gas perfecto depende solamente de la temperatura. En consecuencia, para un gas perfecto U2=U1, y Q=W.

Isobárico

Es un proceso a presión constante; en concecuencia: W=Σp.ΔV=p-ΣΔV= p.(Vf.Vi) y se tendrá U2.U1=Q-p.(vf-Vi). Si la presión no cambia durante un proceso, se dice que éste es isobárico.


Isocórico

Es un proceso a volumen constante, en consecuencia. W=0, y tendremos U2-U1=Q. En un recipiente de paredes gruesas que contiene un gas determinado, al que se le suministra calor, observamos que la temperatura y presión interna se elevan, pero el volumen se mantiene igual.

Adiabático

Durante un proceso adiabático para un gas perfecto, la transferencia de calor hacia el sistema o proveniente de él es cero. El cambio de presión con respecto al volumen obedece la ley
Es cuando un sistema no gana ni pierde calor, es decir, Q = 0. Este proceso puede realizarse rodeando el sistema de material aislante o efectuándolo muy rápidamente, para que no haya intercambio de calor con el exterior. En concecuencia U2-U1=-w.

El trabajo realizado sobre el sistema (-W es positivo) se convierte en energía interna, o, inversamente, si el sistema realiza trabajo (-W es negativo), la energía interna disminuye.
En general, un aumento de energía interna se acompaña de uno de temperatura, y una disminución de energía interna se asocia de una de temperatura.

Constante de Plank

La constante de Plank es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a un cuanto o partícula elemental.


Es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Plank, uno de los padres de dicha teoría. La constante de Plank (representada por h) relaciona la energía E de los fotones con la frecuencia v de la onda lumínica (letra una griega) según la fórmula:
E=hv
Plank afirmó que sólo era posible describir la radiación del cuerpo negro con una fórmula matemática que correspondiera con las medidas experimentales, si se aceptaba la suposición de que la materia sólo puede tener estados de energía discretos y no continuos. Esto quiere decir que ciertas propiedades físicas sólo tomas valores múltiplos de valores fijos en vez de un espectro continuo de valores.

La idea era que la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro se podía modelar como una serie de osciladores armónicos con una energía cuántica. Relacionando la energía E de los fotones de la radiación, con su frecuencia y con su momento angular, se obtiene:

E=hv=h (ω /2π)= (h/2π) ω=ћω

h=6.6260693 (11)*10^⁻34 J*s=4.13566743 (35)*10^-15eV*s

La constante de Plank es uno de los números más importantes del universo y ha dado lugar a que la mecánica cuántica ha sustituido a la física tradicional.
Forma experimental para medir la constante de Plank.

Se puede medir la constante a partir de un experimento de efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por la superficie de un metal cuando luz de energía suficientemente elevada incide sobre ella.
La distribución de la energía cinética de los electrones cubre un margen continuo desde 0 hasta una energía máxima. Experimentalmente se demostró que la energía máxima de los electrones arrancados (fotoelectrones) depende de la frecuencia v de la radiación incidente según la expresión:
Tmas= constante (v-V0) (Ec.1)
Siendo V0 la frecuencia de la luz por debajo de la cual no se arranca ningún electrón y es característica del material. Se observó además que la distribución de energía de estos electrones no dependía de la intensidad de la luz incidente, es decir, la luz muy intensa daba lugar a más fotoelectrones pero el valor medio de la energía de la distribución y su energía máxima es la misma para una determinada frecuencia.
Este hecho, el efecto fotoeléctrico, se explicó dentro de la teoría cuántica de la radiación de Plank, aplicada a este caso por Einstein. Según ésta, la constante que aparece en la ecuación anterior es la constante de Plank, h, y se tiene que:

Hv=Tmax+hv0 (Ec 2)

En la nueva hipótesis, el primer miembro representa la energía del cuanto de luz incidente, fotón y hv0 es la energía mínima del fotón necesaria para desalojar un electrón de la superficie.

El experimento de este tipo se puede realizar colocando 2 electrodos en un tubo en el que se ha hecho el vacío. Uno de los electrodos está formado por el material fotoeléctrico, que va a ser la superficie que será irradiada por la luz y que emitirá electrones (cátodo). El otro electrodo (ánodo) es otro material metálico. Aunque no se aplique una diferencia de potencial que atraiga electrones al ánodo, se observa en el amperímetro una corriente debida a los fotoelectrones que tengan energía suficiente para llegar al electrodo. Para determinar esta energía máxima se aplica una diferencia de potencial inversa a los electrodos. De esta forma, a medida que aumentamos la diferencia de potencial, llegan menos electrones al ánodo hasta que alcanza un determinado potencial para el que no existe corriente circulando por el amperímetro. Este es el potencial de frenado (Vf), que podemos medir con un voltímetro. En estas condiciones se verifica:

EVf=Tmas (Ec 3)



Y la ecuación 2 se puede escribir como:

Vf= (h/e) v-(h/e) v0 (Ec4)

Realizando medidas para distintas frecuencias de luz incidente, podemos obtener a partir de la ecuación 4 el valor de la constante de Plank y una estimación de la función de trabajo.



Primer experimento de Plank:
En 1905, Albert Einstein publicó un trabajo llamado "Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de luz", más conocido como el trabajo sobre el efecto fotoeléctrico. Fue en este mismo año que Einstein publicó sus otros dos celebrados trabajos: uno en el que presentó la teoría de la relatividad especial y otro en el que trató acerca del movimiento browniano.

Plank había considerado que la energía de las partículas que forman las paredes de la cavidad que produce la radiación de cuerpo negro solamente podía ser emitida o absorbida en múltiplos enteros de un cuanto o elemento de energía. Es más, llegó a esta hipótesis como una argucia matemática, sin mayor realidad física, para poder obtener la distribución que ya había encontrado usando argumentos empíricos de naturaleza puramente termodinámica.

Fue Einstein el primero que, con su trabajo de 1905, dio significado físico a la hipótesis de la cuantización de la energía.

La idea de que la luz (y más generalmente la radiación electromagnética) estuviera compuesta por un conjunto de partículas había sido propuesta por Newton. Sin embargo, como también se vio, existen en la naturaleza fenómenos como la interferencia y la difracción que solamente se pueden explicar si la radiación es de naturaleza ondulatoria.

Einstein en su trabajo sugirió que la suposición de que la luz está formada de cuantos discretos de energía podía ser aplicada a algunos fenómenos que la teoría ondulatoria de la luz no podía explicar, como por ejemplo, la fluorescencia y el efecto fotoeléctrico.

Con respecto a la fluorescencia, Einstein sugirió la explicación siguiente. Cada cuanto de radiación o fotón al ser absorbido por los átomos de la sustancia fluorescente estimula la emisión de uno o más fotones. La suma de las energías de los fotones emitidos tiene que ser igual a la energía del fotón absorbido, ya que la energía se debe conservar. Por tanto, si por ejemplo se reemiten dos fotones, éstos deben compartir sus energías de tal manera que su suma sea igual a la del fotón absorbido. Lo cual significa que la energía de cada fotón emitido es menor que la del absorbido. Tomando en cuenta que la energía de un fotón es proporcional a su frecuencia, lo anterior significa entonces que la frecuencia de la radiación emitida será menor que la de la radiación absorbida. Éste es justamente el resultado experimental que ya se había obtenido anteriormente, en particular por Stokes, y que no se había podido explicar con base en la teoría de Maxwell.

Mutec

Botella de Leyden

Es un frasco de vidrio delgado con “líquido eléctrico adentro”, está lleno de hojas de cobre o paneles de oro, tiene una lámina de estaño en el fondo; luego tiene una varilla de cobre en el corcho de la boquilla y se conecta con el oro y el estaño. Esto hace que haya corriente positiva en el oro y negativa en el estaño y, en cada contacto sale una chispa. Este aparato tiene como fin demostrativo la emisión de electricidad, y se utilizó para crear electricidad.

Escalera de Jacob

Este aparato muestra un arco eléctrico en el aire y se encuentra entre dos barras conductoras verticales separadas de poco en poco hasta su parte más alta. Una vez que termina el primer recorrido del arco y de las chispas otro es generado en el fondo para hacer un ciclo. Este aparato crea 15 000 V. Su fin demostrativo es la creación del arco eléctrico y era utilizado, principalmente en las películas de ciencia ficción.

Generador de Van Der Graaf

Es una máquina que es capaz de generar muy altos voltajes, en órdenes de millones de volts. Las cargas eléctricas del mismo tipo son puestas en una especie de cinturón que está conectado a una esfera de cobre. En su proceso el cinturón va “acarreando” cargas del fondo del depósito hasta la esfera de la parte más alta. Esta máquina es usada para acelerar chorros de partículas y hacerlas chocar con átomos. Normalmente las partículas están positivamente cargadas y el domo debe también estar cargado positivamente. Al final si juntas las 2 esferas podrás ver una descarga en forma de chispas que, usualmente están cargadas con 20 000 volts. Este aparato es utilizado para crear cargas de con un máximo de 20 000 volts, y ha sido usado en películas de ciencia ficción.

Telégrafo de Henry

Es un sistema que aloja la transmisión de información codificada por una señal a través de la distancia. Telégrafo viene del griego tele=lejos y graphos=escribir; el telégrafo eléctrico fue desarrollado hasta el siglo 19 por Joseph Henry. El fin demostrativo es el potencial de la comunicación a largas distancias emitiendo una señal electrónica consecutiva a más de una milla de distancia con una conexión electromagnética que es causada por golpes a una campana. Su fin es la comunicación a largas distancias.
Corriente alterna

Esto significa que la dirección de la corriente sigue un circuito constante proviniendo desde donde acaba hasta donde empieza. Esto es creado por cualquier tipo de fuente corriente/voltaje. La dirección de la corriente cambia cada 60 veces cada segundo. Fue creada por Nikola Tesla. Su fin es la demostración de la alimentación de aparatos eléctricos, aplicación es iluminar y dar energía a todos los lugares del mundo.

Foco

Es un aparato que produce iluminación golpeado un filamento que genera luz radiante. Fue creado por Thomas Alba Edison su fin demostrativo es la iluminación por medio de la electricidad y su aplicación es la iluminación común.

Pila voltaica.

Es un aparato que solamente une buenos metales conductores de electricidad de diferente número de compilaciones, 30,40 o 60 piezas de cobre, cada una de estas piezas está acoplada con discos delgados de zinc y cartón humedecidos con una disolución de sal en agua, por lo tanto la reacción ente el zinc y el líquido nos da electricidad. Este puede producir 4.5 volts dependiendo del número de láminas de cobre o plata. Su fin demostrativo, es la capacidad de crear energía que puede ser “portátil”, una aplicación son las baterías que se usan hoy en día.

Máquina electrostática de Ramsden

Está máquina es el resultado de mejoras que hizo Ramsden a la máquina primitiva de Otto von Guernicke. Ramsden remplazó la esfera de azufre con un disco de vidrio con goma en forma de pantallas. Mientras el disco gira, las pantallas de goma se pasan a cargar negativamente, esta carga se pierde y el vidrio queda cargado positivamente y pasa a una esfera que está cargada neutra, esto hace que una chispa salga del disco y la esfera. El fin demostrativo es la creación de electricidad a través del frotamiento; fue usada para crear energía eléctrica.

Electroscopio

Es un instrumento que demuestra la presencia de una carga eléctrica; consiste en dos pajas suspendidas cara a cara en la parte más baja de una vara de metal, las pajas son remplazadas por luces y hojas de oro. La aplicación es medir la presencia de la carga eléctrica en diferentes tipos de cuerpos físicos.


Máquina de Wimshurt

Esta máquina fue desarrollada para producir cargas eléctricas; consiste en dos discos de vidrio con piezas metálicas en cada borde, cuando los discos giran van en direcciones opuestas y las cargas se dirigen hacia las botellas de Leyden. Su fin demostrativo es la creación de cargas más potentes eléctricas y su aplicación era la creación de las mismas.

Máquina electrostática “Dirodo”.

Esta máquina es de inducción electrostática; es un momento dado por dos barras opuestas y conectaos a placas colectoras, que se encuentran cargadas inicialmente. Mientras las barras hacen contacto con los extremos del conducto permite que la carga se distribuya y cuando otras barras quedan en la misma posición que las primeras quedan desconectadas del conductor y con una carga neta, esta carga pasa a los colectores por medio de escobillas. Su aplicación es la creación de electricidad por medio de la estática.

Watthorímetro

Sirve para medir la energía eléctrica consumida en un intervalo de tiempo, se basa en los principios del electromagnetismo; consta de un elemento que mide el voltaje suministrado y otro que mida la corriente que se consume. La energía medida es el producto del voltaje por la corriente acumulado en el intervalo del tiempo, medido en kilowatt por hora, generalmente. Su finalidad es medir la energía del producto del voltaje por intervalo del tiempo.

Experimento de Oersted

Este experimento explica, a través de electromagnetismo, la relación que hay entre electricidad y la propiedad del magnetismo, este experimento consiste en poner una corriente eléctrica directa en un espiral y se colocan unas brújulas que se comportan como si tuviesen imanes a sus costados; esto demuestra la relación entre electricidad y magnetismo. Su finalidad es explicar la relación que hay entre la electricidad y el magnetismo; su aplicación es el electromagnetismo.

Fuerza de Lorentz.

La teoría de Maxwell dejaba a la sombra la naturaleza de la perturbación electromagnética que producía luz. Lorentz emitió la hipótesis de que la perturbación era producida por los electrones, y que toda aceleración del movimiento de un electrón era de origen electromagnético. Fin demostrativo la perturbación electromagnética es creado por electrones.

Péndulo electromagnético

Se pasa corriente por un péndulo, las cargas en movimiento son afectadas por el campo del imán originando la fuerza de Lorentz perpendicular al conductor, lo que lo lanza de un lado a otro haciendo el péndulo, según el sentido de la corriente. Con esto se demostró claramente la fuerza de Lorentz. Fin demostrativo, el movimiento de un cuerpo sin interacción más que electromagnética.

Electrodinamómetro

Es un instrumento usado para medir el poder eléctrico; cuando la misma corriente pasa por dos rollos concéntricos puestos en los ángulos de cada uno el resultado del torque depende del cuadrado de la corriente. Su fin demostrativo es la medición de la corriente en fuerza, su aplicación es la medición del poder eléctrico.

Motor de Corriente eléctrica

Es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en mecánica, está hecho de dos bobinas enrolladlas sobre hierro, montadas de tal forma que puedan girar. Su fin demostrativo es la utilización de la energía eléctrica para convertirla en mecánica, se demuestra a través del movimiento de las bobinas.Su aplicación son los ventiladores de las computadoras que convierten la energía eléctrica en mecánica.

Freno de inducción

Este tipo de freno se utiliza en la actualidad para transportes como tranvías y locomotoras a diesel-eléctricas. Está compuesto por un disco conductor, dos postes y un electroimán, Cuando está girando el disco conductor en un campo magnético fijo, producido por un electroimán, se generan en el disco en movimiento corrientes internas de remolino que dan lugar a cambios magnéticos que se oponen al campo magnético aplicado provocando el frenaje. Su fin demostrativo es la utilización del campo electromagnético para el movimiento mecánico y detenga a otro cuerpo. Una de sus aplicaciones es frenar tranvías y transportes.

Oscilador.

Mediante un circuito oscilador de tipo, inductivo capacitivo, se generan y radian a través de una antena dipolar ondas electromagnéticas polarizadas, que son recibidas por otro circuito con una intensidad que depende de la orientación de la segunda antena con respecto al campo dipolar de la primera.
Generador eléctrico de Gramme.

Es una máquina eléctrica rotatoria que convierte la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Este basa su funcionamiento en la inducción electromagnética. Un electroimán que gira (rotor), produce variaciones de campo magnético en los embobinados del estator que lo rodea, generándose en sus embobinados la fuerza electromotriz que produce la corriente. Este generador es de corriente directa, que es obtenida del rotor. El fin demostrativo es que se puede convertir energía eléctrica en mecánica; una de sus aplicaciones son los diferentes aparatos eléctricos como los ventiladores.

Bobina de Tesla.

Está máquina fue diseñada para poder generar 1.2 millones de volts de alta frecuencia, puede producir chispas de un con un sonido largo. Este aparato tiene como fin demostrativo la creación de una gran cantidad de volts de alta frecuencia, su utilización es en experimentos y creación de electricidad.

Experimento de Hertz

Clark Maxwell decía que se crearían ondas electromagnéticas en el espacio por el movimiento de cargas eléctricas; estas ondas nunca se habían observado hasta que Hertz estableció dos circuitos. El experimento consiste en poner un segundo circuito dentro de una caja negra para ver si las ondas la atravesaban. Hertz encontró que tenía que reducir la abertura, para producir una chispa en el circuito secundario. Esto podría ser debido, simplemente, a que las ondas perdían algo de su energía al atravesar las paredes de la caja. Pero otra posibilidad sería que el circuito no funcionara igual de bien en la oscuridad. Está era una hipótesis absurda en su tiempo, pero Hertz la probó al iluminar con luz ultravioleta las terminales del segundo espacio de chispa con mayor abertura. De esto concluyó que la luz ultravioleta ayuda a las cargas eléctricas a escapar de las terminales metálicas. Su fin demostrativo era la creación de ondas electromagnéticas debidas al movimiento de cargas; y sus aplicaciones son las comunes ondas de radio.

Velocidad de la luz

Para determinar la velocidad de la luz, se empela un experimento que consiste en un único nanotubo de 1.4 nanómetros de diámetro, configurado en un transistor en estado sólido de 3 terminales que funciona de la misma forma que los transistores cotidianos.
En estos transistores se les aplica un bajo voltaje a la entrada del transistor, cambia la corriente y por el nanotubo opuesto se puede medir la velocidad de la corriente hay en él.
Diseñaron el dispositivo llamado ¨ambipolar¨, de modo que inyectaban electrones de un electrodo fuente y protones de un electrodo de descarga de un único nanotubo de carbón.
Cuando los electrones y protones se encontraban en el nanotubo, estos se neutralizaban y generaban luz.

Glosario videos en clase

1.-Magnetismo:

La fuerza de atracción o repulsión entre diversas sustancias, especialmente los de hierro y otros metales, en última instancia, se debe al movimiento de cargas eléctricas.

Corriente eléctrica: Una corriente eléctrica es, simplemente, el movimiento de cargas eléctricas. Definimos la corriente eléctrica I, como la carga eléctrica dQ que pasa a través de una sección de área A de conductor, por unidad de tiempo dt

I= (dQ/dt)

La corriente eléctrica I se mide entonces en coulomb por segundo (ampere) (1 A=1Cb/seg). Notemos que, de acuerdo a nuestra definición, tanto los portadores de carga positiva como negativa contribuyen a la corriente en el mismo sentido.

2.-Tesla:

Magnitud de comparación para la inducción magnética, se representa por T

3.-Conductor:

Todo material capaz de conducir la corriente eléctrica. Para transportar la energía eléctrica se utilizan hilos fabricados generalmente de cobre o aluminio.

4.-Carga eléctrica:

Es la propiedad intrínseca que ostenta algunas partículas subatómicas y que se manifestara través de las repulsiones y las atracciones que tengan lugar como las consecuencias de las interacciones electromagnéticas que se producen entre ellas.

5.-Inducción:

Es el fenómeno a través del cual una fuerza electromotriz se genera en un cuerpo al exponerse este a un campo magnético.

6.-Campo magnético:

Es un campo o una fuerza creada como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas (flujo de electricidad), la fuerza de un campo magnético se mide en gauss o tesla.

7.-Campo magnético estático:

Son campos magnéticos que no varían con el tiempo. Se generan por un imán o por el flujo constante de la electricidad.

8.-Campo electromagnético:

Son una combinación de campo de fuerza eléctrica y magnética invisibles. Tienen lugar tanto de forma natural como debido a la actividad humana.

9.-Línea de fuerza:

Líneas que son tangentes a la dirección del campo en cada uno de sus puntos.

10.-Polo magnético:

Cualquiera de las dos regiones limitadas en un imán en el que el campo del imán es más intenso, cada uno de los cuales es designado por la dirección geográfica aproximada a la que se siente atraído por ella.

11.-Momento magnético:

Es una medida de su tendencia a alinearse con un campo magnético. Tanto el momento magnético y el campo magnético puede ser considerado como vectores de tener una magnitud y dirección. La dirección de los puntos de momento magnético del sur al polo norte de un imán.

12.-Autoinducción:

Una variación en la corriente que pasa a través de una bobina que produce una variación en el flujo magnético de la bobina; esa variación de flujo, a su vez induce una fem de autoinducción en la bobina. La fem de autoinducción es proporcional a la velocidad con que varia la corriente.

E=-L (di/dt)

13.-Óptica:

Rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde los rayos x hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión.

14.-Luz:

La forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos x. La luz corresponde a las oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano.

15.-Radiación:

Proceso de la transmisión de ondas o partículas a través del espacio o de algún medio; el término también se emplea para las propias ondas o partículas.

16.-Fotón:

Cantidad mínima de energía de la luz u otra radiación electromagnética. La energía de un fotón se expresa mediante la ecuación E=hv.

17.-Onda:

Es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, presión , campo eléctrico o un campo magnético, que se propaga a través de espacio transportando energía.

18.-Onda transversal:

Es una onda en movimiento que se caracteriza porque sus oscilaciones ocurren perpendiculares a la dirección de la propagación. Si una onda transversal se mueve en el plano x positivo, sus oscilaciones van en dirección arriba y abajo que están en el plano y-z.

19.-Onda longitudinal:

las ondas en las que la perturbación es paralela a la dirección de propagación se denominan longitudinales.

20.-Movimiento ondulatorio:

Se mide en frecuencia, es decir, por el número de ciclos u oscilaciones que tiene por segundo. La unidad de la frecuencia es el Hertz, que equivale a un ciclo por segundo. Su propiedad esencial es que no implica un transporte de materia de un punto a otro. Las partículas constituyentes del medio se desplazan relativamente poco respecto de su posición de equilibrio.

21.-Luminiscencia:

Emisión de la luz no causada por la combustión y que, por tanto, tiene lugar a temperaturas menores. Un ejemplo de luminiscencia es la luz que emiten algunas pegatinas o adhesivos que brillan en la oscuridad después de haber sido expuestas a la luz solar o artificial.

22.-Onda Sinusoidal:

Es la que se puede representar mediante la función trigonométrica seno.

23.-Color:

Fenómeno físico de la luz o de la visión, asociado con las diferentes longitudes de onda en la zona visible del espectro electromagnético.

24.-Longitud de onda:

Es la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda que tienen el mismo estado de vibración. La longitud de onda representa un concepto fundamental en la resolución de cualquier tipo de movimiento ondulatorio, y puede variar de valores muy grandes a muy pequeños.

25.-Vacio:

según la definición más estricta, espacio absolutamente libre de materia. Es imposible crear un vacio perfecto en el laboratorio, siempre existen algunas moléculas en la zona de vacio.

26.-Frecuencia:

Término empleado en física para indicar el número de veces que se repite en un segundo cualquier fenómeno periódico. La frecuencia es muy importante en muchas áreas de la física, como la mecánica o el estudio de las ondas de sonido.

26.-Refracción:

Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le conoce como refracción.

27.-Reflexión:

Es el cambio de dirección de un rayo u onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.

28.-Dispersión:

Fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos lo medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas. La dispersión se debe a que la velocidad de una onda depende de su frecuencia.

29.-Refracción:

Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción.

30.-Energía radiante:

Es la poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radios, los rayos ultravioleta, los infrarrojo, etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacio, sin necesidad de soporte material alguno.

31.-Difracción:

Fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se extiende de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta.

32.-Prisma:

poliedro limitado por dos polígonos iguales, llamados bases, situados en planos paralelos, y por varios paralelogramos, llamados caras laterales.

33.-Ángulo crítico:

Hay un ángulo límite, para que le rayo refractado forme un ángulo de 90° con la normal, por lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso.

34.-Aberración:

Defecto en la imagen formada por una lente o un espejo.

35.-Circuito eléctrico:

Trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos conductores, que incluyen una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito.

36.-Constante:

El valor de una magnitud física, cuyo calor, fijado un sistema de unidades, permanece invariable en los procesos físicos a lo largo del tiempo.

Ley de Coulomb

Una fuerza eléctrica tiene las propiedades siguientes

1.- Es inversamente proporcional al cuadrado de la separación, r, entre las dos partículas y se ejerce a lo largo de la línea que las une.

F=KQq/r²

2.- Es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas, |q1| y |q2| de las dos partículas

f~|q1||q2|

3.- Es de atracción si las cargas son de signo opuesto y de repulsión si las cargas tienen el mismo signo.

Campo eléctrico

Se dice que existe un campo eléctrico en la región del espacio que rodea un campo con carga. Cuando otro objeto cargado entra en este campo, surgen fuerzas de naturaleza eléctrica.





Definimos la intensidad del campo eléctrico en la posición de la carga más pequeña como el cociente de la magnitud de la fuerza eléctrica que actua sobre ella entre la magnitud de su carga.

E=|F|/|q|

desarrollando

E=F/d

E=Kqq/r²/q

E=Kq/r²

El campo eléctrico es una cantidad vectorial cuyas unidades del S.I. son newtons entre coulombs (N/C). La dirección de E en un punto se define como la dirección de la fuerza eléctrica que se ejercerá sobre una carga positiva pequeña situada en ese punto.



Campo eléctrico de una placa cargada.




σ=Q/A

E= 2πkσ

Campo eléctrico de 2 placas cargadas




Fe=qE+qE

E=2πkσ

Fe=2πkσ
+2πkσ

Fe=4πkσ

Campo eléctrico de una placa sobre una carga exterior



E=2πkqσ

Campo eléctrico de dos placas sobre una carga exterior



Fe=4πkσ

Experimento de Millikan

El experimento consiste en introducir en un elemento gaseoso gotitas de aceite de un radio de orden de un micrómetro. Estas gotitas caen lentamente con un movimiento uniforme con su peso, compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de Medio de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Ahora bien, las gotitas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador por lo que el movimiento de caída se altera significativamente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando, convenientemente la magnitud del campo eléctrico, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.

Conociendo el valor de (m), la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g, de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:

mg = qE

Diagrama

Espectrómetro de masas

Es un instrumento que resulta de la aplicación directa de un campo magnético sobre una partícula cargada que se mueve perpendicularmente al campo con una cierta velocidad.

Las ecuaciones de la fuerza a la que es sometida la partícula y del radio de la curvatura de la trayectoria vienen dadas por las ecuaciones siguientes.

Fuerza de Loretz F=qvX_B

Radio r= |(m.|V|)/(q.|B|)]

Potencial eléctrico

El potencial eléctrico se define como el trabajo realizado para trasladar una carga positiva unitaria q de un punto a otro, desde B hasta A. Las unidades para el potencial eléctrico son Joules/coulombs.

Determinación de la ecuación para el potencial eléctrico

F=Kqq/r²

W=F.d

W=Kqq/r².r

W=Kqq/r

W=-ΔU

W=-[Vf-Vi]

W=-[Kqq/rf-Kqq/ri]

Energía potencial

En un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí, la energía potencial es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo en función exclusivamente de su posición dentro del sistema. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar.

La energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas. Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.

Fórmula para la energía potencial

U=KQq/r U=qEd
=q(2πkσ)

Ley de Gauss

La ley de Gauss establece que el flujo eléctrico neto a través de cualquier superficie gaussiana cerrada es igual al cociente de la cara neta que está en el interiror de la superficie entre E0.

ΣEA cos θ= Q/Є

Ésta ley fundamental que describe cómo las cargas crean campos eléctricos. En principio, la ley de Gauss siempre se puede utilizar para calcular el campo eléctrico de un sistema de cargas o de una distribución continua de carga. Sin embargo, en la práctica técnica es útil solo en un número limitado de situaciones en las que se tiene un alto grado de simetria.

Átomo de Börh

Böhr describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana al núcleo posible. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.

Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.

Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.

Postulados de Börh
1.- Los electrones giran alrededor del núcleo en orbitas circulares estables, sin emitir o absorber energía radiante.

Sabemos que |Fvector centrípeta| = {[me (v) (v)] r} |Fvector electrostática| = {[K (e) (e)]/(r) (r)}

2.- De las infinitas órbitas dadas por la ecuación, sólo son posibles aquellas en las que el momento angular del electrón es un múltiplo entero de la cantidad h/2π

r= {[(n) (n) (h) (h)]/Kme (e) (e)}

Ecuación que nos indica los valores de los radios de las órbitas del electrón dependen del número cuántico n, lo que equivale a decir que sólo pueden existir unas determinadas órbitas o lo que es mismo afirmar que los radios de las órbitas electrónicas están cuantizados.

3.- Cuando el electrón pasa de una órbita a otra absorbe o emite energía en forma de fotones, en una cantidad igual a: ΔE=hv

E= (-K^2mee⁴)/2h²*1/n²

Postulados de Böhr
Postulado I

Un átomo hidrogenoide consta de un núcleo central con carga +Ze y de un electrón de carga –e girando alrededor de un núcleo en una órbita circular de radio r con velocidad constante.
Un electrón que gira alrededor de un núcleo en una órbita de radio r y con velocidad v se encuentra sujeto a la fuerza de atracción electrostática que el núcleo de carga +Ze ejerce sobre él:

Fe= {[(Ze) (-e)]/(r) ^2}= {[Ze^2]/r^2}
Y a la fuerza centrifuga:
Fc= [(mv^2)/r]

A fin de que la orbita sea estable estas órbitas deben compensarse, y cumplirse que:

[(mv^2)/r] - [Ze^2]/r^2=0 (Ec1)

En la ecuación anterior hay dos incógnitas, r y v, por lo que para conocerlas es necesario encontrar otra relación entre ellas. Esta se obtiene del segundo postulado de Böhr el cual impone una condición sobre el momento angular del electrón.
Postulado II

El electrón recorre una determinada órbita n con momento angular:

L= mvr = n (h/2π)= nђ n=1,2,… (Ec2)

El segundo postulado implica que el momento angular del electrón está cuantizado, es decir, que sólo puede adquirir determinados valores caracterizados por el número cuántico n. La ecuación 2 se puede explicar utilizando una simple análogia entre el movimiento de la partícula y una onda estacionaria montada sobre la órbita, como se explica a continuación.
Para que se establezca una onda estacionaria sobre el perímetro 2πr de la órbita circular, ésta debe de ser tal que quepa un número entero de longitudes de onda:
2πr = nλ n= 1,2,… (Ec3)

Si n no fuera un número entero, las posiciones de los nodos cambiarían en cada vuelta y la onda no seria estacionaria. Aplicando la relación de Broglie a la ecuación 3 se tiene que:

2πr= n (h/p) = nh/mv
O sea:

mvr=nђ

Que es justamente el segundo postulado.
Resolviendo el sistema formado formado por las ecuaciones 1y2 se pueden obtener expresiones para las incógnitas rn y vn correspondientes al radio y a la velocidad del electrón cuando ocupa la órbita n:

rn= (n^2 ђ^2)/(Ze^2m) (Ec4)

y

vn= (n ђ)/mrn=(Ze^2m)/(n ђ) (Ec5)

Asi mismo se puede determinar la energia total En del electrón en la órbita n.

En(total)= En(cinética)+En(potencial)

En(total)= 1/2mv^2-Ze^2/rn
De la ecuación 1

mv^2n=[Ze^2]/r^2

de modo que

En= -1/2[(Ze^2)/rn] (Ec6)

Se observa que la energía total es la mitad de la potencial. Esta propiedad, llamada teorema del virial, es válida para todos los sitemas en los cuales el potencial es una función homogénea de grado -1 en las coordenadas.

Substituyendo rn por su valor de la (Ec 4) se tiene, finalmente la expresion para la energia:
En=-{[(e^4m)/ (2ђ^2)] [Z^2/n^2]} (Ec 7)

Es interesante notar que las energias En estàn cuàntizadas. Además, todas son negativas y En tiende a cero cuando n tiende a infinito. Lo anerior es concecuencia de que el 0 de energía potencial se ha escogido como el estado en que el electrón y el núcleo se encuentran infinitamente separados, de manera que la energia en cualquier estado ligado es menor que el estado separado. Las energias en orden creciente corresponden al orden creciente del número cuántico n: los En son los niveles de energia.
Postulado III

Un electrón que se mueva en una de esas órbitas permitidas no irradia energía electromagnética, aunque está siendo acelerado constantemente por las fuerzas atractivas al núcleo. Por ello, su energia total E permanece constante.


Postulado IV

La energía liberada al caer el electrón desde una órbita a otra de menor energía se emite en forma de fotón, cua frecuencia viene dada por la ecuación de Plank.
ΔE=E2-E1=h*v

Donde

E2 es la órbita más alejada del núcleo

E1 es la órbita más cercana al núcleo

Radio de Börh

r=rBZn² radio del átomo

rB=0.5Angstroms(z) Radio del átomo

E=Ec+Ep

E=1/2 mev²+((kQq)/r)

E=1/2 mev²+((kQ(-e)/r)

E=1/2mev²-Ke/r

Fe=Fc

[(Kqq)/r²]=[(mv²)/r]

[(k(e)(e))/r²]=[(mv²)/r]

mvr= movimiento angular o de movimiento

mvr=[(nh)/2π]

h=6.61*10^(-34)N.m número de plank

meVr=nђ

r=[(nђ)/(mev)]

ke²=meV²(nђ/meV)

Ke²=vnђ

V=[(nђ)/me(ke²/nђ)

r=[(n²h²)/(meKe²)]

r= 0.5 Å

Capacitores

Capacitor

Es un dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas (armaduras) separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

Los condensadores tienen un límite para la carga eléctrica que pueden almacenar, pasado el cual se perforan. Pueden conducir corrientes continuas durante un solo instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles cuando debe impedirse que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los condensadores de capacidad fija y capacidad variable se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos de resonancia, en los radios y otros equipos electrónicos.

Capacitancia

Es la relación constante entre la carga eléctrica que recibe un conductor y el potencial que adquiere. La capacitancia de un capacitor se mide en faradios y viene expresada por la fórmula q/V, donde q es la carga en (coulomb) de uno de los conductores y V es la diferencia de potencial (volts) entre ambos. La capacidad depende sólo de la superficie de los conductores y del espesor y la naturaleza dieléctrica del condensador.

Tres prefijos multiplicadores de utilizan, micro, nano y pico

Micra medios 10-6(un millón), por lo 1000000 =1F

N significa 10-9 (mil millonésima), por lo 1000nF=1micraF

P significa 10-12(millones de millón), por lo 1000pF=1F

Capacitancias

Capacitor de cerámica 2.2pF-0.0022nF

Capacitor de poliéster 1nF-0.001mF

Capacitor electrolítico 470nF-.47mF

Capacitores polarizados 1mF

Capacitores despolarizados 1mF

Capacitores de poliestireno 1pF

Condensadores Trimmer 2-10pF