El e c t r o m a g n e t i s m o. Eduardo Bonda Álvaro Suárez Marcelo Vachetta

Transcripción

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2 El e c t r o m a g n e t i s m o Cuántica y Relatividad Eduardo Bonda Álvaro Suárez Marcelo Vachetta

3 índice Índice Prólogo...9 Capítulo 1 - Campo Eléctrico...11 Introducción Elektron Carga eléctrica Corriente eléctrica, conductores y aislantes Velocidad de arrastre Intensidad de corriente eléctrica Campo eléctrico Una imagen mecánica del campo Líneas de campo eléctrico Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico La carga eléctrica y los enlaces químicos Biografías Problemas Capítulo 2 - Ley de Gauss para el campo eléctrico...26 Introducción Flujo de campo eléctrico Ley de Gauss para el campo eléctrico Aplicando la Ley de Gauss Campo eléctrico generado por una partícula cargada en el vacío Principios de independencia y superposición Campo eléctrico generado por un plano infinito uniformemente cargado en el vacío Algunas propiedades de los conductores vinculadas con la ley de Gauss Campo eléctrico generado por una esfera conductora cargada en el vacío Blindaje inverso? Ley de Coulomb La ley de Gauss y la ley de Coulomb Sobre la estabilidad y la desintegración radiactiva Biografías Problemas Capítulo 3 - Potencial eléctrico...54 Introducción Trabajo realizado sobre una partícula cargada que se desplaza en un campo eléctrico Carácter conservativo de la fuerza eléctrica Intercambios energéticos Circulación de campo eléctrico Diferencia de potencial eléctrico El electronvolt Potencial y campo Cómo determinar el campo eléctrico a partir de la diferencia de potencial Potencial eléctrico de una partícula cargada en el vacío Los conductores y el potencial eléctrico Campo eléctrico sobre la superficie exterior de un conductor en equilibrio electrostático Sobre cómo se distribuye la carga en un conductor Hacia la relatividad especial Biografías Problemas

4 índice Capítulo 4 - Circuitos eléctricos...77 Introducción Corriente y campo Resistencia eléctrica Ley de Ohm Representación de circuitos Conexiones serie y paralelo Reglas de Kirchhoff Resistencia equivalente Capacitores Carga de un capacitor Descarga de un capacitor Fuerza electromotriz Fem y diferencia de potencial de un generador Potencia eléctrica Potencial de acción, un fenómeno bioeléctrico Capítulo 5 - Campo Magnético...94 Introducción Imanes Interacción entre los imanes y la materia Magnetismo terrestre Campo magnético Líneas de campo magnético Fuerza magnética sobre un conductor recorrido por corriente - Ley de Laplace Motores eléctricos de corriente continua Fuerza magnética sobre partículas cargadas en movimiento Fuerza de Lorentz Movimiento de partículas cargadas en un campo magnético Efecto Hall Algunas aplicaciones tecnológicas de la fuerza de Lorentz Flujo de campo magnético Ley de Gauss para el campo magnético El campo magnético de la Tierra Biografías Problemas Capítulo 6 - Corrientes y campos magnéticos Introducción Efecto Oersted Campo magnético generado por corrientes eléctricas Ley de Ampère Aplicando la ley de Ampère I- Campo magnético generado por un conductor recto y largo II. Campo magnético en el interior de una bobina Fuerza magnética entre dos conductores por los que circula corriente Interacción entre partículas cargadas en movimiento Sobre la relatividad de las fuerzas magnéticas, una paradoja? Ley de Ampère-Maxwell Campos electromagnéticos en la vida animal Biografías Problemas

5 índice Capítulo 7 - Inducción electromagnética Introducción Ley de Faraday-Lenz La inducción electromagnética y la conservación de la energía Fem de movimiento Corrientes de Foucault Generadores Transformadores Inductancia Biografías Problemas Capítulo 8 - Ondas electromagnéticas Introducción Ondas electromagnéticas, un análisis cualitativo Ondas armónicas Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas Experimento de Young Espectro electromagnético Radiaciones y ser humano Biografías Problemas Capítulo 9 - Orígenes de la física cuántica Introducción El efecto fotoeléctrico La interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico Emisión de Rayos X Efecto Compton Onda o partícula? Biografías Problemas Capítulo 10 - Modelos atómicos Introducción Joseph John Thomson - budín de pasas Ernest Rutherford - el modelo planetario Modelo atómico de Bohr Biografías Problemas Capítulo 11 - Dualidad onda-partícula Introducción Ondas de materia Dualidad onda-partícula, dos caras de la misma moneda? Principio de incertidumbre de Heisenberg Biografías Problemas Capítulo 12 - Relatividad especial Introducción Los postulados de Einstein Simultaneidad

6 índice La dilatación del tiempo Contracción de longitudes Relatividad, electricidad y magnetismo La masa depende de la velocidad Equivalencia entre masa y energía Fisión nuclear El proyecto Manhattan Problemas Soluciones

7 prólogo Prólogo Este libro ha sido escrito como texto de apoyo para cursos del último año de enseñanza media. El temario, en concordancia con los programas oficiales de tercer año de bachillerato reformulación 2006, incluye electromagnetismo y una introducción a la física cuántica y a la relatividad especial. Sobre el final de cada capítulo se presentan una serie de situaciones problema para evaluación y refuerzo de los contenidos del capítulo. Estos problemas están marcados con asteriscos según su nivel de dificultad. Queremos agradecer el invalorable apoyo de algunos colegas y amigos sin los cuales este libro no hubiera sido posible: Favia Bresque. Autora de los artículos Potencial de acción, un fenómeno bioeléctrico, Campos electromagnéticos en la vida animal y Las radiaciones y el ser humano. Antonio Origoni. Lector crítico y autor de las biografías ubicadas al final de cada capítulo. Manuel Maldonado, quien realizó las caricaturas correspondientes a cada biografía. Fernando Moreno, Valentina Machín y Daniel Ferreira quienes con sus aportes y sugerencias enriquecieron este material. Lucas Rocha quien colaboró con la resolución de problemas de final de capítulo. Ricardo Terán y Alejandro Villamil quienes gentilmente pusieron a disposición material de laboratorio para las fotografías. Marcelo Marchese de Babilonia libros, por haber confiado en este equipo. Alumnos de la generación 2009 del liceo N 35 de Montevideo y N 1 de La Paz que trabajaron con una versión de prueba de este libro. Y todos aquellos colegas y amigos que de una forma u otra nos impulsaron en la realización de este proyecto. 9

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