O O N N O C O. Bases Físicas y Químicas del M.A. El electromagnetismo es... Temas 4 y 5: Electricidad y Magnetismo

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1 Bases ísicas y Químicas del M.A. Temas 4 y 5: lectricidad y Magnetismo Tema 6: ndas: luz, sonido, ondas mecánicas Temas 7 y 8: Materia y Radiación: ísica subatómica nergía l electromagnetismo es... Química 2e H 2e H Bibliografía: ísica, Wilson y Buffa, 5ª ed., Pearson Profesor: Bruno Martínez Haya Tutorías: viernes 8:3014:30 Despacho (edif. 2 planta 3) o Vicerrectorado de studiantes (edif. 9) Radiación M 92.0 Biología Ciencias Ambientales curso 2004/05 N N C C Na Cl 1

2 ADN Medio Ambiente y Mecánica Cuántica Seminario impartido en el Departamento de Ciencias Ambientales UP, 13/03/03 Ψ(r,t) La ntropía siempre crece: l universo tiende al desorden Dos gases se mezclan espontáneamente ejemplos: APARICIÓN SPNTÁNA D VIDA CT INVRNADR AGUJR D ZN n la Tierra se genera vida espontáneamente: disminuye la entropía! C 2 Vida en la Tierra: Conservación de la energía Aumento de la entropía orden espontáneo (seres vivos) Toda la energía es reemitida CH 4 2 N 2 NH 3 Baja entropía: pocos fotones Alta entropía: muchos fotones (más desorden) 2

3 fecto invernadero : Calentamiento de la atmósfera IR Absorción infrarroja del C 2 C absorbancia número de onda (cm1) absorbancia número de onda (cm1) Termalización de la atmósfera por colisiones: colisión de N 2 y con C 2 excitado Absorción de radiación UV e IR en la atmósfera visible Radiación solar incidente sobre la Tierra Radiación solar al nivel del mar ultravioleta infrarrojo fecto horno infrarrojo (parecido a un horno microondas) C 2 y fecto Invernadero radiación del sol radiación devuelta al espacio C 2 (y CH 4 ) absorción de la radiación por C 2 : calentamiento de la atmósfera CaC 3 Soluble en agua Naturaleza Hombre 2% Carbón Hidrocarburos Vegetación 3

4 ormación y destrucción de ozono ormación de la capa de ozono: Mecanismo de Chapman UV otólisis del km Mesosfera estratosfera Ionosfera 3 2 UV ormación de 3 otólisis del km Troposfera 3 Concentración Destrucción natural de 3 Destrucción catalítica de la capa de ozono l agujero de ozono antártico Cl Cl Destrucción de 3 Cl Cl Recuperación del catalizador Reacción neta Nubes polares: Destrucción de ozono en la superficie de cristales de hielo Temas 4, 5: lectromagnetismo Las fuerzas fundamentales uerza gravitatoria uerza electromagnética uerza nuclear débil (radiactividad) uerza nuclear fuerte Para un científico: responsables del comportamiento de la materia y, por ende, de los procesos naturales Para un ingeniero: uentes de energía 4

5 lectromagnetismo frente a gravitación = G m M R 2 M m Q = k Q R 2 Las cargas eléctricas se atraen o repelen Q Q Ley de Coulomb = k Q R 2 Q : carga R : distancia La interacción electromagnética es responsable de la formación de las moléculas La interacción electromagnética es responsable de la formación de las moléculas lectrones (enlazan los núcleos) N N N e1 e2 N Núcleos atómicos (se repelen) uerza total sobre cada núcleo TTAL = N e (Suma de vectores) Ley de Coulomb = k a menudo se utiliza: Q R 2 k = 1 4π ε 0 Permitividad eléctrica del vacío ε 0 = N 1 m 2 C 2 constante k = N m 2 C 2 carga elemental e = C Ley de Coulomb = k a menudo se utiliza: Q R 2 Permitividad eléctrica del vacío ε 0 = N 1 m 2 C 2 Velocidad de la luz c = m/s constante k = N m 2 C 2 carga elemental e = C 1 k = = c 2 (10 7 N s 2 C 2 ) 4π ε 0 5

6 Ley de Coulomb = k Ley de Newton = G Q R 2 m M R 2 constante k = N m 2 C 2 carga elemental e = C constante G = N m 2 kg 2 masa electrón m e = kg masa protón m p = kg = k Algunas magnitudes fundamentales uerza entre cargas Q R 2 Campo eléctrico generado por una carga = k Q R 2 Potencial eléctrico generado por una carga V = k Q R uerza y campo eléctrico son vectores = nergía potencial de por otra carga próxima U = V nergía y Potencial eléctrico son escalares Potencial eléctrico producido por una carga V = k Q R Campo escalar nergía potencial de U = V = k Q R Superficies euipotenciales Q V 1 V 2 U nergía potencial de U = V = k Q R Q y del mismo signo Q y de distinto signo R nergía Primaria Generación de energía eléctrica U 2 U 1 transformación de energía primaria (combustión, nuclear o renovable) a eléctrica nergía eléctrica Corriente eléctrica transformación de energía eléctrica a calorífica, mecánica... Vector de campo eléctrico producido por una carga Q = k u R 2 R Vector radial Campo vectorial Carga positiva 6

7 Vector de campo eléctrico producido por una carga Q = k u R 2 R Vector radial Campo vectorial Carga negativa uerza producida por un campo eléctrico sobre una carga = Campo vectorial Carga positiva Carga negativa Cargas en un campo eléctrico constante Las líneas de campo eléctrico indican la trayectoria ue seguiría una carga positiva libre en el medio l campo eléctrico en un punto es la suma de todos los campos eléctricos presentes = Líneas de campo: paralelas al campo eléctrico en cada punto (nunca se cruzan) = Campo eléctrico generado por dos cargas del mismo signo Campo eléctrico generado por dos cargas del mismo signo Los campos se suman en cada punto 7

8 Campo eléctrico generado por dos cargas positivas Campo eléctrico en dos cargas de distinto signo 1 2 Los campos se suman en cada punto Las líneas de campo eléctrico indican la trayectoria ue seguiría una carga positiva libre en el medio Campo eléctrico en dos cargas de distinto signo Campo creado por una placa infinita cargada Campo uniforme, independiente de la distancia a la placa Campo creado por una placa infinita cargada Campo uniforme, independiente de la distancia a la placa Dos placas de cargas opuestas 8

9 Dos placas de cargas opuestas l campo de un plano infinito cargado es uniforme = 0 = 0 Campo uniforme entre las placas Y campo nulo en el exterior Plano cargado infinito 1 2 Campo en un punto cercano a la placa l campo de un plano infinito cargado es uniforme Plano cargado infinito 1 2 Campo en un punto lejano de la placa l modelo de placas describe las tormentas RAYS TIRRA NUB l modelo de placas cargadas describe el comportamiento eléctrico de la membrana celular Modelo sencillo de membrana celular: Placas cargadas eléctricamente Alta concentración de Na Na ATP K xterior de la célula V XT = 0 mv Membrana celular Alta concentración V INT = 70 mv de K Interior de la célula carga Q carga Q V = 0 mv D: distancia entre placas V = 70 mv 9

10 Campo creado por una placa infinita cargada Dos placas de cargas opuestas = σ 2ε 0 Densidad de carga en la placa: carga/área Permitividad del vacío Campo uniforme, independiente de la distancia a la placa = 0 = σ ε 0 = 0 Condensador: Placas con cargas opuestas Q carga Q = σ A = σ/ε 0 Q D Diferencia de potencial entre las placas V = D Condensador: Placas con cargas opuestas Q carga Q = σ A = σ/ε 0 Q D Capacidad del condensador (de almacenar carga) C = Q / V Unidad S.I. aradio de capacidad 1 = 1 C V 1 Condensador: Placas con cargas opuestas Q carga Q = σ A = σ/ε 0 Q nergía almacenada en el condensador D U = Q2 /2C = Q V/2 = C/2V 2 Conductores, semiconductores y aislantes Material conductor: Los electrones más externos son compartidos por los átomos y moléculas y se pueden mover libremente por la Banda de conducción del material. Al aplicar un campo eléctrico externo se produce un flujo de lectrones (corriente eléctrica) nergía potencial Banda de conducción 10

11 Conductores, semiconductores y aislantes Material aislante: Los electrones de valencia se encuentran fuertemente unidos a los átomos o moléculas Al aplicar un campo eléctrico externo los electrones permanecen unidos a sus átomos y se induce un dipolo eléctrico (el material se polariza) Conductores, semiconductores y aislantes Material semiconductor: l acceso de los electrones a la banda de conducción es posible aplicando una cantidad moderada de energía (térmica, luminosa,...). La conductividad del material se puede controlar además introduciendo defectos en su estructura. nergía potencial Banda de conducción Banda de valencia nergía potencial Banda de conducción Banda de valencia Material conductor: lectrones pueden moverse libremente en el material iones fijos electrones libres Conductor en un campo eléctrico uniforme Material conductor: lectrones pueden moverse libremente en el material iones fijos electrones libres Conductor en un campo eléctrico uniforme Material conductor: lectrones pueden moverse libremente en el material Material conductor: lectrones pueden moverse libremente en el material Carga superficial negativa Carga superficial positiva Campo interior igual al exterior pero con signo contrario 11

12 Material conductor: lectrones pueden moverse libremente en el material = 0 n el interior de un material conductor el campo eléctrico es siempre cero Cabina de protección contra campos electromagnéticos = 0 l material conductor hace de escudo de radiación. l interior de la cabina es siempre una región libre de campo electromagnético Material aislante en un campo eléctrico Molécula neutra en un campo eléctrico moléculas núcleos electrones ligados Molécula neutra en un campo eléctrico los electrones se desplazan y deforman la nube eletrónica de la molécula Molécula neutra en un campo eléctrico Carga efectiva negativa positiva D se produce un dipolo inducido µ = Q D 12

13 Molécula neutra en un campo eléctrico Carga efectiva negativa positiva D se produce un dipolo inducido Polarizabilidad µ = α Material aislante en un campo eléctrico Cargas negativas Cargas positivas Material polarizado Material aislante en un campo eléctrico: constante dieléctrica de un aislante INDUCID n valor absoluto INDUCID < Material aislante en un campo eléctrico: constante dieléctrica de un aislante INTRIR INTRIR constante dieléctrica = ε (ε > 1) ej.: membrana celular ε 10 Condensador con un aislante entre placas Q carga Q = σ A Q ε D = 0 V = ε V 0 ε C = ε C 0, V, C : con material aislante 0, V 0, C 0 : vacío entre placas Constante dieléctrica y solubilidad de las sales Disolvente (agua) Sal disuelta uerza entre iones Na Cl precipitado Sal precipitada NaCl 13

14 Constante dieléctrica y solubilidad de las sales Disolvente (agua) Sal disuelta uerza entre iones Na Cl Constante dieléctrica y solubilidad de las sales uerza en el vacío = k Q R 2 = con disolvente k ε Q R 2 ε alto buen disolvente de sales constante dieléctrica del agua ε = 80 Na Cl Momento dipolar de la molécula de agua Momento dipolar del agua H H carga efectiva positiva 1) es más electronegativo ue H 2) pares solitarios de electrones carga efectiva negativa 1 Debye = C m µ = Q D = 1.8 Debye (fase gas) = 2.5 Debye (fase líuida) Molécula de agua en un campo eléctrico carga Na H 2 nergía de un dipolo en un campo eléctrico dipolo U = µ = µ cos θ θ µ Mínima energía θ = 0 o µ rientación más estable de la molécula de agua frente a los solutos iónicos carga Na H 2 dipolo Na Cl Cl l disolvente actúa como un dieléctrico y atenúa el campo atractivo entre los iones 14