Conceptos Fundamentales de Física: Ondas, Campos y Electromagnetismo

Ondas Estacionarias: Conceptos Fundamentales

Las ondas estacionarias se producen cuando en un determinado medio interfieren dos ondas de las mismas características que se propagan en sentido contrario. Supongamos una onda y1 = A sen(wt - kx) interfiere con otra, de las mismas características, que se propaga en sentido contrario, y2 = -A sen(wt - kx). La perturbación resultante en un punto x es de la forma y = -2A sen(kx) cos(wt).

A partir de esta expresión se puede concluir:

• Cada punto del medio realiza un Movimiento Armónico Simple (M.A.S.) con diferente amplitud. La amplitud de oscilación para un punto dado es A' = |-2A sen(kx)|, de modo que la perturbación se expresa como y = A' cos(wt).
• La amplitud es función de la posición x, de modo que unos puntos oscilan con amplitud máxima (vientres) y otros no oscilan (nodos).
• La frecuencia es la misma que la de las ondas incidentes.
• Puesto que hay puntos que no vibran, las ondas estacionarias, a diferencia de las ondas viajeras, no transportan energía y representan solo un estado oscilatorio del medio. La energía está confinada.

Interacción Electrostática y Ley de Coulomb

La carga eléctrica es la causa que señalamos como responsable de la interacción electromagnética, es decir, de las fuerzas eléctricas y magnéticas.

Características de la Carga Eléctrica

• Existen dos tipos: positiva y negativa.
• Es una magnitud escalar.
• Presenta aditividad (las cargas se suman algebraicamente).
• Se observa la neutralidad de la materia (la materia macroscópica es generalmente neutra).
• Es una magnitud cuantizada (cualquier carga es un múltiplo entero de la carga elemental).
• Se conserva en sistemas cerrados.
• Su unidad en el S.I. es el culombio (C). La carga elemental es 1.6 × 10^-19 C.

La interacción electrostática, es decir, la interacción entre cargas en reposo, viene descrita por la Ley de Coulomb: “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.

Características de la Interacción Electrostática

• Es una fuerza central.
• Es conservativa.
• Puede ser atractiva o repulsiva.
• Depende del medio en el que se encuentren las cargas.
• Es de largo alcance.

Satélites y Velocidad Orbital

La fuerza que mantiene a un satélite en su órbita y permite que no escape es la fuerza gravitatoria. Esta fuerza cambia continuamente la dirección del movimiento del satélite y lo mantiene ligado.

Si un satélite de masa m describe una órbita circular alrededor de un cuerpo de masa M, se cumple que la fuerza centrípeta, responsable del movimiento circular, es precisamente la fuerza de atracción gravitatoria entre m y M.

El Campo Gravitatorio: Concepto y Definición

La acción a distancia entre cuerpos ha resultado siempre difícil de explicar. Faraday introdujo el concepto de campo como mediador en las interacciones de los cuerpos. Cada cuerpo perturba de alguna manera el espacio que le rodea, de tal manera que otro cuerpo colocado allí estará sometido a la acción del primero. Esa perturbación constituye el campo.

Introducido de esta manera, el concepto de campo no sirve de mucho si no se define operativamente.

Origen del Campo Magnético: La Experiencia de Oersted

En 1820, el danés C. Oersted puso de manifiesto la relación entre los fenómenos magnéticos y los eléctricos al observar casualmente cómo una corriente eléctrica desviaba la brújula. Este descubrimiento fundamental reveló que una corriente eléctrica crea un campo magnético.

Posteriormente, se observaron fuerzas ejercidas por imanes sobre corrientes y fuerzas entre corrientes eléctricas. Todo ello llevó a admitir que las fuerzas magnéticas tienen su origen en la interacción entre cargas en movimiento.

Una carga en movimiento crea un campo magnético que actúa sobre otra carga en movimiento. En los imanes, hay cargas en movimiento, generando momentos magnéticos no nulos debido a espines orientados por zonas denominadas dominios.

Para referirnos a la interacción entre cargas, hablamos de interacción electromagnética.