Exploración de las Leyes Fundamentales de la Física: Electromagnetismo, Gravitación y Óptica

Ley de Gravitación Universal

Dos cuerpos cualesquiera en el universo se atraen el uno al otro con una fuerza cuyo módulo es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Su dirección es la de la línea recta que une ambos cuerpos y su sentido es de uno al otro. La fuerza gravitatoria es una fuerza central. Su fórmula vectorial es:

(vectorF) = -G * m1 * m2 / (vectorR.12)^2, donde G = 6,67 * 10^-11

Campo Gravitatorio

Es la región del espacio en la que se aprecia la perturbación provocada por la masa de un cuerpo. Llamamos intensidad del campo gravitatorio en un punto, g, a la fuerza que una masa m ejerce sobre un cuerpo de masa unidad colocada en ese punto.

Principio de Huygens

Los puntos situados en un frente de ondas se convierten en fuentes de ondas secundarias, cuya envolvente constituye un nuevo frente de ondas primario. La forma de aplicarlo es la siguiente:

1. Se trazan pequeños círculos de igual radio con centros en diferentes puntos de un frente de ondas.
2. Luego se traza la envolvente de los círculos, la cual constituye el nuevo frente de ondas.

La comprobación experimental del principio se puede realizar en la cubeta de ondas, siendo válido para todo tipo de ondas, materiales o no. Una consecuencia del principio de Huygens es que todos los rayos tardan el mismo tiempo entre dos frentes de onda consecutivos. Los rayos son líneas perpendiculares a los frentes de onda y corresponden a la línea de propagación de la onda.

Reflexión

Se produce cuando una onda choca con la superficie que separa dos medios distintos y retrocede, avanzando por el mismo medio original.

Leyes de Reflexión:

1. El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
2. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal es igual al que forma el rayo reflejado con ella.

Refracción

Se produce cuando una onda llega a la superficie que separa dos medios distintos y avanza por el segundo medio. En cada uno de ellos se moverá con velocidad distinta, por lo que cambiará la dirección en la que se propaga.

Leyes de Refracción:

1. El rayo incidente, el refractado y la normal están en el mismo plano.
2. Cuando el rayo incidente se propaga a mayor velocidad que el refractado, el ángulo de incidencia es mayor al de refracción.

Sonido

Intensidad

Es la cantidad de energía que atraviesa en un segundo la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación del sonido. Se mide en vatios (w)/m². La intensidad depende de la amplitud de la onda y permite distinguir entre sonidos fuertes (ondas de gran amplitud) y débiles (ondas de poca amplitud). La sensación que se produce en el oído al percibir cierta intensidad de sonido se llama sonoridad o intensidad fisiológica.

Tono

Es una cualidad relacionada con la frecuencia del sonido. Nos permite distinguir entre sonidos agudos (frecuencia alta) y sonidos graves (frecuencia baja).

Timbre

Es una cualidad que nos permite distinguir dos sonidos con la misma intensidad y el mismo tono, emitidos por dos instrumentos diferentes. Está relacionado con la forma de la onda.

Ley de Lorentz

Cuando un cuerpo cargado penetra con una velocidad v en una región del espacio donde existe un campo magnético B, se ve sometido a una fuerza: Fb = q x v x B. Fb es perpendicular a v y B.

Amperio

Intensidad de corriente eléctrica que debe circular por dos conductores rectilíneos, paralelos e indefinidos, para que separados a una distancia de 1 m ejerzan una fuerza entre ellos de 2 x 10^7 N por cada metro de conductor.

Campo Creado por una Distribución de Cargas Puntuales

La intensidad del campo electrostático en un punto es la suma vectorial de los campos que crearían cada uno de esos cuerpos si solo estuviese él en esa región del espacio. Se conoce como principio de superposición.

Ley de Coulomb

La interacción electrostática entre dos partículas consideradas puntuales cargadas eléctricamente (q1 y q2) es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r), y depende de la naturaleza del medio que les rodea. Las fuerzas electrostáticas que actúan sobre cada una de las partículas cargadas, F12 y F21, forman un par de fuerzas de acción y reacción, por lo que su dirección es la de la recta que une sus centros y su sentido es de atracción si las cargas tienen distinto signo y de repulsión si las cargas tienen el mismo signo. Escalarmente: F = k * Q * q / r^2

Ondas Longitudinales y Transversales

• Si ambas direcciones coinciden, las ondas son longitudinales. El sonido, las ondas sísmicas P o las ondas producidas al comprimir y dilatar un muelle son de este tipo. Se propagan por cualquier medio material (sólido, líquido o gaseoso). Cuando se propagan en el seno de un fluido se denominan ondas de presión; es lo que ocurre con el sonido en el aire.
• Si ambas direcciones son perpendiculares, las ondas son transversales. Las ondas que viajan por una cuerda, las ondas sísmicas S o las ondas electromagnéticas son de este tipo. Las ondas mecánicas transversales requieren para su propagación de medios materiales cuyas partículas ejerzan entre sí fuerzas intermoleculares, medios con cierta rigidez, como en el interior de los sólidos o en las superficies de los líquidos (no en su interior).

Ley de Faraday

El valor de la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con la que varía el flujo magnético a través de la superficie limitada por el mismo, independientemente de las causas que provoquen la variación del flujo. El signo negativo de esta ley lo explica la Ley de Lenz: la dirección y sentido de la corriente inducida es tal que el campo magnético creado por ella se opone a la variación del flujo magnético que la produce, tiende a mantener su estado y sentido original. También es una forma de enunciar el principio de conservación de la energía, para mantener la corriente inducida (o la fem inducida) se debe realizar un trabajo externo. Dos principios básicos de la inducción electromagnética:

1. Toda variación del flujo de un campo magnético externo que atraviesa un circuito cerrado produce en éste una fem inducida y, por tanto, una corriente eléctrica inducida que se opone a esa variación.
2. La corriente inducida es una corriente instantánea, pues sólo dura mientras dura la variación del flujo.

Efecto Fotoeléctrico

Fenómeno mediante el cual la luz, al incidir sobre un metal, le arranca electrones.

Frecuencia Umbral en el Efecto Fotoeléctrico

La frecuencia umbral corresponde a la mínima frecuencia de la luz incidente sobre la superficie de un metal para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico (se produzca la emisión de electrones desde la superficie de un metal).

1. Por debajo de esa frecuencia no tiene lugar la emisión de electrones.
2. Por encima de ese valor de frecuencia, un aumento de intensidad de la luz incidente produce un incremento en el número de electrones emitidos, pero no se produce ningún aumento en la energía cinética máxima.

La existencia de la frecuencia umbral puede explicarse a partir de la consideración de los aspectos corpusculares de la radiación luminosa (modelo de Einstein). La energía luminosa de una radiación no se reparte de modo uniforme en todos los puntos del frente de ondas sino en forma de "paquetes de energía" que Einstein llama fotones. Así, cuando una radiación luminosa incide sobre la superficie de un metal, los átomos de éste absorben la energía de los fotones. Si esta energía es suficiente para vencer la atracción electrostática que liga los electrones al metal, se producirá el efecto fotoeléctrico; de lo contrario, no se produce la emisión. Como los átomos de los metales son diferentes, también lo es la energía necesaria para que se emitan los electrones. Por lo tanto, para cada metal existirá un valor mínimo de energía que debe tener el fotón incidente para que se produzca la emisión de un electrón. Ese valor mínimo de energía se le conoce como trabajo de extracción del metal o energía umbral o función de trabajo. Como la energía de un fotón depende de su frecuencia (h·f), a la frecuencia correspondiente a esa energía (o a ese trabajo de extracción) se le llama frecuencia umbral.

Ley de Faraday y Lenz: Inducción Electromagnética

Faraday había observado que al mover un imán en el interior de una bobina conectada a un galvanómetro, éste indicaba paso de corriente, a pesar de que la bobina no estaba conectada a ningún generador. Lo mismo ocurría si era la bobina la que se movía con respecto al imán. Este fenómeno, que denominamos inducción electromagnética (inducir una corriente eléctrica mediante un campo magnético variable), fue interpretado en función de sus líneas de campo y expresado mediante la siguiente ley:

"La fuerza electromotriz e inducida en un circuito es igual a la variación por unidad de tiempo del flujo magnético F que lo atraviesa".

El significado del signo menos viene dado por la ley de Lenz: "El sentido de la corriente inducida es tal que el campo creado por dicha corriente tiende a oponerse a la variación del flujo magnético que la ha originado". Esto es un ejemplo más de la tendencia de los sistemas a mantener su estado de equilibrio original mediante fenómenos de acción-reacción, que en definitiva no es más que una consecuencia del principio de conservación de la energía. Así, si alejamos de una cara de la bobina el polo norte de un imán, con la consiguiente disminución del flujo magnético, la corriente inducida tenderá a generar un campo magnético que, entrando por esa cara, compense la citada disminución; aparecerá pues una cara sur en esa parte de la bobina que atraerá al polo norte que se aleja.

Aumento del Radio de la Espira o del Valor del Campo

Si aumentamos progresivamente el radio de la espira o el valor del campo, el flujo del campo magnético Bo aumentará. La corriente inducida generará un campo magnético cuyo flujo tiende a oponerse al cambio del flujo que lo origina. El campo inducido Bi irá en sentido contrario a Bo y para que el campo Bi sea saliente del plano del dibujo, la intensidad de corriente ha de tener sentido antihorario.