Física Esencial: Electromagnetismo, Ondas y Vibraciones

Fundamentos del Electromagnetismo

La Ley de Lorentz

Si una carga eléctrica que se mueve con una velocidad v penetra en un campo magnético B, experimenta una fuerza F que viene dada por la Ley de Lorentz. Esta fuerza es fundamental para entender la interacción entre cargas en movimiento y campos magnéticos.

La Ley de Biot-Savart

El campo magnético B creado por un hilo conductor recto e indefinido por el que circula una intensidad de corriente I a una distancia r de él, se calcula mediante la siguiente expresión:

[Aquí se insertaría la fórmula de Biot-Savart]

Fuerza de Lorentz sobre un Conductor

Si un campo magnético ejerce una fuerza F sobre una carga en movimiento, también ejercerá una fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente (que es un conjunto de cargas en movimiento). La fuerza sobre un conductor rectilíneo se expresa como:

[Aquí se insertaría la fórmula general de la fuerza sobre un conductor]

El módulo de esta fuerza F se calcula como: F = I · L · B · sin(α), donde I es la intensidad de corriente, L es la longitud del conductor, B es la magnitud del campo magnético, y α es el ángulo entre la dirección de la corriente y el campo magnético.

Movimiento Oscilatorio y Vibratorio

Un movimiento oscilatorio o vibratorio es un movimiento periódico que tiene lugar hacia un lado y hacia otro de una posición de equilibrio. Este tipo de movimiento se puede expresar mediante funciones armónicas como senos o cosenos.

Conceptos Clave del Movimiento Oscilatorio

• Periodo (T): Es el tiempo que tarda en completarse una oscilación o ciclo completo.
• Frecuencia (f): Es el número de oscilaciones o ciclos por unidad de tiempo. Es la inversa del periodo: f = 1/T.
• Frecuencia Angular (ω): Representa el número de radianes por unidad de tiempo. Se relaciona con el periodo y la frecuencia como: ω = 2π/T = 2πf.
• Amplitud (A): Es el máximo alejamiento de la posición de equilibrio.
• Elongación (x o y): Es la distancia instantánea de la partícula respecto a la posición de equilibrio en un momento dado.
• Fase (φ): Describe el estado de vibración de un punto de la onda en un instante dado.

Ondas: Propagación y Tipos

Una onda es la propagación de una perturbación en el espacio que transporta energía, pero no materia.

Clasificación de las Ondas

• Ondas Mecánicas: Necesitan un medio material para propagarse (ej. el sonido).
• Ondas Electromagnéticas: No necesitan un medio material y pueden propagarse en el vacío (ej. la luz, las ondas de radio, el láser).
• Ondas Longitudinales: La dirección de propagación de la onda es paralela a la dirección de vibración de las partículas del medio.
• Ondas Transversales: La dirección de propagación de la onda es perpendicular a la dirección de vibración de las partículas del medio.

Propiedades Fundamentales de las Ondas

• Velocidad de Propagación (v): Es la rapidez con la que una onda avanza en un medio.
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en la misma fase (ej. dos crestas o dos valles).

Doble Periodicidad de las Ondas

La doble periodicidad de un movimiento ondulatorio se refiere a su repetición tanto en el espacio como en el tiempo.

Periodicidad Espacial

Dos puntos de la onda separados por una longitud de onda λ, o un múltiplo entero de ella, vibrarán en el mismo estado. Es decir, la forma de la onda se repite cada λ en el espacio. Esto implica que si x₂ - x₁ = λ, o x₃ - x₁ = 2λ, los puntos x₁, x₂, x₃ estarán en la misma fase.

Periodicidad Temporal

Nos indica que el estado de vibración de un punto de la onda (x) en un instante de tiempo t será idéntico al de los instantes t + T, t + 2T, y así sucesivamente, donde T es el periodo.

Relación Fundamental entre Propiedades Ondulatorias

La velocidad de propagación (v) se relaciona con la longitud de onda (λ) y el periodo (T) mediante la expresión fundamental: v = λ / T.

Esta relación indica que la distancia que una onda recorre en un periodo (T) es precisamente una longitud de onda (λ).