Fundamentos de Física: Conceptos Clave de Electricidad, Ondas y Movimiento Periódico

I. Conceptos Fundamentales de Electricidad y Electromagnetismo

Ley de Coulomb

La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

• Fórmula: $F = K \frac{q_1 q_2}{r^2}$
• Constante K: $K = 9 \times 10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2$

Campo Eléctrico (E)

La magnitud del campo (E) en cualquier punto, en términos de la fuerza que experimenta una carga unitaria positiva cuando se coloca en dicho punto, equivale a la fuerza por unidad de carga.

• Fórmula General: $E = F/q$

Campo Eléctrico de una Carga Puntual

La magnitud del campo eléctrico de una carga puntual $Q$ a una distancia $r$ de $Q$ es:

• Fórmula: $E = K \frac{Q}{r^2}$

Energía Potencial Eléctrica y Diferencia de Potencial

La Energía Potencial Eléctrica es igual al trabajo efectuado contra las fuerzas eléctricas para llevar la carga de A a B.

La Diferencia de Potencial ($V_{ab}$) se define como:

• Fórmula: $V_{ab} = W/q$

Circuitos y Resistencia

Resistencia Eléctrica

La resistencia de un material al paso de la corriente ($R$) se calcula mediante:

• Fórmula: $R = \rho \frac{L}{A}$ (donde $\rho$ es la resistividad, $L$ la longitud y $A$ el área)

Ley de Ohm

La intensidad de la corriente ($I$) en un circuito eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial o voltaje ($V$), e inversamente proporcional a la resistencia ($R$).

• Fórmulas: $I = V/R$, $V = I \times R$, $R = V/I$

Potencia Eléctrica

La potencia eléctrica ($P$) se calcula como el producto del voltaje y la intensidad de la corriente.

• Fórmula: $P = V \times I$

II. Etapa 4: Movimiento Periódico y Ondas

Movimiento Periódico

Es aquel en el que el sistema repite sus condiciones de movimiento al cabo de cierto intervalo de tiempo.

• Periodo (T): Es el tiempo necesario para que un sistema complete un ciclo o una oscilación.
• Frecuencia (f): Número de ciclos por unidad de tiempo, medido en Hertz (Hz). $f = \frac{\text{Número de ciclos}}{\text{Tiempo}}$

Movimiento Armónico Simple (MAS)

Ocurre cuando el sistema es separado de su posición central o de equilibrio y experimenta una fuerza de restitución proporcional al desplazamiento con respecto a esa posición, sin presentar agentes que disipen energía por fricción u otra causa.

• Fuerza de Restitución: $F = -KX$

Movimiento Oscilatorio

Es un movimiento periódico en el cual el sistema o cuerpo repite su trayectoria.

Amplitud de Movimiento

Es la distancia entre la posición de equilibrio y la posición extrema ocupada por un cuerpo que oscila.

Ondas

Es la propagación de una perturbación en el espacio sin que exista transferencia de materia.

Tipos de Ondas según el Medio

• Ondas Mecánicas: Son aquellas que necesitan un medio material para propagarse.
• Ondas Electromagnéticas: No necesitan medio de propagación.

Tipos de Ondas según la Dirección de Oscilación

• Ondas Transversales: Se mueven en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la perturbación.
• Ondas Longitudinales: Oscilan en la misma dirección en que se propaga la perturbación.

Fenómenos Ondulatorios

Reflexión

Proceso en el cual las ondas que se encuentran en la frontera o superficie de separación entre dos medios de propiedades diferentes 'rebotan' para seguir en el primer medio.

Refracción

Proceso en el cual las ondas incidentes en la frontera entre dos medios de propiedades diferentes pasan de un medio a otro.

Difracción

Es la capacidad de las ondas para deflectarse o desviarse alrededor de los obstáculos que se encuentran en su trayectoria, de modo que exista una perturbación.

Interferencia

Es un caso de superposición de ondas.

• Interferencia Constructiva: Ocurre cuando crestas y valles son coincidentes (cresta con cresta).
• Interferencia Destructiva: Ocurre cuando coinciden una cresta y un valle.

Ondas Estacionarias

En una cuerda vibrante, son dos ondas de iguales características de frecuencia y longitud de onda que se propagan en un medio en sentido contrario, donde los puntos que tienen un desplazamiento igual a cero se denominan nodos.

Resonancia

Se produce cuando al aplicarse a un sistema una serie de impulsos periódicos de una frecuencia igual a la frecuencia propia del sistema (llamada frecuencia de resonancia), el sistema oscila con una amplitud mayor.