Leyes Fundamentales de la Electricidad, Magnetismo y Óptica: Coulomb, Lorentz, Laplace y Más

Leyes Fundamentales de la Electricidad y el Magnetismo

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb rige las interacciones entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo separadas por una distancia (R). La fuerza de interacción entre ellas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. El principio de superposición establece que varias fuerzas eléctricas pueden ser aditivas.

Ley de Lorentz

El campo magnético es originado por corrientes. En una región del espacio donde existe un campo magnético, si consideramos una carga puntual en distintos puntos del espacio, observamos lo siguiente:

• Si la carga está en reposo, no se ejercen fuerzas sobre ella.
• Si se mueve en la misma dirección que el campo magnético, tampoco se ejercen fuerzas.
• Si se mueve con una velocidad (v), actúa una fuerza con las siguientes características:
  • Es proporcional a la carga.
  • Si cambiamos el signo de la carga, la fuerza cambia de sentido.
  • Es perpendicular a la dirección de la velocidad (v).
  • Su módulo depende de la dirección de la velocidad (v).

Ley de Laplace

La fuerza que ejerce un campo magnético sobre un conductor rectilíneo depende de la intensidad de la corriente, de la longitud del conductor contenida en el campo y del ángulo que forma el conductor con el campo magnético.

Ley de Lenz-Faraday

La fuerza electromotriz inducida (FEM) es igual a la variación del flujo magnético con respecto al tiempo. La FEM es directamente proporcional a la variación del flujo magnético con respecto al tiempo. Lenz estableció que la intensidad de corriente inducida en un conductor es tal que origina un efecto opuesto a la causa que la está determinando. El sentido de la corriente es tal que tiende a oponerse a la causa que lo origina.

Modelos de la Naturaleza de la Luz

Modelo Corpuscular

Newton (1704) consideró que la luz está formada por diminutas partículas materiales, corpúsculos, que se mueven a gran velocidad en línea recta. La dirección de estos corpúsculos son los rayos luminosos. Según este modelo, la luz se mueve en línea recta porque los corpúsculos se mueven a gran velocidad. Los colores se forman debido a las diferentes masas de los corpúsculos.

Modelo Ondulatorio

Huygens (1690) propuso que la luz se propaga por ondas mecánicas y que necesita un medio de gran elasticidad y poco rígido, al que llamó "éter". Su teoría ondulatoria afirmaba que la luz se propaga más rápido en medios más densos. Young (1801) y Fresnel (1815) demostraron la naturaleza ondulatoria de la luz. Foucault (1850) demostró que la luz viaja más rápido en el aire que en el agua. Maxwell (1865) demostró que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío sin necesidad de un soporte material y que su velocidad es de aproximadamente 300,000 km/s.

Dualidad Onda-Partícula y Conceptos Relacionados

En 1900, Leonard observó que cuando la luz de frecuencia adecuada incide sobre algunas superficies metálicas, se expulsan electrones, fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. En 1905, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico suponiendo que la energía de las ondas luminosas se concentra en pequeños paquetes llamados fotones.

Ángulo Límite

El ángulo límite es el ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción de 90 grados, haciendo que el rayo refractado emerja paralelo a la superficie.