Ley de Lorentz

Ley de Lorentz: Lorentz determinó que la fuerza magnética , que actúa sobre una partícula, es directamente proporcional a su carga, qr, y al producto vectorial de la velocidad de la partícula, v, por el campo magnético externo, : A esta ley se le denomina ley de Lorentz. Analizando la expresión matemática, se observa que si la velocidad es cero, la fuerza magnética también lo es. Y que si la velocidad y el campo magnético son dos vectores paralelos (formando 0° o 180°) también resulta una fuerza nula. Por otra parte, según la ley de Lorentz, la fuerza magnética es siempre perpendicular a la velocidad y al campo magnético; su módulo es: siendo 0 el ángulo que forman la velocidad y el campo magnético. El módulo de la fuerza es máximo cuando la velocidad y el campo son perpendiculares (Ø=90°). El sentido del producto vectorial se determina mediante la regla del producto vectorial.

Partícula en Movimiento Circular Uniforme

Consideramos una partícula cargada que se mueve en un campo magnético uniforme y estacionario, B, con una velocidad, v, perpendicular al campo. Debido a que la fuerza magnética, Fm, es perpendicular a B y a V, la partícula girará en el plano perpendicular al campo y manteniendo constante el módulo de su velocidad. Por tanto, la fuerza magnética actúa sobre la partícula como una fuerza centrípeta, obligando a esta a describir un movimiento circular uniforme, m.c.u. . Para determinar el radio de esta circunferencia, basta con imponer la condición de que la fuerza magnética actúa como fuerza centrípeta:

Se obtiene que el radio de la circunferencia es directamente proporcional al momento lineal de la partícula, p = m * v, e inversamente proporcional a los valores de la carga y el campo magnético. Dependiendo del signo de la carga, la tendrá un sentido u otro, haciendo por tanto, que las circunferencias se tracen en sentido horario o antihorario. Se puede demostrar que la frecuencia del m.c.u. de la partícula es independiente de la velocidad a la que se mueve. El periodo del movimiento, o tiempo que tarda en describir una vuelta completa, se puede determinar conociendo la velocidad v de la partícula y la longitud de la circunferencia de radio R.

Fuerzas Magnéticas sobre un Elemento Infinitesimal de Corriente

Fuerzas magnéticas sobre un elemento infinitesimal de corriente: Puesto que una corriente eléctrica está constituida por electrones que se desplazan en el interior de un circuito eléctrico, de acuerdo con lo que hemos estudiado se entiende que si sometemos un circuito eléctrico a un campo magnético externo, el campo interacciona con estos electrones. Y al estar estos electrones ligados al hilo conductor, el campo magnético ejerce una fuerza sobre dicho hilo. Esta fuerza depende de la geometría del circuito, ya que los electrones, al recorrerlo, van tomando distintas direcciones, y la fuerza magnética depende de estas direcciones. Supongamos un trozo de hilo del circuito tan pequeño que podamos considerarlo rectilíneo y que al campo magnético exterior tenga un valor constante en toda su longitud elemental. Una longitud de este tipo se denomina infinitesimal, y la representaremos por dl. Es esta la longitud infinitesimal de conductor habrá una carga eléctrica también infinitesimal, dq, que tardará un tiempo infinitesimal, dt, en recorrerla. La intensidad de corriente se define como la carga infinitesimal que pasa por una sección transversal de un hilo conductor por unidad de tiempo infinitesimal: I = dq / dt

El sentido de la intensidad de corriente se establece, por convenio, el contrario al que realmente siguen los electrones. Si se tiene en cuenta que el módulo de la velocidad de los electrones que atraviesan la longitud elemental es: V = dl / dt. Podemos escribir la fuerza magnética infinitesimal, dFm, que actúa sobre este hilo de corriente infinitesimal, representando por dl.

Esta expresión se conoce como primera ley de Laplace la dirección del vector di es la del hilo infinitesimal y su sentido se define en el mismo sentido de la intensidad de corriente, i. Por último, su módulo es igual a la longitud infinitesimal del hilo. Para pasar de la ley de Lorentz a la primera ley de Laplace, en definitiva, se ha utilizado la relación: dq * v = i * di que volveremos a utilizar más adelante. Sumando de manera continua esta fuerza magnética infinitesimal para todas las longitudes infinitesimales que constituyen un circuito completo, se puede determinar la fuerza total que actúa sobre dicho circuito.

Campo Magnético Creado por un Hilo de Corriente Muy Largo

Campo magnético creado por un hilo de corriente muy largo: El módulo del campo magnético a una distancia a del hilo por el que circula una intensidad i es: Las líneas de fuerza del campo magnético forman circunferencias concéntricas centradas en el hilo, y cuyo sentido es el que se determina con la regla de la mano derecha, haciendo coincidir el pulgar con la intensidad de corriente.

Experiencia de Oersted

La experiencia de Oersted: Si por el conductor no pasaba corriente, la brújula, como es habitual, apuntaba hacia el norte. Pero cuando circulaba corriente, la orientación de la brújula era distinta, situándose perpendicularmente al conductor. La corriente eléctrica se comporta como un imán; es decir, produce un campo magnético. Todos los experimentos ponían de manifiesto que las corrientes eléctricas, cargas en movimiento, producen campos magnéticos y son afectadas por campos magnéticos. Luego: el campo magnético es creado por cargas eléctricas en movimiento y solo actúa sobre las cargas que están en movimiento. Dejaron claro que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de un mismo fenómeno: el electromagnetismo. L.C. Maxwell culminó este estudio con sus famosas ecuaciones, que son la síntesis de la teoría electromagnética.

Flujo de Campo Magnético

Flujo de campo magnético: Definición de tesla La unidad del campo magnético SI es el weber (Wb). Un tea, T, es el valor que debe tener un campo magnético uniforme y estacionario para que su flujo a través de su espira plana de un metro cuadrado perpendicular al campo sea igual a 1 Wb

1 Wb = 1 T . 1m^2

Ley de Lenz

Ley de Lenz: Mediante la utilización de fuerzas magnéticas y eléctricas sobre electrones, se puede justificar la aparición de una f. e.m. en una barra metálica. Faraday se dio cuenta de que no siempre se puede utilizar este razonamiento para explicar la aparición de una f.e.m. en un circuito. Faraday, por un lado, y henry, por otro, observaron que en todo fenómeno de inducción siempre se produce una variación del flujo magnético a través de la superficie que delimita la espira conductora, encontraron que: La f.e.m. es igual y de sentido contrario a la variación de flujo magnético por unidad de tiempo en la superficie definida por la espira.

Esta es la ley de inducción de Faraday-Henry, y matemáticamente se expresa como: El signo menos de esta ley se debe a la ley de Lenz y nos indica el sentido en el que se genera la f.e.m. inducida. La f.e.m. inducida supone a la causa que la produce; es decir, la variación de flujo magnético. Por ejemplo: si en la figura inferior derecha se está acercando el imán con su polo norte a la espiral, se está produciendo un aumento de flujo magnético hacia arriba. Luego, en la espira, aparece una corriente eléctrica en sentido horario (visto desde arriba), cuyo campo magnético es hacia abajo para ponerse a dicha variación. Analógicamente ocurriría si se aleja el imán de la espira, pero en este caso se generaría la corriente en sentido contrario. Variación del flujo magnético y corriente inducida: El flujo magnético a través de una espira plana, colocada en un campo magnético constante, es y, por tanto, varía cuando lo hace alguno de estos factores: el valor del campo magnético, B; la superficie, S, de la espira, o el ángulo, Ø, entre los vectores, campo y superficie. Aunque estas magnitudes pueden variar a la vez, veamos cada caso por separado. Flujo a través de un solenoide: el flujo a través de una bobina recta o solenoides, es igual a una suma de los flujos de cada uno de las espiras de Ford que la forman; luego, su valor es , donde N es el número de espiras de solenoides; S, la superficie de una de ellas; B, el valor de campo magnético que atraviesa, y alfa, el ángulo que forma el eje de solenoide con el campo magnético, puede el eje de solenoide coincide con la dirección de vector superficie de cada espira. Variación de la superficie: si el valor del campo magnético, B, y su dirección respecto a la superficie del espira del inducido permanecen constantes, pero el tamaño de la dicha superficie cambia con el tiempo, la ley de Faraday y Lens se expresa como: Esta es la situación que se da en la experiencia de Henry, donde la espira, formada por el conductor en U y la varilla conductora MN, está situada en un campo magnético uniforme de valor B, dirigido perpendicularmente a su plano. Al deslizar el conductor MN, cambia la superficie del espira así formada, lo que origina una corriente inducida en ella cuyo sentido depende de hacia qué lado se mueva el conductor. La superficie de la aspira es:

Generador de Corrientes Alternas

Generador de corrientes alternas: En los generadores eléctricos por inducción, ocurre el proceso inverso al de los motores eléctricos: la energía mecánica hace girar la parte móvil del generador y se transforma, por inducción electromagnética, en energía eléctrica que provoca la circulación de corriente. Un generador eléctrico consta de dos partes: una fija, el extractor, y una móvil, el doctor. Un agente exterior provoca el giro del rotor. Origina una variación de flujo magnético que atraviesa las espiras del y produce una f.e.m. inducida. El generador se denomina alternador. Si produce corriente alterna. Alternador o generador de corriente alterna: si el inducido de un generador está formado por una sola espira, que gira con velocidad angular constante en un campo magnético uniforme, la f.e.m. Inducida es Las figuras representan la posición de la espira cada cuarto de vuelta, suponiendo que el vector superficie tiene la misma dirección y sentido que el campo magnético en la 1ª posición. sen 0=0 sen90=1 sen180=o sen279=-1 sen0=0. Al estar cada terminal siempre en contacto con el mismo anillo colector durante media vuelta a la corriente circula en un sentido y durante la otra media en el sentido contrario. Obtenemos, así, una corriente alterna, cuyo periodo y frecuencia coincide con los del giro de la espira. El valor de la corriente inducida depende de la resistencia externa, pero su signo coincide con el de e. La F. E. M. Inducida varía sinusoidalmente como el tiempo de los alternadores.

Efecto Fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico: Llamamos efecto fotoeléctrico o foto emisión electrónica al proceso, por el cual la superficie pulida y limpia de un metal, expulsa electrones, si recibe luz de la frecuencia adecuada. 1. Existe una frecuencia umbral FS0 característica de cada metal por debajo de la cual la luz no extrae electrones. 2. La velocidad máxima con la que salen despedidos los electrones depende de la frecuencia de la luz. Para escapar los electrones deben recibir una energía que los líderes de su ligadura a la red cristalina, el valor mínimo de esa energía característica de cada metal es la función trabajo o trabajo de extracción los electrones que escapa entre denominan fotoelectrones. Cuando el metal absorbe luz de frecuencia, F, cada electrón captura un mínimo cuánto de energía, E=h*f

Para determinar experimentalmente, energía cinética máxima se aplica a los foto electrones, una diferencia de potencial desfavorable que nos frena llamada potencial de frenado. Este concluyó que en ciertos casos la luz con portada, como si estuviese formada por partículas a la que llamó cuantos de luz de energía: Dualidad onda-corpúsculo: la luz tiene una doble naturaleza complementaria ondulatoria corpuscular según el tipo de fenómeno estudiado se manifiesta una u otra cuando interacción con la materia o sea si se absorbe o emite se comporta como una partícula sin masa. Energía pura a la que llamamos foto como onda las propiedades esenciales de la luz son las frecuencia y la longitud de onda, mientras que el momento ideal caracteriza al fotón ambas naturalezas se vinculan entre sí mediante la constante de Planck: Si la frecuencia de la luz es alta su longitud de onda es muy corta y detectar la naturaleza ondulatoria como sucede con los rayos X y gamma resulta complicado. Por el contrario, cuando la longitud de onda es grande la naturaleza corpuscular es inapreciable

Física cuántica: Radiactividad es el fenómeno físico, según el cual ciertas sustancias llamadas radiactivas emiten espontáneamente radiaciones invisibles muy energéticas y penetrantes. Los elementos radiactivos, la mayoría de los elementos químicos, unos isótopos son estables, y otros, radiactivos. Pero los elementos químicos mostrados en la tabla carecen de isópodo estables, todos los radiactivos; observan que tienen números atómicos muy alto, excepto dos, muchos de ellos son artificiales, preparados en laboratorios de investigación nuclear. Los elementos estato y Francio son naturales, pero radiactivos que no es posible aislarlos, y deben prepararse sintéticamente. Tipo de emisiones radiactivas: Las emisiones del uranio son complejas. Contienen tres tipos diferentes de radiación que se llaman rayos alfa, beta y gamma. Los rayos alfa y beta son partículas materiales y tienen carga eléctrica de signos opuestos, como se comprueba la presencia de un campo eléctrico o magnético externo. Los rayos gamma no tienen carga ni masa, por lo que son fotones de gran energía, no se desvían con los campos eléctricos y magnéticos. La capacidad de ionizar el aire y atravesar la materia es muy diferente para cada tipo de redacción. Características de los rayos alfa beta y gamma. Rayos alfa: núcleos de helio, ionizan fuertemente el aire. Poco poder de penetración. rayos beta: electrones muy veloces. Son más penetrantes que los rayos alfa, pero su capacidad de ionización es mucho menor. Rayos gamma: fotones de alta energía, superiores a la de los rayos X. Muy penetrantes. 

El descubrimiento del núcleo atómico: los átomos son estructuras complejas con un pequeño núcleo positivo, donde se acumula casi toda su masa, y una gran corteza electrónica que contiene muy poca materia. número atómico y número másico: número atómico: es el número de protones. Número de neutrones: indica el número de neutrones. Número másico: número de nucleón: A=Z+N.  El número atómico ordena los elementos en el sistema periódico, empezando por el hidrógeno. La identidad química de los elementos reside en su núcleo. Todos los átomos de un mismo elemento químico tienen igual el número atómico. Isótopos y nucleicos: se llaman isótopos a átomos diferentes de un mismo elemento químico; tiene igual número atómico, pero diferente número másico .  Los isótopos solo se diferencian entre sí por el número de neutrones; por eso, los isótopos de un mismo elemento son químicamente iguales. La diferencia entre ellos está en la propiedad física, como la masa, y sobre todo, en su comportamiento nuclear. La mayoría de los elementos tienen isótopos estables y radiactivos, aunque a partir de bismuto , solo tienen isótopos radiactivos. Los tres isótopos de hidrógeno tienen nombres propios: propio, deuterio y tritio . En física nuclear, se utiliza el término nucleico, a veces, llamado núcleo, para referirse a cada especie nuclear: se denomina núcleo a cada átomo, definido por el número atómico y el número másico de su núcleo. Leyes de los desplazamientos radiactivos: trasmutación: cuando los átomos de un elemento emiten rayos alfa beta, se transmuta en átomos de un elemento químico, diferente. Soddy enunció las leyes de los desplazamientos radiactivos. El químico K. Fajan llegó simultáneamente a resultados similares a la primera ley de Soddy y Fajans: cuando un átomo emite un rayo alfa el elemento pierde dos puestos en el sistema periódico. El proceso se representa con una ecuación nuclear.

Velocidad de desintegración radiactiva: no es posible predecir en qué momento un núcleo radiactivo experimentará su desintegración. El proceso se estudia de forma global. Analizando cómo evoluciona una muestra con gran cantidad de núcleos idénticos, N. El número de núcleos radiactivos presentes en ella disminuye progresivamente con el tiempo a un ritmo, que recibe el nombre de velocidad de desintegración. La ley de la desintegración radiactiva: la velocidad de desintegración de una muestra radiactiva es directamente proporcional en cada instante al número de núcleos presentes en ella: dónde  λ, cuya unidad en el SI es es esta constante radiactiva, característica de cada nucleido. Para eliminar la derivada temporal de v, se integra la ecuación:

El número de núcleos radiactivos presentes en una muestra de cae exponencialmente con el tiempo: La semivida, tiempo o periodo de semidesintegración: el periodo de la semidesintegración de un nucleido radiactivo. También se puede describir la desintegración radiactiva por medio de otra constante otra constante estadística, la vida media: la vida media de un núcleo radiactivo es el tiempo que transcurre por término medio antes de que se produzca su desintegración. La vida media, es el inverso de la constante radiactiva.