Ondas

• Una onda es una perturbación que se propaga en el espacio. Transporta energía y cantidad de movimiento sin que haya un desplazamiento de la materia.
• Explica la diferencia entre ondas longitudinales y ondas transversales. Propón un ejemplo de cada una de ellas.

Clasificación de las Ondas

Las ondas transversales y longitudinales se clasifican atendiendo a su dirección de propagación.

Las ondas longitudinales son aquellas en las que la dirección de propagación coincide con la dirección de vibración. Son ondas longitudinales las del sonido o las que se propagan en un muelle cuando vibra longitudinalmente.

Las ondas transversales son aquellas en las que la dirección de propagación es perpendicular a la dirección en que tiene lugar la vibración. Son ondas transversales las ondas electromagnéticas y las ondas sísmicas s.

Analogías y Diferencias entre el Campo Eléctrico y Gravitatorio

Analogías

El campo gravitatorio creado por una masa puntual y el campo eléctrico creado por una carga puntual son campos centrales. Sus líneas de campo son abiertas y tienen simetría radial.

Son campos conservativos por lo que tienen una energía potencial y un potencial asociados ya que son fuerzas centrales.

La intensidad del campo es directamente proporcional a la masa o a la carga que lo crea o inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Diferencias

Las fuerzas eléctricas pueden ser atractivas (con cargas de signos distintos) o repulsivas (con cargas del mismo signo). Sin embargo, las fuerzas gravitatorias siempre son atractivas. Las líneas de campo nacen en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas. Sin embargo, las líneas de campo gravitatorio siempre terminan en las masas. La constante K no es universal y depende del medio, por otro lado, G, constante de la gravitación sí es universal y tiene el mismo valor en cualquier punto del medio.

A nivel microscópico, las fuerzas eléctricas son mucho mayores que las fuerzas gravitatorias.

A nivel macroscópico las fuerzas eléctricas normalmente se anulan ya que los cuerpos no suelen estar cargados. Entonces como consecuencia, las fuerzas gravitatorias son más importantes que las fuerzas eléctricas.

Representación del Campo Eléctrico

Hay dos formas de representar el campo eléctrico:

1. Mediante las líneas de campo (o de fuerzas), que son tangentes al vector intensidad del campo eléctrico en cada punto y tienen el mismo sentido. La densidad de las líneas de campo es proporcional al módulo del vector intensidad del campo eléctrico. Por último, nacen en las cargas positivas o en el infinito (fuentes o manantiales de las líneas de campo) y mueren en las cargas negativas (sumideros de las líneas de campo).
2. Mediante las superficies equipotenciales. Son superficies que unen todos los puntos que tienen el mismo potencial eléctrico. Algunas características de estas superficies: son perpendiculares a las líneas de campo. En una superficie equipotencial el trabajo que realiza el campo es 0

W_{campo a-b} = q(V_a – V_b) = 0.

V_a = V_b porque están en la misma superficie equipotencial. En el caso de una carga puntual aislada, las superficies equipotenciales son esferas concéntricas (con centro en la carga).

Interacción Gravitatoria: Ley de Gravitación Universal

Newton, a partir de sus múltiples observaciones y de las leyes de Kepler, enunció una ley aplicable a las fuerzas atractivas entre dos masas cualesquiera, y que se llama Ley de Newton o Ley de la Gravitación Universal:

“Dos masas cualesquiera se atraen entre sí, con una fuerza que es directamente proporcional al producto de ambas masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros.”

Leyes de Kepler

1. Los planetas giran alrededor del Sol de forma elíptica con el Sol situado en uno de sus focos.
   • Al ser la fuerza gravitatoria una fuerza central, se conserva el momento angular, lo que implica que la trayectoria es plana.
   • El hecho de que la fuerza sea central también implica que la trayectoria cerrada.
2. La recta que une un planeta con el sol barre áreas iguales en tiempos iguales. Esto implica que la velocidad no es constante, y la velocidad es mayor cuanto más cerca esté el planeta.
3. El cuadrado del periodo del movimiento de un planeta es directamente proporcional al cubo de la distancia media del planeta al Sol.

Ley de Coulomb

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Esta ley solo es válida para cargas puntuales que estén en reposo.

Campo Eléctrico

Llamamos campo eléctrico a la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener carga eléctrica.

Si la carga está en reposo, hablamos de campo electrostático.

Dos campos eléctricos se describen mediante dos magnitudes, una vectorial, la intensidad de campo eléctrico (o simplemente campo eléctrico) y otra escalar, potencial eléctrico.

Principio de Huygens

Cada punto de un frente de ondas se comporta como un foco emisor de ondas elementales secundarias, de igual velocidad y frecuencia que la onda inicial, cuya superficie envolvente constituye un nuevo frente de onda.

Difracción, Refracción y Reflexión

Difracción

La difracción es la desviación en la propagación rectilínea de las ondas cuando se encuentran a su paso una abertura o un obstáculo de dimensiones del orden de la longitud de onda. También cuando encuentran una esquina y parece que la rodean.

Reflexión

La reflexión es el fenómeno por el cual, al llegar una onda a la superficie de separación de dos medios, es devuelta al primero de ellos junto con una parte de la energía del movimiento ondulatorio, cambiando su dirección de propagación.

Leyes de Reflexión

Primera Ley

El rayo incidente, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo reflejado están en el mismo plano.

Segunda Ley

El ángulo de incidencia, i, y el ángulo de reflexión, i’, son iguales.

Refracción

La refracción es el fenómeno por el cual, al llegar una onda a la superficie de separación de dos medios, penetra y se transmite en el segundo de ellos junto con una parte de la energía del movimiento ondulatorio, cambiando su dirección de propagación.

Leyes de Refracción

Primera Ley

El rayo incidente, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo refractado están en el mismo plano.

Segunda Ley – Ley de Snell

Interferencia de las Ondas

La interferencia es una propiedad exclusiva de las ondas.

Es la superposición de 2 ó más movimientos ondulatorios en un punto del medio.

Se rige por el principio de superposición:

Principio de Superposición

Un punto de un medio que es alcanzado simultáneamente por 2 ondas, experimenta una vibración que es la suma de las vibraciones que experimentaría si fuera alcanzado por cada una de las ondas por separado.

Después de la interferencia, las ondas continúan propagándose sin sufrir ninguna modificación, como si nada hubiera pasado.

Ej.: cuando hablan más de 2 personas, las entendemos a todas.

La interferencia se puede dividir en dos, constructiva y destructiva.

Cuando se produce una interferencia constructiva, la amplitud resultante es mayor que la de las ondas concurrentes.

Cuando se produce una interferencia destructiva, la amplitud resultante es menor que la de las ondas concurrentes.

Representación del Campo Gravitatorio

El campo gravitatorio se puede representar de dos maneras:

1. Mediante líneas de campo (o de fuerza):
   • Son tangentes al vector g en cada punto y tienen el mismo sentido que g
   • La densidad de líneas de campo (líneas de campo por unidad de superficie) es proporcional al |g|.
2. Superficies equipotenciales:
   • Superficies que unen a todos los puntos con el mismo V (potencial gravitatorio)
   • Son perpendiculares a las líneas de campo
   • El W_a-b = 0 si A y B están en la misma superficie equipotencial W_a-b = m(V_a – V_b) = 0 puesto que V_a = V_b
   • Para una masa puntual aislada, las superficies equipotenciales son superficies esféricas con centro en la masa.

Propiedades de la Carga Eléctrica

La carga eléctrica se conserva, es decir, el número de cargas negativas ganadas por un cuerpo es igual al número de cargas negativas cedidas por otro. En todo proceso, la carga eléctrica total permanece constante. Está cuantizada, cualquier carga eléctrica es múltiplo entero de una unidad elemental de carga, que es igual a la carga del electrón.

Inducción Electromagnética

La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos. Para que este fenómeno físico se presente es necesario que la cantidad de campo magnético que atraviesa un circuito eléctrico varíe con el tiempo. Esta magnitud, de cuyo cambio con el tiempo depende la inducción electromagnética, se denomina flujo magnético y representa el número de líneas de fuerza del campo B que atraviesan la superficie definida por el circuito. La inducción electromagnética constituye una pieza destacada en ese sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo, que se conoce como electromagnetismo. Se han construido un sin número de aplicaciones prácticas basadas en este fenómeno: el transformador, la dinamo de una bicicleta, el alternador de una central hidroeléctrica….

Ley de Faraday

Cuando se introduce un imán en una espira aparece en ésta una corriente inducida. También aparece cuando se saca el imán.

El imán crea un campo magnético, cuyas líneas de campo atraviesan la superficie que encierra la espira, creando un flujo magnético.

La corriente inducida aparece sólo cuando el flujo varía. Si el flujo se mantiene constante no aparece ninguna corriente. Por eso, cuando acercamos o alejamos un imán a una espira aparece una corriente inducida, pero si mantenemos el imán quieto ésta no aparece.

La aparición de una corriente implica la presencia de una fuerza electromotriz (f.e.m).

Ley de Lenz

La Ley de Lenz indica el sentido de la corriente inducida en una espira:

Si acercamos un imán a una espira cada vez hay más flujo. Por ello aparece una corriente inducida en la espira cuyo sentido crea un campo magnético tal que contrarresta el aumento de flujo.

Si alejamos el imán cada vez hay menos flujo. Por ello aparece una corriente inducida que crea un campo tal que contrarresta la disminución de flujo.

Experiencia de Oersted

Este físico danés observó que una corriente eléctrica ejercía una fuerza sobre una aguja imantada próxima. Si por el conductor no pasa corriente, la brújula se orienta hacia el polo norte; pero cuando pasa corriente la brújula tiende a colocarse perpendicular a la corriente. De este experimento se deduce que una corriente eléctrica produce el mismo efecto que un imán natural.