Interacciones Fundamentales en Física: Una Guía Completa

Interacciones Fundamentales en Física

Objetos Físicos

Todo aquello que puedes tocar y que ocupa un lugar en el espacio.

Sistemas Físicos

Un sistema físico es un agregado de objetos o entidades materiales entre cuyas partes existe una vinculación o interacción de tipo causal. Todos los sistemas físicos se caracterizan por:

  1. Tener una ubicación en el espacio-tiempo.
  2. Tener un estado físico definido sujeto a evolución temporal.
  3. Poderle asociar una magnitud física llamada energía.

Para la inmensa mayoría de sistemas físicos, el objeto más básico que define a un sistema físico es el lagrangiano, que es una función escalar cuya forma funcional resume las interrelaciones básicas de las magnitudes relevantes para definir el estado físico del sistema.

Interacciones

En física, las interacciones fundamentales son cada uno de los cuatro tipos básicos de interacción conocida entre partículas elementales.

Clasificación de las Interacciones

Una interacción es la acción mutua que suele ocurrir entre dos o más sistemas o cuerpos, la cual no depende del contacto físico entre ellos pero sí de la distancia que los separa. Las interacciones se clasifican en:

  • Gravitatorias: como es el caso de la acción mutua entre los planetas, la cual es causante del peso de los objetos.
  • Nucleares:
  • Electromagnéticas: como en el ejemplo de la brújula, cuya aguja siempre apuntará al norte, dado que la Tierra es un gran imán.

En nuestra realidad circundante existen interacciones que nos permiten observar cómo los cuerpos o sistemas se mueven, se detienen o se mantienen quietos, se juntan o se separan, se atraen o se repelen.

Interacción Gravitacional

La interacción gravitacional es la interacción consecuencia del campo gravitatorio, esto es, de la deformación del espacio por la existencia de materia.

Comparación entre las Interacciones Eléctricas y Gravitacionales

Las interacciones eléctricas son aquellas debidas a las cargas, es decir, a la carga eléctrica de los cuerpos, y las gravitacionales, las interacciones debidas a la masa de los cuerpos. Por ejemplo, para que quede más claro, una partícula como un electrón, es una partícula que tiene tanto carga eléctrica como masa (ambas son propiedades de la naturaleza de los cuerpos). Por tener carga puede experimentar interacción eléctrica si se coloca junto con otra partícula con carga (como un protón; en este caso se atraen, y esa es la interacción eléctrica) y por tener masa experimenta interacción gravitacional (por ejemplo, con la Tierra, el electrón es atraído por la Tierra al interactuar su masa con la de la Tierra; como esta es mucho mayor, lo atrae).

Ley de Coulomb

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Ley de Atracción Universal

Todo objeto en el universo que posea masa ejerce una atracción gravitatoria sobre cualquier otro objeto con masa, independientemente de la distancia que los separe. Según explica esta ley, mientras más masa posean los objetos, mayor será la fuerza de atracción, y paralelamente, mientras más cerca se encuentren entre sí, también será mayor esa fuerza.

Semejanza entre la Ley de Coulomb y la Ley de la Atracción Universal

La ley de Coulomb usa el principio de la gravitacional, solo que la de Coulomb es aplicable a las cargas del electrón, y la gravitacional a los planetas.

El Átomo y sus Partículas

El Átomo

Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

Partes del Átomo

Protón, electrón y neutrón. En base a estas y sus divisiones atómicas nacen los quarks, partículas subatómicas.

Partículas Subatómicas

Las partículas subatómicas son las entidades más pequeñas dentro de los sistemas, y cuando son expulsadas de ellos tienen poca capacidad de movimiento y son absorbidas o rechazadas rápidamente por los sistemas vecinos.

Carga Eléctrica del Átomo

Un átomo eléctricamente neutro tiene el mismo número de protones que de electrones. Todo cuerpo material contiene gran número de átomos y su carga global es nula salvo si ha perdido o captado electrones, en cuyo caso posee carga neta positiva o negativa, respectivamente. Sin embargo, un cuerpo, aunque eléctricamente neutro, puede tener cargas eléctricas positivas en ciertas zonas y cargas negativas en otras.

Electrización de los Cuerpos

a) Electrización por contacto: Se puede cargar un cuerpo con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva.

b) Electrización por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

c) Electrización por inducción: Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y, por lo tanto, lo atrae.

Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas (pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética.

Conservación de la Carga Eléctrica

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.

Electroscopio y Electrómetro

Electroscopio

El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.

Electrómetro

Se denomina electrómetro a un electroscopio dotado de una escala. Los electrómetros, al igual que los electroscopios, han caído en desuso debido al desarrollo de instrumentos electrónicos de precisión. Uno de los modelos de electrómetro consiste en una caja metálica en la cual se introduce, debidamente aislada por un tapón aislante, una varilla que soporta una lámina de oro muy fina o una aguja de aluminio, apoyada en este caso de tal manera que pueda girar libremente sobre una escala graduada.

¿Qué diferencia existe entre un electroscopio y un electrómetro? Las mismas palabras lo dicen, porque ambas provienen del griego. Electro significa relativo al ámbar (en este caso significa relativo a la electricidad). Escopio significa mirar, observar, y metro significa medida. El electroscopio acusa la presencia de electricidad sin decir nada de cuánta, y el electrómetro facilita una cantidad.

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