Física: Ondas, Difracción, Electromagnetismo - Resumen

TIPOS DE ONDAS
Según su dirección:
- Ondas transversales: Partículas se trasladan lo hacen de forma perpendicular a la
dirección de la oscilación.
- Ondas longitudinales: Partículas se trasladan de forma paralela a la dirección de la
oscilación.
¿Necesitan un medio material?:
- Sí - Ondas mecánicas(sonido)
- No - Ondas no mecánicas(luz)
Según la magnitud a la que van asociadas:
- Si la magnitud tene dirección y sentido----Vectorial
- Si la magnitud no tiene dirección y sentido----Escalar
Según su forma de propagación:
- Ondas unidimensionales: Se transportan en una línea
- Ondas bidimensionales: Se traslada en un plano
- Ondas tridimensionales: Se transportan en tres direcciones
Ondas acústica: Longitudinal, Mecánica, Escalar y Tridimensional
Ondas electromagnéticas: Transversal, No Mecánica, Vectorial, Tridimensional
DIFRACCIÓN
La difracción es un fenómeno observable cuando una onda atraviesa una
objeto cuyo tamaño es menor o igual al de su longitud de onda.
Existen 2 casos de difracción: El primero, en
el que la onda parte de una
fuente distante y de observa a un distancia
considerable, en cuyo caso se
podría hablar de la difracción de Fraunhofer
(o de campo lejano), o cuando
estas separaciones son menores, en cuyo
caso se denomina difracción de
Fresnel (o de campo cercano).
SUPERPOSICIÓN DE ONDAS Y ONDAS ESTACIONARIAS
Al coincidir varias ondas se forma una
resultado de la superposición de las
demás.
Al superponerse se definen 2
velocidades:
• De fase, v=λ/T
• De grupo, v=∆λ/∆k
Onda estacionaria: Fenómeno de
interferencia que se produce cuando
se
superponen dos ondas de la misma
dirección, amplitud y frecuencia, pero
sentido contrario. En una onda
estacionaria los distintos puntos que
la conforman oscilan en torno a su
posición de equilibrio y a medida que
transcurre el tiempo pero el patrón de
la onda no se mueve.
POLARIZACIÓN
Consiste en el paso de una onda con diversos planos de oscilación a una onda con un único
plano de oscilación. Se da fundamentalmente en las ondas electromagnéticas (transversales).
La onda se hace pasar por una sustancia que normalmente es un isómero óptico.
Dependiendo del isómero la luz se desvía hacia la izquierda(L) o a la derecha(D). Esto
permite distinguir sustancias con distinta fórmula desarrollada.
EFECTO DOPPLER
Podemos definir el efecto Doppler como el cambio de frecuencia
de una onda (por ej. de sonido) recibida por una persona
observadora con respecto a la emitida por un foco o fuente
emisora, cuando existe un movimiento relativo entre ambos.
f' = frec. observada ;
f = frec. emitida;
v = veloc. ondas en el medio;
v0 = veloc. obs. respecto al medio (+: receptor hacia el emisor);
vs = veloc. fuente respecto al medio (+: fuente se aleja de receptor)
ENERGÍA, POTENCIA E INTENSIDAD DE UNA ONDA
La energía de una onda (E) Ei = (1/2) mi ω2 A2 mi = masa de la partícula, ω = frecuencia
angular (2 π f), A = amplitud. La energía de un fotón es E = h·f (h, constante de Planck) --en
la Ecuación de Planck-Einstein .
La potencia es la energía que transmite una onda por unidad de tiempo P=E/t (J/s)
La intensidad es la potencia ejercida por superficie, esta es menor conforme se aleja del foco
I=P/S=E/t.S (S, unidad de área).
CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS ACÚSTICAS
Las ondas acústicas se perciben con el oído o con sonómetros.
·Las ondas de presión son Mecánicas, Longitudinales y Escalares
Su velocidad se define por: V = ( E/d)1/2 → E=Módulo de Young, d=densidad
Por lo general la velocidad en Sólidos>Líquidos>Gases
Por lo general los buenos transmisores de electricidad y de calor son buenos transmisores
del sonido.
V (AIRE 20ºC) = 343 m/s
·Sonido
Intensidad, I = Potencia / Superficie (w/m2)
Decibelios, (dB) = 10 log(I / Io) Io = 10-12 w/m2 →Para acústicos
El tono es la cualidad que permite distinguir entre un sonido agudo o alto y otro grave o
bajo.
El timbre de un sonido es el atributo que permite diferenciar dos sonidos con igual
sonoridad, altura y duración.
Niveles de audición:Se define como el baremo de intensidades que podemos percibir.
CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS ACÚSTICAS ATENDIENDO A SU
FRECUENCIA
INFRASONIDOS: Vibraciones de presión cuya frecuencia es inferior a la que el oído
humano puede percibir; es decir
entre 0 y 20 Hz.
Fuentes artificiales→ Motores,sistemas de ventilación o sistemas de calefacción.
Fuentes naturales→ Las tormentas, terremotos, fuertes vientos, volcanes y las mareas.
ULTRASONIDOS: Ondas sonoras cuya frecuencia es superior al margen de audición
humano, es decir, 20 KHz
Aplicaciones: medicina (terapia, ecografía, etc.), oceanografía (medición de profundidades,
detección de icebergs, funcionamiento del sónar, etc.), industria y teledetección entre otros.
FUERZA ELÉCTRICA Y POTENCIAL ELÉCTRICO
Fuerza eléctrica: Viene dada por la ley de Coulomb que dice
que la fuerza eléctrica entre dos cargas es proporcional al
producto de las cargas e inversamente proporcional a la distancia
que las separa. Esta fuerza puede ser atractiva si las cargas son
de distinto signo o repulsiva si las cargas son de igual signo.
Potencial eléctrico: Que genera una carga en un área en la que
al colocar otra carga esta se ve afectada por una fuerza
de repulsión o atracción proporcional al potencial.
Una sustancia en la que la carga se puede desplazar libremente se llama conductor y una
sustancia en la que la carga se puede mover sólo ligeramente se llama aislante o dieléctrico.
Los metales son todos buenos conductores mientras que el vidrio, la goma, el corcho, etc son
todos buenos aislantes.
La energía potencial de una carga puntual q1 debida a otra carga puntual q2 viene dada por
U=k·(q1·q2/r) y definimos el potencial eléctrico como la energía potencial por unidad de
carga: V=U/q1= kq2/r, siendo su unidad J/C que se
Se denomina voltio, V. Por lo tanto la energía potencial U= q1V.
POTENCIAL DE MEMBRANA, ELECTROLITOS Y POTENCIAL DE ACCIÓN
El potencial de membrana es la diferencia de potencial(que va a producir el movimiento de
la carga) a ambos lados de una membrana que separa dos soluciones de diferente
concentración de iones, como la membrana celular que separa el interior y el exterior de una
célula.
ELECTROLITOS: Un electrolito es una sustancia que se disocia en iones libres cuando se
disuelve o funde, para producir un medio que conduce la electricidad. Los electrolitos están
presentes en la sangre como ácidos, bases y sales (como sodio, calcio, potasio, cloro,
magnesio, bicarbonato y fosfato) y se pueden medir mediante estudios de laboratorio en
suero. Los electrolitos tienen un papel crucial en el funcionamiento celular y en la actividad
eléctrica del corazón.
POTENCIAL DE ACCIÓN: Es el cambio del potencial de membrana por efecto de un
estímulo eléctrico, mecánico, químico o térmico, y tiene lugar en el punto de la membrana en
el que ha tenido lugar el estímulo.
Al valor del potencial de membrana al cual se genera el potencial de acción se llama umbral.
En los sistemas biológicos tiene un valor aproximado de (1/1000) voltios en algunos incluso
menos( del orden de micras).
El potencial de acción se debe a la sucesión de 2 etapas denominadas despolarización( a
menor potencial de acción) y repolarización( a mayor potencial de acción).
CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Las ondas electromagnéticas son: No Mecánica – Transversal – Vectorial
Su velocidad se define por: V = ( 1/εη)1/2
V (VACÍO) = 3 108 m/s
ESPECTRO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Es el conjunto de ondas electromagnéticas que se encuentran ordenados de acuerdo
a su frecuencia (f) y longitud de onda (λ) si bien todas las ondas electromagnéticas
son iguales por su naturaleza, los efectos que ocasionan no son siempre iguales,
razón por la cual a cada grupo de ondas electromagnéticas que dan lugar a efectos
similares se les ha asignado un nombre.
La luz es la radiación visible del espectro electromagnético que podemos captar con
nuestros ojos.
ÍNDICE ULTRAVIOLETA Y CAPA DE OZONO
La luz ultravioleta cuenta con un intervalo de longitudes de onda de 10 a 400 nanómetros. La
capa de ozono filtra la mayor parte de la radiación ultravioleta proveniente del Sol,
especialmente los rayos ultravioleta B, dejando pasar los rayos ultravioleta A, necesarios para
la vida en la Tierra. Este tipo de ondas causan cáncer de piel en exposiciones prolongadas y
tiene aplicaciones en el campo de la medicina.
Hay 3 tipos:
Rayos UVA (10 15 Hz) /// Rayos UVB (1016 Hz) /// Rayos UVC (1017 Hz )
RAYOS X Y RAYOS GAMMA
Rayos X: La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible,
capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de
onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000
PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Rayos gamma: La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida
generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un
par positrón-electrón. Este tipo de radiación se produce también en fenómenos astrofísicos de
gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación
ionizante capaz de penetrar más profundamente en la materia que la radiación alfa o beta.
Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados
para esterilizar equipos médicos y alimentos.
REFLEXIÓN, REFRACCIÓN Y LEYES DE SNELL
REFLEXIÓN: Se produce cuando una onda se
encuentra con un objeto de tamaño superior a su longitud
de onda, produciéndose un cambio de dirección. Las
superficies que reflejan totalmente la luz se denominan
espejos.
“Se denomina reflexión de una onda al cambio de
dirección que experimenta ésta cuando choca contra una
superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de
propagación“.
REFRACCIÓN: Se conoce como el cambio de dirección y de velocidad que experimenta
una onda cuando cambia de medio. Si la onda pasa completamente del medio 1 al 2, la
superficie se denomina “transparente”.
• Índice de refracción: n=c/v (Relación entre la velocidad de la luz en el vacío(c) y en el
medio(v)).
LEYES DE SNELL:
Expresa la relación que hay entre el ángulo de incidencia y el
ángulo de refracción
con el índice de refracción en el medio incidente y el índice
de refracción en el
medio refractado. Se expresa mediante:
n1·senθ1 = n2·senθ2
TIPOS DE LENTES:
A. Convergentes (rayos convergen en un punto, el foco): son más gruesas en la
parte central que en los extremos. Se representan por una línea con dos flechas
apuntando hacia afuera.
Pueden ser:
➔ Bi-convexa: tiene dos curvaturas a ambos lados, que no tienen porqué ser
iguales.Las hay simétricas (el foco es el mismo) y asimétricas (el foco no
coincide).
➔ Plano-convexa: Tiene una cara curva y otra plana
➔ Menisco-convexa: cambian las curvaturas a ambos lados, y por lo tanto los focos. Es
más compleja.
B. Divergentes (rayos divergen, sus prolongaciones coinciden en el foco): son
más gruesas en los extremos que en la parte central. Se representan con una línea ,
donde en los extremos apuntan flechas al centro.
Pueden ser :
➔ Bi-cóncava: dos caras curvas (con misma curvatura = igual focos, o con
distintas curvaturas = focos distintos).
➔ Plano-cóncava: una cara plana y otra curva
➔ Menisco-cóncava: dos caras curvas distintas, focos distintos.
TIPOS DE IMÁGENES CON LENTES CONVERGENTES
Las imágenes pueden ser reales o virtuales, derechas o invertidas y mayores o menores.
POTENCIAL DE UNA LENTE
Se define con la ecuación:
1
donde 𝑓 es la distancia focal imagen, que se mide en metros (m-1). La potencia se
𝑓'
1
mide en dioptrías ( ).
𝑚
𝑃 =
Relacionado con la potencia se obtienen 2 fórmulas:
1
𝑓'
=
1
𝑀'
−
1
𝑀
; Aumento
𝑄'
𝑄
=
𝑀'
𝑀
LUPA
Está formada por una lente convergente de distancia focal corta que produce una
desviación de la luz incidente, de manera que se
consigue una imagen aumentada
del objeto observado.
Situando la lupa delante del ojo con el objeto entre el punto focal y la lupa, la imagen se
formará más grande, hacia atrás, y la veremos bajo un ángulo aparente mayor.
ABERRACIONES EN SISTEMAS ÓPTICOS
Los rayos no pasan todos exactamente por el foco, hay pequeñas desviaciones. La
curvatura es imperfecta.
Hay 2 tipos:
-Monocromáticas: los rayos no pasan todos por el foco debido a la curvatura de la
lente. Se produce una distorsión de la imagen.Tiene que ver con la geometría de la
lente (a mayor aberración menos se ve).
-Cromáticas: debido a que la luz está compuesta de distintas longitudes de onda, estas no
coinciden en el mismo punto. Cambia la tonalidad de la imagen, se separan los colores.Hay
un comportamiento distinto de las longitudes de onda. Por ejemplo, como el azul y el rojo
tienen distintas longitudes de onda, no se cortan en un único punto.
BIG BANG Y DEFINICIÓN DE UNIVERSO
Se denomina Big Bang, o Gran Explosión, a la teoría cosmológica actual que describe la
generación y posterior evolución del universo en el que vivimos. Según ésta, el universo se
habría formado hace unos 13.700 millones de años, de un punto singular y posiblemente
debido a una fluctuación cuántica del vacío. Así, el universo se
habría formado extremadamente pequeño, denso y caliente, y a
partir de ese momento se encuentra en expansión hasta hoy. Esta
expansión fue probada observacionalmente por Hubble en los
años 1930, y se sabe desde hace unos 15 años que la expansión no
se está frenando, sino que se está produciendo una expansión
acelerada del universo cuya explicación supone un reto para las
leyes de la Física. Lo que conocemos como Fondo Cósmico de
Microondas (CMB, de sus siglas en inglés) se corresponde con la
temperatura reliquia del universo primitivo y es de unos 3 K. Por
tanto, el Universo es TODO: materia, energía, espacio, tiempo,
fuerzas e interacciones. No obstante, la materia que detectamos y
observamos (integrada por átomos y llamada materia bariónica)
sólo constituye aproximadamente el 4-5% del universo; el resto, son las llamadas materia
oscura y energía oscura.
LA BÚSQUEDA DE VIDA FUERA DEL PLANETA TIERRA: LA ASTROBIOLOGÍA
COMO DISCIPLINA CIENTÍFICA
La Astrobiología es una nueva ciencia que surge de la necesidad de investigar el origen,
presencia e influencia de la vida en el Universo. Su punto de partida se puede situar en 1998,
cuando la NASA creó el NASA Astrobiology Institute (NAI).
La Astrobiología es, desde su mismo origen, interdisciplinar. Relaciona ciencias tales como la
Astronomía, la Astrofísica, la Biología, la Química, la Geología, la Informática, la
Antropología y la Filosofía, entre otras. La esencia del estudio astrobiológico es la
compartición de conocimientos y la cooperación entre saberes que hasta el momento no se
interrelacionan.
No hay una definición consensuada de Astrobiología, aunque su campo de interés involucra,
además de todo lo que tiene que ver con la comprensión del fenómeno de la vida tal y como
lo conocemos (su emergencia, condiciones de desarrollo, versatilidad -extremofilia-, etc.), la
búsqueda de vida fuera de la Tierra (exobiología) y sus derivaciones, como son la exploración
espacial o la planetología.
Algunas de las cuestiones que trata de responder la Astrobiología son las siguientes:
¿Qué es la vida?
¿Cómo surgió la vida en la Tierra?
¿Cómo evoluciona y se desarrolla?
¿Hay vida en otros lugares del Universo?
¿Cuál es el futuro de la vida en la Tierra y en otros lugares?
CUERPOS DEL SISTEMA SOLAR POTENCIALMENTE HABITABLES
En el caso de la vida de “tipo terrestre” (sin tomar en cuenta los seres extremófilos) se
considera fundamental para la posible existencia de vida en algún planeta o cuerpo celeste: La presencia de una atmósfera con una cantidad importante de oxígeno y metano. - La
presencia de agua líquida, cerca de o en su superficie. Dentro del Sistema Solar, además de la
Tierra, se cree que pueda haber vida (pasada o presente) en Marte, el satélite de Júpiter
Europa y los satélites de Saturno Titán y Encélado. En Europa y Encélado se cree que hay
océanos de agua subsuperficiales, bajo una corteza de hielo en cada caso, y en la superficie de
Titán hay lagos de metano líquido con, posiblemente, un ciclo meteorológico de metano (a
semejanza del ciclo hidrológico terrestre). Muy recientemente se ha detectado fosfano en
Venus, lo cual podría ser indicador de actividad biológica en el planeta.
¿Qué cuerpos del sistema solar podrían albergar o haber albergado vida?
☺⟶VIDA (PRESENTE O PASADA) /// *⟶ HIELO
La Tierra ☺☺☺ * * / Marte ☺ * / Europa ☺☺ * * * / Ganímedes ☺ * * *
Calisto ☺ * * * / Titán ☺
¿VIDA EN EL SISTEMA SOLAR EXTERIOR?
La vida en mundos helados es posible (la Tierra la conservó durante las épocas glaciales). La
Antártida se usa como referencia.
Estos mundos tienen océanos helados.
Necesitamos estudiar su composición química y sus fuentes de energía.
1- Los satélites galileanos de Júpiter
Io: Tiene una superficie relativamente reciente, una corteza dinámica con fuertes mareas e
intenso vulcanismo ⟶ IMPROBABLE
Europa: Tiene una corteza dinámica, con energía proveniente de fuerzas de marea y del Sol.
Posiblemente hielo de agua en superficie ⟶ BASTANTE POSIBLE
Ganímedes y Calisto: son mundos helados, pero tienen una corteza cubierta de cráteres, lo
que disminuye sus probabilidades ⟶ POSIBLE
2- Titán: el único satélite de Saturno con atmósfera. Las imágenes radar (300m) muestran
zonas oscuras, cráteres y cauces ⟶ POSIBLE
¿ENCELADO? Satélite de Saturno: tenue atmósfera / geológicamente activo + océano de
agua líquida subsuperficial, con fuentes termales.
EXOPLANETA Y ZONA DE HABITABILIDAD:
Se entiende por exoplaneta, o planeta extrasolar, un planeta orbitando una estrella distinta del
Sol y, por tanto, localizado fuera del Sistema Solar. Los primeros exoplanetas fueron
detectados observacionalmente en la década de 1990 y, en concreto, Pegasi 55b, fue en 1995,
a una distancia de unos 48 años-luz, el primer exoplaneta descubierto orbitando una estrella
similar al Sol. Hoy se conocen más de 4000 candidatos a exoplanetas. En 2016 se descubrió
Próxima Centauri b como el exoplaneta de tipo terrestre potencialmente habitable más
cercano a nosotros; a unos 4 años-luz de distancia. La existencia de mundos habitados
similares al nuestro, orbitando otras estrellas similares al Sol, ya había sido postulada por
Giordano Bruno quien fue quemado en la hoguera en Roma en 1600 por defender ideas como
ésta, contrarias a la teoría geocentrista del universo vigente en la época.
La zona habitable o zona de habitabilidad (ZH) de una estrella es aquella distancia orbital en
la que se dan las condiciones adecuadas como para que pudiese haber agua líquida en
superficie de los planetas o cuerpos situados en ella. En el centro de la ZH solar está la Tierra,
con Venus cerca de su borde caliente, y Marte cerca de su borde frío. La distancia a la que se
encuentra la ZH depende del tipo de estrella y sus características, ya que se situará más lejos
de estrellas más calientes y brillantes que el Sol, y más cerca para estrellas más frías y menos
masivas –por ejemplo, en el caso de la enana roja Próxima Centauri.