Guía Cuarto Segunda parte - Liceo Marta Donoso Espejo

Liceo Marta Donoso Espejo
Departamento de Física
Talca
Guìa preparación para examen final (Física)(2º parte)
Nombre:
Curso: 4º B, C , D , E , F
Prof. Oscar Tapia P.
Objetivo:
*Aplicar los principios del electromagnetismo para resolver
problemas cuantitativos.
* Usar conceptos de electromagnetismo para explicar diversos
fenómenos cotidianos.
1. La teoría electromagnética de Maxwell
Introducción:
Se observa que una
corriente alterna genera a su alrededor una perturbación que se transmite
en el espacio que la circunda. Fue el escocés James Clerk Maxwell (18311879) quien pudo explicar fenómenos como este y otros similares, los que
solo habían sido descritos o explicados de forma parcial.
A través de su teoría electromagnética, Maxwell estableció una síntesis de
todos los descubrimientos anteriores: los de Oersted, Ampère, Gauss,
Faraday, entre otros, unificando los fenómenos eléctricos, magnéticos y
luminosos. Sus resultados se resumen en cuatro ecuaciones tan fundamentales
para la Física como lo son las leyes de Newton.
En la siguiente tabla se resumen los principales aspectos teóricos que se
desprenden de cada ecuación.
Ecuaciòn
Primera ecuación
Segunda ecuación
Tercera ecuación
Cuarta ecuación
Significado teòrico
Las cargas eléctricas generan campos
eléctricos
cuyas líneas de fuerza tienen comienzo y fin.
No es posible aislar los polos magnéticos
debido
a que las líneas de campo son cerradas
sobre sí
mismas, sin inicio ni fin.
Un campo magnético variable induce un
campo
eléctrico variable.
Un campo magnético puede ser producido
por
una corriente eléctrica o por un campo
eléctrico
variable.
¿Qué postula la teoría de Maxwell?
Maxwell planteó en su teoría la existencia de un campo electromagnético,
formado por campos eléctricos y magnéticos, que se propagaría por el
espacio. Entre los supuestos de esta teoría destacan dos:
• Existen ondas electromagnéticas que se caracterizan por propagarse
a la velocidad de la luz.
• Las ondas electromagnéticas son emitidas por cargas eléctricas
aceleradas.
Maxwell murió sin haber podido comprobar de manera experimental la
veracidad de sus predicciones. Estas se comprobarían en forma empírica diez
años después de su muerte.
Las ecuaciones de Maxwell permiten
relacionar y explicar fenómenos
eléctricos, magnéticos y luminosos.
2. ¿Cómo se emiten y se propagan las ondas
electromagnéticas?
2.1 Emisión de ondas electromagnéticas
Se infiere que la oscilación de una carga produce que
el vector campo eléctrico varíe periódicamente. Estas variaciones continuas
del campo eléctrico son las que generan las ondas electromagnéticas.
A continuación, analizaremos lo que ocurre con las líneas de campo eléctrico
cuando una carga (q) oscila con relación a otra con velocidad v.
Las líneas de campo eléctrico formadas
entre dos cargas opuestas.
Al oscilar las cargas, las líneas se van
cerrando sobre sí mismas.
Las líneas cerradas sobre sí mismas se
alejan de las cargas, mientras que el
sentido de las líneas entre las cargas
cambia.
2.2 Propagación del campo electromagnético
La propagación del campo electromagnético se produce a través de
sucesivas inducciones de campos magnéticos y eléctricos en forma alternada.
Si en un punto del espacio existe un campo eléctrico ( ) que varía con
cierta frecuencia a medida que transcurre el tiempo, según las ecuaciones
de Maxwell, en otro punto próximo al anterior se genera un campo
magnético ( ) que varía con las misma frecuencia. Este campo magnético
generará, a su vez, un nuevo campo eléctrico variable de igual frecuencia,
y así sucesivamente.
La variación del campo eléctrico inicial se propaga desde un punto a otro
del espacio en forma de una onda electromagnética que seguirá
propagándose, debido a la inducción alterna de campos, aunque las cargas
que lo emitieron dejen de acelerar. Toda carga acelerada emite radiación
electromagnética; un electrón, al orbitar el núcleo, posee aceleración debido
a su movimiento circular. Pero ¿emite radiación electromagnética? Esto no
ocurre, ya que los átomos naturalmente no emiten ondas electromagnéticas.
Esto llevó a replantear el modelo, como estudiaremos más adelante.
3. Características de las ondas
electromagnéticas
3.1 Las ondas electromagnéticas transportan energía.
También habrás observado,
más de una vez, cómo aumenta la temperatura de un objeto que permanece
por un tiempo bajo la luz del Sol. Esto ocurre porque la luz proveniente del
Sol también es una onda electromagnética que transporta energía.
Una planta utiliza la energía electromagnética
proveniente del Sol para realizar
fotosíntesis.
Más tarde, el físico alemán Max Planck (1858-1947) postuló que la energía
electromagnética estaba cuantizada, es decir, era emitida de manera discreta,
en forma de “paquetes de energía” a los que posteriormente se les
denominó fotones.
Existen muchas formas de aprovechar la
energía que transportan las ondas electromagnéticas
provenientes del Sol. Una de
ellas es utilizando pantallas reflectoras;
estas concentran la energía en un área
pequeña, permitiendo el funcionamiento
de una turbina, la que a su vez transforma
el movimiento en energía eléctrica
utilizable.
3.2 Velocidad de propagación de una onda
electromagnética
A partir de las ecuaciones de Maxwell, se deduce que la rapidez de la
propagación de una onda electromagnética es una constante de proporcionalidad
c entre el campo magnético y el campo eléctrico. Dicho valor es:
c 2,99 108 m/s
las ondas electromagnéticas se propagan con la misma rapidez que
la luz. Esto explica por qué la luz visible para el ser humano no es otra cosa
que radiación electromagnética de una determinada frecuencia. Cuando una
onda electromagnética se propaga a través de un medio, lo hace con menos
energía y velocidad. Esto queda en evidencia cuando la luz se refracta al
entrar a un determinado medio..
3.3 Una onda electromagnética posee longitud ()
y frecuencia (f)
Al igual que para una onda mecánica, la expresión que relaciona la rapidez
de una onda electromagnética (c) con su longitud () y su frecuencia (f)
está dada por:
La diferencia radica en que en una onda mecánica la velocidad puede ser
variable, es decir, tomar muchos valores distintos. En cambio, en una onda
electromagnética, la velocidad c (en el vacío) es una constante universal. En
medios materiales, la velocidad de una onda electromagnética es menor y
queda determinada por el índice de refracción de cada medio.
En la propagación de una onda electromagnética, la intensidad de esta
disminuye a razón del cuadrado de la distancia; es decir, al aumentar al doble
la distancia, la intensidad será cuatro veces menor.
Una onda electromagnética que nace del
Sol disminuye su intensidad en
proporción al cuadrado de la distancia. Si
llega a la Tierra con una intensidad “A”,
¿con qué intensidad llegará a Júpiter?
3.4 Las ondas electromagnéticas son transversales.
Al generar ondas transversales en una cuerda (recuerda
que en una onda transversal, la dirección de oscilación de las partículas es
perpendicular a la dirección de propagación de la onda). Igual cosa ocurre con las
ondas electromagneticas.
3.5 Las ondas electromagnéticas son sinusoidales
Cuando el espacio es perturbado por una carga oscilante, se genera una onda
electromagnética. La onda electromagnética está formada por un campo
eléctrico y un campo magnético que son perpendiculares entre sí y, a su vez,
ambos son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
4. El espectro electromagnético
En la época de Maxwell, los únicos tipos de radiación electromagnética
conocidos eran la luz y las radiaciones infrarroja y ultravioleta. A partir de
entonces, los investigadores comienzan a buscar otras ondas electromagnéticas
invisibles para el ojo humano. En los últimos cien años se ha demostrado que
existe una variedad de ondas electromagnéticas que solo se diferencian en su
frecuencia y, por lo tanto, en su longitud de onda, pero que se propagan a la
misma velocidad: la velocidad de la luz. El amplio conjunto de ondas se agrupan
ordenadamente en el llamado espectro electromagnético.
5. Aplicaciones del espectro electromagnético
En el mundo en que vivimos, existen incontables aplicaciones tecnológicas
que aprovechan las características de cada una de las zonas del espectro
electromagnético. Basta con poner atención a acciones tan cotidianas como
usar el transporte público, comprar en un supermercado o hablar por
teléfono celular, para descubrir la presencia de las ondas electromagnéticas.
Copia y completa las siguientes oraciones en tu cuaderno.
a. Las ondas electromagnéticas fueron predichas por: ____________. Su
existencia fue confirmada
por el experimento de _____________.
b. Una onda electromagnética es generada por cargas ____________. Su
propagación se produce
por inducciones consecutivas del ___________ y ______________.
c. Una onda electromagnética se propaga a la velocidad de ______. La
expresión que relaciona
su frecuencia con longitud de onda es _______.
EVALUACIÓN
1. ¿Qué parámetros permiten clasificar las distintas ondas en el espectro
electromagnético?
2. ¿Qué característica de las ondas electromagnéticas permite afirmar que son
ondas transversales?
Explica.
3. Si una onda electromagnética tiene una longitud de onda de 5x 10 -14 m,
entonces, ¿cuál es su
frecuencia?
4. El espectro visible está comprendido en longitudes de onda entre los 400 nm
y los 700 nm.
¿Cuáles son los rangos de frecuencia de este espectro?
5. Completa la siguiente tabla determinando los valores de frecuencia y
longitud de onda para los
distintos colores del espectro visible.
Color
Frecuencia (x 10 exp12 Hz)
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul
Índigo
Violeta
428
492
580
Longitud de onda (x 10-9 m)
520
638
450
400