N N O O Cl Na O O C O O C

El electromagnetismo es...
Bases Físicas y Químicas del M.A.
Temas 4 y 5: Electricidad y Magnetismo
Energía
Química
2e
H
Tema 6: Ondas: luz, sonido, ondas mecánicas
O 2e
H
Temas 7 y 8: Materia y Radiación: Física subatómica
Bibliografía: “Física”, Wilson y Buffa, 5ª ed., Pearson
Biología
Radiación
Profesor: Bruno Martínez Haya
Tutorías: viernes 8:30-14:30
Despacho 2.3.19 (edif. 2 planta 3)
o Vicerrectorado de Estudiantes (edif. 9)
FM 92.0
Ciencias Ambientales curso 2004/05
O
N
O
N
O O
O C O
C
Na Cl
1
ADN
Medio Ambiente
y Mecánica Cuántica
Seminario impartido en el
Departamento de Ciencias Ambientales
UPO, 13/03/03
Ψ(r,t)
La Entropía siempre crece:
El universo tiende al desorden
Dos gases
se mezclan
espontáneamente
ejemplos: APARICIÓN ESPONTÁNEA DE VIDA
EFECTO INVERNADERO
AGUJERO DE OZONO
En la Tierra se genera vida espontáneamente:
¡disminuye la entropía!
orden espontáneo
(seres vivos)
CO2
O2
Vida en la Tierra: Conservación de la energía
Aumento de la entropía
Toda la energía
es reemitida
CH4
N2
NH3
Baja entropía:
pocos fotones
Alta entropía:
muchos fotones
(más desorden)
2
IR
Efecto “invernadero”: Calentamiento de la atmósfera
C
O
absorbancia
O
Absorción infrarroja del CO2
650
670
690
número de onda (cm-1)
710
absorbancia
0
630
0
2300
Termalización de la atmósfera por colisiones:
colisión de N2 y con CO2 excitado
2320
2340
2360
número de onda (cm-1)
2380
Absorción de radiación UV e IR en la atmósfera
visible
Radiación solar incidente sobre la Tierra
ultravioleta
Radiación solar al nivel del mar
absorción de la
radiación por CO2:
calentamiento
de la atmósfera
CaCO3
Vegetación
(y CH4 …)
Hombre 2%
CO2
radiación devuelta al espacio
Soluble en agua
radiación del sol
CO2 y Efecto Invernadero
Naturaleza
Efecto “horno infrarrojo”
(parecido a un horno microondas)
infrarrojo
Carbón
Hidrocarburos
3
Mesosfera
Cl
O
O
+
+
+
O
O O
Cl
O
Cl
O
O O
O
O
+
+
O
+
O
O
O
O
UV
O
O
Fotólisis del O2
O
+
O
Formación de O3
O
0-20 km
Troposfera
O
Destrucción catalítica de la capa de ozono
Cl
O+
20-50 km
estratosfera
O
O
Ionosfera
Formación de la capa de ozono: Mecanismo de Chapman
Formación y destrucción de ozono
O3
O
UV
O
O2
O3
Concentración
+
O
+
O
O
O
O
O
O
Fotólisis del O3
O
O
+
O
O
+
O
O
O
O O
O
O
Destrucción natural de O3
El agujero de ozono antártico
Destrucción
de O3
O
Recuperación del
catalizador
O
Reacción neta
Nubes polares:
Destrucción de ozono en la
superficie de cristales de hielo
Temas 4, 5: Electromagnetismo
Las fuerzas fundamentales
Fuerza gravitatoria
Fuerza electromagnética
Fuerza nuclear débil (radiactividad)
Fuerza nuclear fuerte
Para un científico: responsables del comportamiento
de la materia y, por ende, de los procesos naturales
Para un ingeniero: Fuentes de energía
4
Electromagnetismo frente a gravitación
F=G
mM
R2
F=k
m
q
F
qQ
R2
-
F
F
Q
M
+
F
Las cargas eléctricas se atraen o repelen
Q
Q
F
La interacción electromagnética es
responsable de la formación de las moléculas
F
+
F
+
-
+
q
Ley de Coulomb
F=k
q
F
qQ
R2
Q : carga
R : distancia
La interacción electromagnética es
responsable de la formación de las moléculas
Electrones
(enlazan los núcleos)
FN
+
+
FN
Núcleos atómicos
(se repelen)
Ley de Coulomb
F=k
qQ
R2
a menudo
se utiliza:
k=
constante
k = 9 109 N m2 C-2
carga elemental
e = 1.6 10-19 C
1
4π ε 0
ε0 = 8.85
N-1
+
m-2
C2
Fe1
Fe2
-
Fuerza total
sobre cada núcleo
F=k
FN
(Suma de vectores)
qQ
R2
k=
+
FTOTAL= FN + Fe
Ley de Coulomb
a menudo
se utiliza:
Permitividad eléctrica del vacío
10-12
FN
constante
k = 9 109 N m2 C-2
carga elemental
e = 1.6 10-19 C
1
= c2 (10-7 N s2 C-2 )
4π ε 0
Permitividad eléctrica del vacío
ε0 = 8.85 10-12 N-1 m-2 C2
Velocidad de la luz
c = 2.998 108 m/s
5
Ley de Coulomb
F=k
constante
k = 9 109 N m2 C-2
carga elemental
e = 1.6 10-19 C
qQ
R2
Ley de Newton
F=G
mM
R2
constante
G = 6.67 10-11 N m2 kg-2
masa electrón
me = 9.11 10-31 kg
masa protón
mp = 1.67 10-27 kg
Potencial eléctrico
producido por una carga
Superficies
equipotenciales
V=k
Q
qQ
R
U1
q q q q q
transformación de
energía primaria
(combustión, nuclear o
renovable) a eléctrica
F=qE
Campo eléctrico
generado por una carga
E = k Q2
R
Energía potencial de
por otra carga próxima
Potencial eléctrico
generado por una carga
U=qV
V=k Q
R
Energía y Potencial eléctrico
son escalares
U=qV=k
U
qQ
R
Q y q del mismo signo
R
V2
U2
Energía
eléctrica
Fuerza y campo eléctrico
son vectores
V1
Generación de energía eléctrica
Energía
Primaria
qQ
R2
q
Energía potencial de q
U=qV=k
F=k
Energía potencial de q
q
Q
R
Campo escalar
Algunas magnitudes fundamentales
Fuerza entre cargas
Corriente
eléctrica
q q q q q
transformación de
energía eléctrica a
calorífica, mecánica...
Q y q de distinto signo
Vector de campo eléctrico
producido por una carga
Q
E = k 2 uR
R
Vector
radial
Campo vectorial
Carga positiva
E
E
E
E
+
E
E
E
E
6
Vector de campo eléctrico
producido por una carga
Q
E = k 2 uR
R
Carga negativa
E
E
E
Vector
radial
-
E
E
Campo vectorial
E
E
E
+
q
+
F
-
F
E1
E
q
E
E
=
Campo eléctrico generado por
dos cargas del mismo signo
E
E1
+
un campo
eléctrico
constante
E = E1 + E2 + E3 + . . .
Líneas de campo:
paralelas al campo eléctrico
en cada punto
(nunca se cruzan)
Campo eléctrico generado por
dos cargas del mismo signo
E Cargas en
E2
-
-
E
El campo eléctrico en un punto es la suma
de todos los campos eléctricos presentes
E3
-
-
Carga
positiva
+
E
+
Campo vectorial
F=qE
Carga
negativa
Las líneas de campo eléctrico indican la trayectoria
que seguiría una carga positiva libre en el medio
+
Fuerza producida por un campo eléctrico
sobre una carga
E2
E2
+
+
E1
Los campos
se suman en
cada punto
+
7
Campo eléctrico generado por dos cargas positivas
Campo eléctrico en dos cargas de distinto signo
E1
+
+
E2
+
Los campos
se suman en
cada punto
E
-
Las líneas de campo eléctrico indican la trayectoria
que seguiría una carga positiva libre en el medio
Campo eléctrico en dos cargas de distinto signo
+
Campo creado por una placa infinita cargada
+
+
+
+
+
+
+
+
-
E
Campo uniforme, independiente
de la distancia a la placa
Campo creado por una placa infinita cargada
−
−
−
−
−
−
−
−
−
Campo uniforme, independiente
de la distancia a la placa
Dos placas de cargas opuestas
E+
E
E-
+
+
+
+
+
+
++
E+
E-
−
−
−
−
−
−
−
−
−
E+
E-
8
Dos placas de cargas opuestas
Plano cargado infinito
E=0
−
−
−
−
−
−
−
−
−
+
+
+
+
+
+
++
El campo de un plano infinito cargado es uniforme
E=0
Campo uniforme entre las placas
Y campo nulo en el exterior
Plano cargado infinito
El campo de un plano infinito cargado es uniforme
Campo en
un punto
lejano de
la placa
E1
+
E
E
+
El modelo de placas cargadas describe el
comportamiento eléctrico de la membrana celular
Exterior de la célula
Alta concentración
de Na+
Na+
ATP
+
E
+
VEXT= 0 mV
K+
Membrana celular
Alta concentración
de K+
VINT= -70 mV
Interior de la célula
E2
El modelo de placas describe las tormentas
+ + + + +
+ + + +NUBE
- - - - - - - RAYOS
+
E2
Campo en
un punto
cercano a
la placa
E1
+ ++ + + + + +
TIERRA
Modelo sencillo de membrana celular:
Placas cargadas eléctricamente
+Q
+ + + + +
carga
+
D: distancia
entre placas
E
- - - carga -Q
V = 0 mV
- -
V = -70 mV
9
Dos placas de cargas opuestas
Campo creado por una placa infinita cargada
+
+
+
+
+
+
+
+
Densidad
de carga
en la placa:
carga/área
σ
2ε0
E=
+
+
+
+
+
+
++
E=0
Permitividad
del vacío
Condensador: Placas con cargas opuestas
carga Q = σ A
+Q
+ + + + + +
E = σ/ε0
- - - -Q
D
Diferencia de
potencial entre
las placas
carga Q = σ A
+Q
+ + + + + +
E = σ/ε0
V=E⋅D
Capacidad del
condensador
(de almacenar
carga)
D
- - - - - -Q
Unidad S.I.
C=Q/V
Faradio
de capacidad 1 F = 1 C V-1
Conductores, semiconductores y aislantes
Condensador: Placas con cargas opuestas
D
Energía
almacenada en
el condensador
U = Q2 /2C
= Q V/2
= C/2V2
Material conductor: Los electrones más externos son compartidos
por los átomos y moléculas y se pueden mover libremente por la
Banda de conducción del material.
Al aplicar un campo eléctrico externo se produce un flujo de
Electrones (corriente eléctrica)
Energía potencial
carga Q = σ A
+Q
+ + + + + +
- - - - - -Q
E=0
Condensador: Placas con cargas opuestas
- -
E = σ/ε0
σ
ε0
E=
Campo uniforme, independiente
de la distancia a la placa
−
−
−
−
−
−
−
−
−
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Banda de
conducción
-
+ + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
10
Conductores, semiconductores y aislantes
Banda de
conducción
-
-
- -
+ +- +
+- + + -+
- - - - + + + -+ +
- + + + + -+ +
+
Material conductor: Electrones pueden
moverse libremente en el material
+
−
E
−
− +− + + + − +
−
−
− + + −+ + +
−
−
−
− + +− + + +
− −
− + + −+ + +
−
−
−
Banda de
valencia
iones fijos
electrones
libres
E
Conductor en un campo eléctrico uniforme
Carga superficial
positiva
E
Carga superficial
negativa
Material conductor: Electrones pueden
moverse libremente en el material
Conductores, semiconductores y aislantes
Material semiconductor: El acceso de los electrones a la banda de
conducción es posible aplicando una cantidad moderada de energía
(térmica, luminosa, ...). La conductividad del material se puede
controlar además introduciendo “defectos” en su estructura.
Banda de
conducción
Energía potencial
Energía potencial
Material aislante: Los electrones de valencia se encuentran
fuertemente unidos a los átomos o moléculas
Al aplicar un campo eléctrico externo los electrones permanecen
unidos a sus átomos y se induce un dipolo eléctrico (el material se
polariza)
-
-
- -
+ +- +
+- + + -+
-
-
- - Banda de
- + - + + + + valencia
+- + + + - + +
+
Material conductor: Electrones pueden
moverse libremente en el material
+
−
E
−
− +− + + + − +
−
−
− + + −+ + +
− +− + + − + +
−
−
−
−
− + + −+ + +
− − −
iones fijos
electrones
libres
E
Conductor en un campo eléctrico uniforme
Material conductor: Electrones pueden
moverse libremente en el material
E
E
−
−
−
−
−
−
−
−
-E
E
+
+
+
+
+
+
+
+
E
Campo interior igual al exterior
pero con signo contrario
11
Material conductor: Electrones pueden
moverse libremente en el material
E
−
−
−
−
−
−
−
−
E=0
+
+
+
+
+
+
+
+
E
Cabina de protección contra campos
electromagnéticos
E
−
−
−
−
−
−
−
−
+
+
+
+
+
+
+
+
E=0
E
En el interior de un material conductor
el campo eléctrico es siempre cero
El material conductor hace de escudo de
radiación. El interior de la cabina es siempre
una región libre de campo electromagnético
Material aislante en un campo eléctrico
Molécula neutra en un campo eléctrico
E
E
moléculas
E
+
−
+
−
−
+
−
−
E
+
+ núcleos
− electrones
ligados
Molécula neutra en un campo eléctrico
E
+
−
+
E
Molécula neutra en un campo eléctrico
Carga efectiva
negativa
positiva
E
−
+
E
D
+
-
los electrones se desplazan y deforman
la nube eletrónica de la molécula
se produce un dipolo inducido
µ=QD
12
Molécula neutra en un campo eléctrico
Material aislante en un campo eléctrico
Carga efectiva
negativa
positiva
E
−
E
+
−+ − + −+
−+ − + −+
E
E
−+ − + −+
D
+
Polarizabilidad
Cargas
positivas
Cargas
negativas
µ=αE
-
se produce un dipolo inducido
Material polarizado
Material aislante en un campo eléctrico:
constante dieléctrica de un aislante
−
− E
INDUCIDO
−
−
E
−
−
E
+
+
+
+
+
+
E
En valor absoluto |EINDUCIDO | < | E |
Condensador con un aislante entre placas
carga Q = σ A
+Q
+ + + + + +
E
ε’
E=
D
E0
ε’
∆V
∆V = 0
ε’
C = ε’ C0
- - - - - -Q
E, ∆V, C : con material aislante
E0, ∆V0, C 0 : vacío entre placas
Material aislante en un campo eléctrico:
constante dieléctrica de un aislante
−
− E
INTERIOR
−
−
−
−
E
E
EINTERIOR
+
+
+
+
+
+
constante dieléctrica
= ε’
(ε’ > 1)
ej.: membrana celular
E
ε’≈10
Constante dieléctrica y solubilidad de las sales
Disolvente (agua)
Fuerza entre iones
Sal
+
disuelta Na
F
-F
Cl-
precipitado
Sal
precipitada
NaCl
13
Constante dieléctrica y solubilidad de las sales
Constante dieléctrica y solubilidad de las sales
Disolvente (agua)
Fuerza entre iones
F
-F
F=k
con disolvente
qQ
R2
F=
ε’ alto
k qQ
ε’ R2
buen disolvente de sales
constante dieléctrica del agua
Momento dipolar de la molécula de agua
H
O
H
carga efectiva
positiva
carga efectiva
negativa
-
carga
+
E
Na+
H2O
-
dipolo
Energía de un dipolo en un campo eléctrico
1 Debye = 3.3 10-30 C m
µ = Q D = 1.8 Debye (fase gas)
= 2.5 Debye (fase líquida)
µ
θ
E
-
Momento
dipolar
del agua
--
1) O es más electronegativo que H
2) pares solitarios
de electrones
Molécula de agua en un campo eléctrico
+
+
-
Na Cl
ε’= 80
U = - µ E = - µ E cos θ
Mínima energía θ = 0o
-
Fuerza en el vacío
Cl-
+
Sal
+
disuelta Na
E
µ
Orientación más estable de la molécula
de agua frente a los solutos iónicos
carga
Na+
Cl-
E
E
H2O
-
+
dipolo
+
-
Na+
Cl-
−+ −+ −+
El disolvente actúa como un dieléctrico
y atenúa el campo atractivo entre los iones
14