Electrostática: Cargas en Reposo y Potencial Eléctrico

La Electrostática es la rama de la física que estudia las cargas eléctricas en reposo.

Pioneros y Conceptos Fundamentales

• William Gilbert: Introdujo el término electricidad y fuerza eléctrica. Clasificó los materiales en conductores y dieléctricos (aislantes). Creó el primer electroscopio.
• Charles François de Cisternay du Fay: Identificó la existencia de cargas positivas y negativas, denominándolas carga vítrea (producida al frotar seda con vidrio) y carga resinosa (producida al frotar seda con resina o ámbar).
• Benjamin Franklin: Famoso por el experimento de la cometa, demostró que las nubes están cargadas con electricidad y que los rayos son descargas eléctricas. Inventó el pararrayos.
• Charles-Augustin de Coulomb: Contribuyó a la mecánica de suelos (fallo de terreno) y a la teoría de la torsión recta. Formuló la Ley de Coulomb.
• Michael Faraday: Estableció las bases del campo electromagnético.

Leyes y Definiciones Clave

• Ley de Coulomb: Establece que, a mayor distancia entre dos cuerpos cargados eléctricamente, menor es la fuerza de atracción o repulsión entre ellos.
• Energía Potencial Eléctrica: Relación existente entre la fuerza ejercida por una carga sobre otra, que es directamente proporcional a la fuerza eléctrica e inversamente proporcional a la distancia entre las cargas puntuales.
• Potencial Eléctrico (V): Medida en un punto del espacio para obtener una medida del campo eléctrico, a través de la energía potencial adquirida por una carga de prueba tomada desde ese punto.
• Superficies Equipotenciales: Puntos contiguos donde el valor del potencial eléctrico es el mismo. El campo eléctrico es perpendicular a la superficie en dicho punto. Si la carga q es positiva, la energía potencial lo es, y V también; de igual manera si q es negativo.
• Diferencia de Potencial (Tensión o Voltaje): Entre los puntos A y B, es igual al trabajo realizado por unidad de carga positiva que realizan las fuerzas eléctricas al mover una carga de prueba de A a B.

Electrodinámica y Circuitos Eléctricos

La Electrodinámica es la rama de la física que estudia las cargas eléctricas en movimiento a través de un conductor.

Tipos de Corriente e Intensidad

• Corriente Continua (CC): Fluye de forma constante en una sola dirección.
• Corriente Alterna (CA): Fluye en intervalos o ciclos, cambiando periódicamente de dirección.
• Intensidad de Corriente (I): Cantidad de carga eléctrica (electrones) que pasa por la sección transversal de un conductor durante 1 segundo. Se mide en Amperes (A).

Fuerza Electromotriz y Resistencia

• Fuerza Electromotriz (FEM): La corriente eléctrica se origina por el movimiento de electrones en un conductor. Se mide en Volts (V) y representa la energía suministrada para que la unidad de carga recorra el circuito completo.
  • Una pila transforma energía química en eléctrica.
  • Un generador transforma energía mecánica en eléctrica.
• Resistencia Eléctrica (R): Oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o flujo de electrones.

Factores que Afectan la Resistencia

1. Naturaleza del Conductor: Al comparar alambres de la misma longitud y sección transversal (plata, cobre, aluminio y hierro), la plata presenta menor resistencia y el hierro mayor.
2. Longitud del Conductor: A mayor longitud, mayor resistencia.
3. Sección o Área Transversal: Al duplicar la superficie de la sección transversal, se reduce la resistencia a la mitad.
4. Temperatura: En el caso de los metales, la resistencia aumenta casi en forma proporcional a su temperatura. Todo material presenta cierta oposición al flujo de electrones.

Ley de Ohm y Unidades

• Conductividad: Capacidad de un material para conducir la corriente. Es la inversa de la resistividad.
• Ohm (Ω) como unidad de medida: Históricamente, se definió como la oposición a una corriente eléctrica continua de electrones por una columna de mercurio a 0 °C de 1 mm² de sección y 106.3 cm de longitud.
• George Simon Ohm: Recibió en 1841 la medalla Copley de la Real Sociedad de Londres por su trabajo sobre corrientes eléctricas.
• Ley de Ohm:
  • Si aumenta la diferencia de potencial (voltaje) en un circuito, mayor es la intensidad de la corriente eléctrica.
  • Al incrementar la resistencia del conductor, disminuye la intensidad de corriente eléctrica.

Componentes y Leyes de Circuitos

• Circuitos Eléctricos: Sistema donde la corriente fluye por un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial.
• Resistencias en Serie: Conectadas una a continuación de la otra por sus extremos. La intensidad de corriente es la misma en todas. Si se interrumpe en una, lo hará en todas.
• Resistencias en Paralelo: Se unen en dos puntos comunes, dividiendo la corriente en ramales o derivaciones del circuito.
• Potencia Eléctrica (P): Mide cuánta energía eléctrica se ha consumido en un tiempo determinado (el consumo de energía de los dispositivos).

Leyes de Kirchhoff

1. Primera Ley (Ley de Nodos): La suma de todas las intensidades de corriente de entrada es igual a la suma de las de salida.
2. Segunda Ley (Ley de Mallas): En un circuito cerrado o malla, las caídas de tensión (voltaje) totales en las resistencias son iguales a la tensión final que se aplica en el circuito.

Almacenamiento de Energía

• Capacitores (Condensadores): Dispositivos que almacenan energía. A diferencia de las baterías, que liberan energía poco a poco, los capacitores la descargan rápidamente.
• Capacitancia (C): Relación entre la carga eléctrica de cada conductor y la diferencia de potencial (tensión) entre ellos. Se mide en Faradios (F). Puede aumentar si las placas están más cerca entre sí o si son más grandes.
• Nota sobre Dieléctricos: El aislante también se conoce como un dieléctrico y aumenta la capacidad de carga de un capacitor.

Efecto Joule

Efecto Joule y Ley de Joule: La energía cinética de los electrones se transforma en calor y eleva la temperatura del conductor. El calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando.

Magnetostática y Electromagnetismo

La Magnetostática es la rama de la física que estudia los fenómenos relativos a los imanes y las masas magnéticas en reposo.

Propiedades y Tipos de Imanes

• Imanes Naturales: Se encuentran en la naturaleza con propiedades magnéticas. Ejemplo: La Magnetita (Óxido Ferroso Férrico, Fe₃O₄), un mineral de color negro.
• Imanes Artificiales: Obtenidos por imantación de ciertas sustancias metálicas, por ejemplo, por frotamiento.
• Electroimanes: Bobina por la que circula corriente eléctrica, que lleva asociado un campo magnético (usualmente formado por espiras).

Descubrimientos Históricos

Hasta finales del siglo XVI, los sabios comprendieron el magnetismo y el funcionamiento de la brújula. William Gilbert (1540-1603) demostró que la Tierra se comporta como un enorme imán.

• Hans Christian Oersted: Describió la desviación de una aguja imantada al colocarse en dirección perpendicular a un conductor eléctrico, demostrando la existencia del campo magnético en torno a todo conductor.

Conceptos Magnéticos

• Densidad del Flujo Magnético: Relacionada con el número de líneas de fuerza magnética que atraviesan una unidad de área. Contribuciones de Maxwell y Weber.
• Permeabilidad Magnética: Propiedad que presentan algunos materiales, donde las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material (como el hierro) que por el aire o el vacío.
• Magnetismo Terrestre: El planeta se comporta como un enorme imán que produce un campo magnético cuyos polos no coinciden con los geográficos.

Inducción y Fuerzas

El Electromagnetismo estudia los fenómenos de las acciones mutuas entre corrientes eléctricas y magnetismo.

• Fuerzas sobre cargas en movimiento: Cuando un electrón en movimiento con su propio campo magnético penetra de forma perpendicular dentro del campo de un imán o corriente eléctrica, ambos campos interactúan entre sí.
• Ley de Lenz: La corriente inducida de una bobina es tal que el campo magnético producido por ella se opone al campo magnético del imán que la genera.
• Ley de Faraday: La FEM inducida en un circuito formado por un conductor o bobina es directamente proporcional al número de líneas de fuerza magnética cortadas en un segundo.
• Transformador: Invento de Faraday, basado en la inducción magnética. Ayuda a aumentar o disminuir el voltaje. Se integra de dos bobinas de alambre (A y B) conectadas a una corriente alterna (CA).
• Ondas Electromagnéticas: La luz es de naturaleza electromagnética. Teoría desarrollada por James Clerk Maxwell.

Óptica: El Estudio de la Luz y sus Fenómenos

La Óptica es la rama de la física que estudia la luz y los fenómenos que produce. La luz se propaga por medio de ondas electromagnéticas en línea recta a una velocidad aproximada de 300 000 km/s en el vacío.

Propagación y Naturaleza de la Luz

• Suposición de la Óptica Geométrica: Cada punto de un objeto luminoso emite rayos rectos de luz en toda dirección.
• Sombra Geométrica: Sombra producida por un cuerpo opaco.
• Umbra: Cono formado por las tangentes exteriores a las dos esferas (en el contexto de eclipses o fuentes de luz duales).
• Difracción: Capacidad de las ondas de cambiar de dirección al encontrar obstáculos en su trayectoria.
• Polarización: Uno o más de los planos en que vibran las ondas de luz se filtra, restringiendo su paso.
• Naturaleza Dual: La energía radiante tiene naturaleza dual (onda-partícula) y obedece a las leyes de los fotones.
• Percepción del Color: El color no existe como propiedad intrínseca, es una sensación fisiológica y psicológica ante el estímulo de la retina.

Medición de la Velocidad de la Luz

• Olaf Rømer (Danés): Fue el primero en calcular la velocidad de la luz de forma muy aproximada. Su método consistió en observar el planeta Júpiter y sus satélites. Notó que el eclipse de uno de ellos se retrasaba 22 minutos (1320 segundos) cuando la Tierra estaba en su punto más alejado de Júpiter.
• Albert Michelson (Polaco): Obtuvo el Premio Nobel de Física por calcular la velocidad de la luz con gran precisión. Utilizó 8 espejos planos para formar un prisma octagonal regular que reflejaba la luz y giraba a velocidades angulares grandes previamente determinadas.

Iluminación y Reflexión

• Iluminación (E): Cantidad de luz que reciben las superficies de los cuerpos. Su unidad de medida es el Lux (lx).
• Lux: Iluminación producida por una candela o una bujía decimal sobre una superficie de 1 m² a 1 metro de distancia.
• Ley de Iluminación: La iluminación E que recibe una superficie es directamente proporcional a la intensidad de la fuente luminosa I, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d que existe entre la fuente y la superficie.
• Reflexión: Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, se refleja total o parcialmente en todas direcciones.

Espejos y Leyes de Reflexión

Toda superficie que refleje los rayos de luz recibe el nombre de ESPEJO. Ejemplos: el agua de una alberca o un lago, o los espejos de cristal (planos o esféricos).

• Rayo Incidente (I): Rayo de luz que llega a un espejo.
• Rayo Reflejado (R): Rayo rechazado por el espejo.
• Leyes de Reflexión:
  1. El rayo incidente (I), la normal (N) y el rayo reflejado (R) se encuentran en un mismo plano.
  2. El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.
• Reflexión en Superficies Lisas: Si la superficie es lisa, los rayos son reflejados o rechazados en una sola dirección.

Fibra Óptica

Dispositivo compuesto por cilindros de vidrio con el grosor de un cabello, utilizado para transmitir imágenes por medio de un conjunto de rayos luminosos. Miles de fibras pulidas en sus extremos se encuentran una junto a la otra. Cada punto de una imagen proyectada en las fibras o hilos de vidrio se reproduce en el otro extremo al ser procesada por dispositivos llamados componentes de extremidad.