Download 1. Propiedades de la carga eléctrica

I.
Introdución
II.
La carga eléctrica
III. El campo eléctrico
IV. El potencial eléctrico
V.
La ley de Gauss
VI. La capacitancia y la corriente eléctrica
VII. Los campos eléctricos en la materia
VIII. El campo magnético
IX. Los campos magnéticos en la materia
X.
La ley de Ampere
XI. La inducción y la inductancia
XII. Las ecuaciones de Maxwell
XIII. Las ondas electromagnéticas
La ÓPTICA es la rama de la Física
que estudia el comportamiento y las
propiedades de la luz, incluyendo sus
interacciones con la materia y la
construcción de instrumentos que la
usan o la detectan.
Wikipedia
Había un sentimiento subyacente que
ya todo estaba esencialmente
explicado. Se pensaba que aún había
cosas que resolver, pero eran detalles,
lo fundamental ya estaba hecho.
La Física había explicado todo, pero a
la vez había perdido su interés,
pero…. Aún había mucho por
descubrir
•Un cuerpo negro es un objeto que absorbe
toda la radiación electromagnética que incide
sobre él.
•Ninguna radiación pasa a través de él y
ninguna radiación es reflejada.
•Un cuerpo negro es un absorbedor y un
emisor perfecto
La radiación electromagnética y la
cavidad se dejan mucho tiempo
hasta que se alcance el equilibrio
termodinámico
La radiación electromagnética y la
cavidad se dejan mucho tiempo hasta
que se alcance el equilibrio
termodinámico.
Se observa la radiación de la cavidad a
través de un pequeño hoyo.
Se mide la energía por unidad de
volumen por unidad de frecuencia.
Kirchhoff mostró, con puros argumentos
termodinámicos (con la segunda ley), que la
radiación dentro de una cavidad:
1. Es isotrópica; es decir, el flujo de radiación es
independiente de la dirección.
2. Es homogénea; es decir, es la misma en todos los
puntos.
3. Es la misma en todas las cavidades que tienen la
misma temperatura; es decir, es independiente del
recipiente (material y forma).
Experimentalmente
se encontró:
2,000 K
( ,T) eV m 3 s
4000
3000
4000
5000
6000
7000
2000
8000
1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
s 1
1016
La física clásica
Resultado experimental
2,000 K
200
La ley de Rayleigh
150
y Jeans
(frecuencias pequeñas):
2
  ,T   2 3 kT
 c
100
Ley de Wien (frecuencias grandes):
50
0
0.0
  , T  
0.1
0.2
0.3
 
3

exp


 2c3
 kT 
0.4
0.5
¡¡¡La teoría ondulatoria de la
luz (ondas
electromagnéticas) es
incapaz de explicar el
espectro del cuerpo negro!!!
200
150
100
50
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Max Planck. 1900
El intercambio de energía
entre la radiación y las
paredes del recipiente se
efectúa de manera cuantizada;
es decir, la energía no se
intercambia de manera
continua sino en paquetes,
llamados cuantos
El intercambio de energía entre la radiación y las paredes
del recipiente se efectúa de manera cuantizada, es decir, la
energía no se intercambia de manera continua sino en
paquetes, llamados cuantos
E  h
h es la llamada constante de Planck
h  6.626 x 10
34
joules  segundo
 es la frecuencia de la radiación

    2 3
 c
2
2,000 K


e kT  1
Un punto de vista heurístico
respecto a la creación y
transformación de la luz
18 de marzo de 1905
Ann Phys. 17 (1905) 132.
La radiación misma
está cuantizada.
La luz son partículas
¡La radiación misma está cuantizada!
La luz son partículas
¿Habrá otro fenómeno dónde
esto se manifieste?
¡El efecto fotoeléctrico!
1. Los electrones son emitidos inmediatamente.
2. El aumento de la intensidad de la luz aumenta el número
de electrones emitidos, pero no su energía cinética
máxima.
3. La luz de baja frecuencia (roja), sin importar su
intensidad, no causa eyección de electrones..
4. La luz de alta frecuencia (ultravioleta), débil eyecta unos
cuantos electrones, pero su energía cinética máxima es
mayor que los obtenidos usando luz muy intensa de
longitudes de onda mayores.
La teoría ondulatoria de la luz
(ondas electromagnéticas) es
incapaz de explicar el efecto
fotoeléctrico.
¡La física clásica falla
de nuevo!
La teoría cuántica de
la luz explica
perfectamente el
efecto fotoeléctrico
1. Los electrones son emitidos inmediatamente
2. El aumento de la intensidad de la luz aumenta el
número de electrones emitidos, pero no su
energía cinética máxima
3. La luz roja, sin importar su intensidad, no causa
eyección de electrones
4. La luz ultravioleta débil eyecta unos cuantos
electrones, pero su energía cinética máxima es
mayor que los obtenidos usando luz muy intensa
de longitudes de onda mayores
La teoría cuántica de la luz explica
perfectamente el efecto foto eléctrico
Millikan (detractor de la idea)
lo prueba contundentemente
entre 1914 y 1916
•La reflexión. Las dos teorías
•La refracción. Las dos teorías
•La doble refracción. Las dos teorías
•La interferencia. Sólo la ondulatoria
•La difracción. Sólo la ondulatoria
•La luz es una onda electromagnética
•El cuerpo negro. Sólo la corpuscular
•Efecto fotoeléctrico. Sólo la corpuscular
Aceptación universal del cuanto (Fotón) de luz
•La reflexión. Las dos teorías
•La refracción. Las dos teorías
•La doble refracción. Las dos teorías
•La interferencia. Sólo la ondulatoria
•La difracción. Sólo la ondulatoria
•El cuerpo negro. Sólo la corpuscular
•Efecto fotoeléctrico. Sólo la corpuscular
•Efecto Compton. Sólo la corpuscular
•La radiación del cuerpo negro
•El efecto fotoeléctrico
•La teoría cuántica de la luz
•La cuantización de la energía
• La luz es onda y partícula
• En unos fenómenos se manifiesta
como onda y en otros como
partículas. “Ella decide”
• En la propagación se comporta como
onda
• En la interacción con la materia se
comporta como partícula
“En cierto sentido”.
Que locura
Cerca del final de su vida Einstein
escribió: Cincuentas años completos
de cavilaciones profundas no me han
acercado más a la respuesta a la
pregunta: ¿Qué son los cuantos de
luz? Desde luego, hoy cualquier
granuja piensa que conoce la
respuesta, pero se engaña.
Si sabemos por donde pasó el fotón,
se destruye el patrón de interferencia
Si sabemos por donde pasó el fotón,
pero luego "borramos" esa información,
se produce el patron de interferencia.
Si después de que el fotón pasó por la doble
rendija elegimos "saber" por cual pasó, se
destruye el patrón de interferencia.
Si en un haz de muchos fotones, de unos sabemos
por cual rendija pasaron y de otros no, entonces
los primeros no interfieren y los segundos sí.
Si después de que el fotón pasó por la doble
rendija elegimos "saber" por cual pasó,
y además luego "borramos" esa información,
hay interferencia
Cerca del final de su vida Einstein
escribió: Cincuentas años completos
de cavilaciones profundas no me han
acercado más a la respuesta a la
pregunta: ¿Qué son los cuantos de
luz? Desde luego, hoy cualquier
granuja piensa que conoce la
respuesta, pero se engaña.
I.
Introdución
II.
La carga eléctrica
III. El campo eléctrico
IV. El potencial eléctrico
V.
La ley de Gauss
VI. La capacitancia y la corriente eléctrica
VII. Los campos eléctricos en la materia
VIII. El campo magnético
IX. Los campos magnéticos en la materia
X.
La ley de Ampere
XI. La inducción y la inductancia
XII. Las ecuaciones de Maxwell
XIII. Las ondas electromagnéticas
I. Introducción (6 horas)
II. La carga eléctrica (6 horas, 12 horas)
1. Propiedades de la carga eléctrica
2. Conductor y aislante
3. Ley de Coulomb
4. El principio de superposición
III. El campo eléctrico (4 horas, 16 horas)
1. Campo eléctrico y líneas de campo eléctrico
2. Campo eléctrico de diferentes distribuciones de carga
3. Carga puntual y dipolo eléctrico en presencia de un campo eléctrico
IV. El potencial eléctrico (5 horas, 21 horas)
1. Energía potencial eléctrica
2. Potencial eléctrico
3. Superficies equipotenciales
4. Relación entre potencial y campo eléctrico
5. Potencial de diferentes distribuciones de carga
1. Propiedades de la carga eléctrica
2. Conductor y aislante
3. Ley de Coulomb
4. El principio de superposición
La carga eléctrica es una propiedad
intrinseca de la materia (del mismo
tipo que la masa).
Esta propiedad causa que la materia
sienta una fuerza cuando está en
presencia de más materia que también
tiene esta propiedad.
La carga eléctrica es una propiedad intrinseca
de la materia (del mismo tipo que la masa).
Esta propiedad causa que la materia sienta una
fuerza cuando está en presencia de más materia
que también tiene esta propiedad.
Hay dos tipos de carga eléctrica, a los
que arbitrariamente se les ha llamado
como positiva y negativa.
• Hay dos tipos de carga eléctrica.
Cargas “positivas” + y cargas “negativas” –
• Las cargas del mismo signo se repelen.
Las cargas de signos opuestos se atraen.
¡Así es!
• La carga eléctrica se conserva
• La carga eléctrica está cuantizada
 En el sistema SI de unidades, la unidad de carga
eléctrica es el COULOMBIO C.
 Es una unidad derivada.
 Se define como la cantidad de carga que pasa
por segundo en un conductor con una corriente
de un Amperio.
 Es el exceso de carga en el lado positivo de un
condensador con una capacitancia de 1 Faradio
sometido a una diferencia de potencial de 1 Voltio.
 En el sistema gaussiano de unidades, la unidad
de carga eléctrica es el STATCOULOMBIO C.
 Es una unidad derivada.
 1 statC  1 g1/2cm 3/2s 1  1 erg1/2 cm1/2 .
 1 C  2997924580statC  3.00 10 statC
9
 1 statC   3.33564 10
10
C
q
cargas puntuales (dimensión 0)
 (r ) densidad volumétrica de carga. Unidades: carga/volumen
 (r ) densidad superficial de carga. Unidades: carga/area
 (r ) densidad lineal de carga. Unidades: carga/longitud
Q

Volumen
 (r ) dV 

Superficie
 (r ) dS 

Línea
 (r ) dl
La manera más general de representar matemáticamente
una distribución de carga eléctrica es mediante la
distribución volumétrica de carga:
 (r ) densidad volumétrica de carga.
Unidades: carga/m3
Carga total:
Q

 (r ) dV
Volumen
 (r ) es una función vectorial de R3 en R
 ( r ) : R3  R