Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Principios básicos teóricos «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 1 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo “Magnetismo y electricidad son de la misma naturaleza” PARTE I MANIFESTACIONES ELÉCTRICAS I. ELECTRICIDAD La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Ejemplos de manifestación o presencia de electricidad: En la naturaleza por ejemplo, la transferencia de energía entre la ionósfera y la superficie terrestre, de cuyo fenómeno complejo los rayos son sólo una parte. En la fisiología del sistema nervioso, en la transmisión de los impulsos nerviosos. (intervención de los iones de sodio: Na+ y potasio: K+). En este caso es necesario mencionar la bomba de sodio – potasio, que bombea iones de sodio hacia afuera e iones de K+ hacia el interior celular. Las fuerzas que actúan sobre los iones K+ son las responsables del potencial eléctrico de la membrana en reposo (potencial de reposo). Debido al gradiente de concentración, los iones K+ tienden a desplazarse hacia afuera de la célula. En la utilización de artefactos eléctricos requiere de electricidad. En la generación de ondas para transmitir señales de radio, televisión, telefonía celular, se necesita de electricidad. La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas. La electricidad está relacionada con los fenómenos eléctricos, lo que implica la presencia de electrones. 1.1. ELECTRÓN. El electrón (griego ελεκτρον, ámbar), comúnmente representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica o partícula elemental de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones. El electrón fue descubierto por fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica en la mayoría de los metales. La masa y la carga del electrón en comparación a las demás partículas subatómicas se muestran en el siguiente cuadro: PARTÍCULA SÍMBOLO Protón Electrón P+ e- Neutrón nº CARGA Absoluta Relativa -19 + 1,6022x10 C +1 - 1,6022x10-19 C -1 0 «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 0 MASA(gramos) 1,672 x10 -24 9,1095 x10 -28 1,675 x10 2 -24 Tiempo de vida Infinito Infinito 1000 segundos Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo 1.2. ELECTRIZACIÓN DE CUERPOS. Un cuerpo adquiere carga eléctrica negativa o positiva por perder o ganar electrones. Si un cuerpo adquiere carga negativa es porque sus átomos han ganado electrones de otros cuerpos, por lo que posee más electrones que protones. Si un cuerpo adquiere carga positiva es porque sus átomos han perdido electrones de otros cuerpos, por lo que posee más protones que electrones. La electrización en forma general puede ser de las siguientes clases: A. Electrización por frotamiento. Es cuando a un cuerpo se frota con otro, por ejemplo, las barras de vidrio o de plástico se electrizan al frotarlas, respectivamente con seda o con lana. Al realizar dicho frotamiento, la barra de plástico gana electrones de la lana, y la barra de vidrio cede electrones a la ceda. B. Electrización por contacto. Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga; es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva. Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos. C. Electrización por inducción. Cuando un cuerpo cargado se aproxima a otro, (preferentemente conductor) que no está cargado, este cuerpo se polariza; es decir, una de sus partes se carga positivamente y la otra parte negativamente. 1.3. CLASES DE CUERPOS DE ACUERDO A COMPORTAMIENTO CON LA ELECTRICIDAD. SU A) Aislantes. Son todos los materiales que no conducen electricidad. Por ejemplo, la Cerámica, el vidrio, el plástico, la goma, el papel seco, el aire, etc. B) Semiconductores. Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 3 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Elemento Grupo Electrones en la última capa Cd II B 2 e- Al, Ga, B, In III A 3 e- Si, Ge IV A 4 e- P, As, Sb VA 5 e- Se, Te, (S) VI A 6 e- Los semiconductores más utilizados son el silicio y el germanio, que se utilizan en la fabricación de diodos. Para mejorar la conductividad del silicio y de los demás semiconductores se aplica un proceso de dopado. El dopaje del silicio consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores. Clases de semiconductores. Semiconductores intrínsecos. Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta más o menos como un aislante, ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos producidos por excitación térmica. Semiconductores extrínsecos. Un semiconductor extrínseco es aquel en el que se han introducido pequeñas cantidades de una impureza con el objeto de aumentar la conductividad eléctrica del material a la temperatura ambiente. Los semiconductores extrínsecos pueden ser tipo N y tipo P. Semiconductor tipo n Es el semiconductor que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios". Semiconductor tipo p. Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 4 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo C) Conductores. Materiales a través de los cuales la corriente eléctrica facilidad. fluye con relativa Los conductores pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Los conductores sólidos, son todos los metales, a excepción del mercurio que se encuentra en estado líquido, se caracterizan por tener energía de ionización baja, los que les permite reaccionar con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes. Por ejemplo, los metales como plata, cobre, oro y aluminio se cuentan entre los mejores conductores. De toda la lista de conductores el cobre es un excelente conductor de las señales eléctricas y soporta los problemas de corrosión causados por la exposición a la intemperie, por eso se usa para los cables. También el aluminio es un buen conductor. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta (a temperatura ordinaria) la plata. Los conductores líquidos. Por ejemplo el agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad. Algunos otros líquidos pueden tener falta o exceso de electrones que se desplacen en el medio. Son iones, que pueden ser cationes, (+) o aniones (−). Los conductores gaseosos. En los gases la condición que implica el paso de una corriente eléctrica, se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor. Por ejemplo, Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados). D) Superconductores. Un superconductor es un material que no opone resistencia al flujo de corriente eléctrica por él. La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica. Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. Materiales que al ser enfriados bajo una temperatura crítica (desde unos pocos grados Kelvin hasta unos cientos de grados Kelvin en superconductores de temperatura ambiente) se transforman en conductores perfectos. Son usados para generar campos magnéticos muy grandes, en aplicaciones como máquinas médicas de resonancia magnética, motores y trenes de levitación magnética. Las clases de superconductores son: De acuerdo a su comportamiento físico. Superconductores de tipo I: son los que tienen un único campo magnético crítico y pasan bruscamente del estado superconductor al normal. Superconductores de tipo II: son aquellos en los que se pueden considerar dos campos magnéticos críticos. De acuerdo a su temperatura crítica. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 5 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Superconductores de baja temperatura: son a aquellos cuya temperatura crítica está por debajo de los 77 grados Kelvin Superconductores de alta temperatura: son aquellos cuya temperatura crítica está por encima de los 77 grados Kelvin De acuerdo al material. Elementos puros. La mayoría de los superconductores que son elementos puros son de tipo I. Superconductores orgánicos, estructuras de carbono (concretamente fulerenos y nanotubos). Puesto que están compuestos únicamente por átomos de carbono, técnicamente se pueden considerar entre los elementos puros, pero al no ser metales se pueden poner como un grupo aparte. Es bueno indicar que el carbono puro como el diamante y el grafito nunca son superconductoras. Aleaciones, como por ejemplo El NbTi (niobio-titanio) cuya propiedad superconductora se descubrió en 1962. El AuIn (oro-indio), un superconductor descubierto en 1997. El URhGe (aleación de uranio, rodio y germanio), del cual se descubrió en 2005 que sigue siendo superconductor incluso a elevados campos magnéticos. Cerámicas entre las principales se tiene a las siguientes. El grupo YBCO, conocido por sus siglas inglesas para óxidos de itrio, bario y cobre, son toda una familia de materiales muy complejos, y los superconductores de alta temperatura más conocidos. El diboruro de magnesio (MgB2), su temperatura crítica es 39K, lo que lo convierte en el superconductor convencional de temperatura crítica más alta conocido. De acuerdo a la teoría que lo explica. Superconductores convencionales: son los que se pueden explicar mediante la teoría BCS o sus derivados (lo que significa que los pares de Cooper se forman debido a la interacción electrón-fonón). Superconductores no convencionales: son los que no se pueden explicar mediante dichas teorías (es decir, los pares de Cooper no se forman únicamente por la interacción electrón-fonón, y además intervienen procesos magnéticos que complican el problema). 1.4. CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica es un flujo de cargas a lo largo de un conductor. Por ejemplo, la corriente que circula por lo cables de corre a partir de los generadores de energía eléctrica, corresponde al movimiento de los electrones más externos. El termino corriente eléctrica, o simplemente corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que pasa por alguna región de espacio También hay autores que definen a la corriente eléctrica son los electrones que pasan a través de circuitos eléctricos. La corriente eléctrica puede ser de dos clases: 1.4.1. CORRIENTE ELÉCTRICA ALTERNA. Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. Es la corriente eléctrica que se utiliza y la que en Cajamarca por ejemplo Hidrandina abastece a la ciudad. En este «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 6 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo caso de corriente, es fácil conectar un enchufe a un tomacorriente, porque no hay necesidad de ver cuál es polo positivo o cuál es el polo negativo; ya que, la diferencia de potencial cambia de sentido “En el uso coloquial, "corriente alterna" se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas” (http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad). La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinusoidal, cuya representación se muestra en la siguiente figura, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. + 1.4.2. CORRIENTE ELÉTRICA CONTÍNUA. La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo. Es decir, en este tipo de corriente la diferencia de potencial es constante. Si vamos a la vida práctica, este tipo de corriente se puede encontrar en pilas, baterías y en las salidas del transformador que convierte la corriente alterna en corriente continua. Este tipo de corriente es fácil identificar porque los polos vienen definidos (polo positivo, polo negativo). 1.5. CIRCUITO ELÉCTRICO. “Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos o electrónicos, tales como resistencias, inductancias, condensadores, fuentes, y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas o eléctricas” «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 7 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo (http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctrico). En forma genérica se puede decir que un circuito eléctrico simple, es un dispositivo que consta de un generador o fuente de energía (ejemplo una pila, una batería, un generador eléctrico, etc.), conductores (conectados a la fuente o generador de energía) y por una resistencia (que generalmente es la parte del circuito que utilizará parte de la energía). TIPOS DE CIRCUITOS. Por el tipo de señal: De corriente continua De corriente alterna Mixtos Por el tipo de régimen: Periódico Transitorio Permanente Por el tipo de componentes: Eléctricos: Resistivos, inductivos, capacitivos y mixtos Electrónicos: digitales, analógicos y mixtos Por su configuración: Serie Paralelo CIRCUITOS ELÉCTRICO EN SERIE. El circuito serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, interruptor, entre otros.) se conectan secuencialmente. El terminal de salida de un dispositivo se conecta al terminal de entrada del dispositivo siguiente. Por ejemplo, cuando se instalan 3 focos en serie (ver dibujo), se conecta uno a continuación de otro, de tal forma que si uno de ellos no funciona, tampoco funcionan los demás. En un esquema se puede representar de la siguiente manera: Los símbolos de las resistencias en un diagrama de circuito pueden representar cualquier elemento resistivo: un resistor comercial, una bombilla luminosa, un aparato electrodoméstico, etc. La diferencia del potencial entre las dos resistencias es la suma de la diferencia de potencial da cada una y a s vez es igual a la diferencia de potencial de la pila. La resistencia «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 8 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo total equivalente está dada por la suma de cada una de las resistencias en serie presentes en el circuito. RT = R1 + R2 + R3 En cuanto al voltaje se cumple que: V =V 1+V2+V3 En resumen se puede decir que los componentes eléctricos de un circuito en serie se disponen de forma lineal. CIRCUITOS ELÉCTRICO EN PARALELO. En un circuito en serie, es cuando el voltaje a través de las resistencias es el mismo. En este tipo de circuito cada resistencia es independiente del funcionamiento de las demás; de tal forma, que si uno de ellos deja de funcionar, las otras pueden continuar funcionado. La característica importante de los circuitos en paralelo, es que los elementos que se conectan están al mismo potencial y la corriente que cada uno toma de la fuente depende de la resistencia interna del aparato. La resistencia está dada por la siguiente expresión. En un circuito paralelo, el valor de voltaje es el mismo para la resistencia y para la bobina. V = V1 = V2 = V3 1.6. ASPECTOS RELACIONADOS CON LA ELETRICIDAD. 1.6.1. LEY DE COULOMB En 1785, Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias. Los experimentos muestran que la fuerza eléctrica tiene las siguientes propiedades: a) La fuerza es inversamente proporcional al inverso del cuadrado de a distancia de separación (r) entre dos partículas, medida a lo largo de la línea recta que los une. b) La fuerza es proporcional al producto de las cargas q1 y q2 de las partículas. c) La fuerza atractiva si las cargas son de signos opuestos, y repulsiva si las cargas son del mismo signo. Considerando lo anteriormente dicho, la fuerza eléctrica entre dos cuerpos se puede expresar como: | || | Ley de Coulomb Donde: k = constante de coulomb (8,9875 X 109 N.m 2/C2 ó 8,9875 109 N.m2/C2 9,0 109 N.m2/C2 equivalente a: La constante k también se puede escribir como: «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 9 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Donde la 1 4 se conoce como la permitividad del espacio libre y tiene un valor de: 8, 8542 10 . . La unidad más pequeña de carga conocida en la naturaleza es la que tiene un electrón o un protón. La carga de un electrón o de un protón tiene una magnitud de: | | 1,60219 10 Por lo que se puede deducir que, 1C de carga es igual a la carga de 6,3 x 10 18 electrones. 1.6.2. LEY DE OHM Georg Ohm (1789 -1851), alemán que investigó la relación entre la corriente y voltaje. La Ley de Ohm establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación: Donde: I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) R = Resistencia en ohmios (Ω). Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la resistencia del conductor varía con la temperatura, y la temperatura del conductor depende de la intensidad de corriente y el tiempo que esté circulando. 1.6.3. Georg Simon Ohm (17891854) Fue un físico y matemático alemán que aportó a la teoría de la electricidad la Ley de Ohm, conocido principalmente por su investigación sobre las corrientes eléctricas. Estudió la relación que existe entre la intensidad de una corriente eléctrica, su fuerza electromotriz y la resistencia. También se interesó por la acústica, la polarización de las pilas y las interferencias luminosas. La unidad de resistencia eléctrica, el ohmio, recibe este nombre en su honor. Terminó ocupando el puesto de conservador del gabinete físico de la "Bayerische Akademie" CAMPO ELÉCTRICO El campo eléctrico es el modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Matemáticamente se lo describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor "q" sufrirá los efectos de una fuerza mecánica "F". Siendo más preciso, se puede decir lo siguiente: “El vector campo eléctrico E es un punto en el espacio definido como la fuerza eléctrica F que actúa sobre una carga de prueba positiva colocada en ese punto y dividida por la magnitud de la carga de prueba q o. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 10 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Para explicar mejor se puede decir que el campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático. II. MAGNETISMO. El magnetismo es un fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Oersted Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. También el magnetismo tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagnética, como, por ejemplo, la luz. El fenómeno del magnetismo era ya conocido en Grecia clásica, aunque su estudio en términos físicos no ha sido llevado hasta en estos últimos tiempos. Fue Oersted quien evidenció en 1820 por primera vez que una corriente genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas al movimiento de los electrones que contienen los átomos; cada una de ellas origina un microscópico imán. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; y en cambio, si todos los imanes se alinean, actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado Cuando se habla de magnetismo, involucra el concepto de IMÁN. Uno de las principales características de los imanes, es su alta capacidad de atraer al hierro. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 11 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo 2.1. Área de Ciencia Tecnología y Ambiente UN POCO DE HISTORIA. El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La piedra imán o magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro, ya era conocida por los griegos, los romanos y los chinos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. Los imanes así producidos están ‘polarizados’, es decir, cada uno de ellos tiene dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales se repelen, y los polos opuestos se atraen. La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de navegación alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron en casi 300 años, hasta que el físico y médico británico William Gilbert publicó su libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios conceptos incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época. Posteriormente, en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó para estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó posteriormente la observación de Michell con una gran precisión. 2.2. TIPOS DE MAGNETISMO. Hay un tipo de materiales que cuando se someten a un campo, los dipolos se orientan produciendo campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado, esto se conoce como DIAMAGNÉTISMO. En los PARAMAGNÉTICOS, los momentos dipolares se orientan en dirección al campo, y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar de aplicar el campo magnético. Los materiales FERROMAGNÉTICOS se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso magnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causa de este magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estos elementos. Los materiales FERRIMAGNÉTICOS son cerámicos y su magnetización es significativa pero menor que en los ferromagnéticos, sus conductividades son bajas, lo que hace que sean aplicables en electrónica. La magnetización en los ferromagnéticos se debe a la curva de histéresis (La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado). Una vez producida la magnetización se intenta eliminar el campo magnético, pero para valor de campo magnético cero el material sigue magnetizado, y para poder desmagnetizarlo es necesaria la aplicación de un campo negativo o fuerza coercitiva. Las curvas de histéresis varían a medida que varía la temperatura, a medida que aumenta la temperatura la magnetización disminuye, hasta llegar a la temperatura de Curie. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 12 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente (temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como un material puramente paramagnético), en la que el material deja de comportarse como ferromagnético y pasa a comportarse como paramagnético. Los materiales ferromagnéticos llegan a un momento en que aunque se siga aplicando el campo magnético no se magnetizan más y alcanza la inducción de saturación, y una vez retirado el campo no pierde toda la magnetización sino que la guarda en lo que se conoce como inducción remanente. El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo. 2.3. TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS. criterios. Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos —que los divide en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos — se basa en la reacción del material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura cíclica que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad. El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas individuales que componen el material. Esto produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los materiales paramagnéticos suelen contener elementos de transición o lantánidos con electrones desapareados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una dependencia de la temperatura:la intensidad del momento magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético. Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento magnético incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la sustancia magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas ‘dominios’; en cada dominio, los momentos magnéticos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios diferentes no apuntan necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo en un campo magnético, que alinea los momentos de todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los dominios desde el estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como ‘histéresis’. Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por encima de una temperatura conocida como «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 13 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente punto de Curie, llamada así en honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C). 2.4. IMÁN. Un imán (del francés aimant) es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético significativo, de forma que tiende a alinearse con otros imanes (por ejemplo, con el campo magnético terrestre). Se llama campo magnético de un imán a la región de espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnéticas producidas por el imán. CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE Artículo tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico_terrestreEl campo magnético terrestre presente en la Tierra no es equivalente a un dipolo magnético con el polo S magnético próximo al Polo Norte geográfico, y, con el polo N de campo magnético cerca del Polo Sur geográfico, sino más bien presenta otro tipo especial de magnetismo. Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y esta presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol. Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas. Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos. El Polo Norte Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética. La declinación magnética depende del lugar de observación, por ejemplo actualmente en Madrid (España) es aproximadamente 3º oeste. El polo Norte magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el norte de Alaska. El campo magnético de la Tierra varía en el curso de las eras geológicas, es lo que se denomina variación secular. Según se ha comprobado por análisis de los estratos al considerar «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 14 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente que los átomos de hierro contenidos tienden a alinearse con el campo magnético terrestre. La dirección del campo magnético queda registrada en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas y el ligero magnetismo resultante se puede medir. Midiendo el magnetismo de rocas situadas en estratos formados en periodos geológicos distintos se elaboraron mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Estos mapas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse. Durante los últimos cinco millones de años se han efectuado más de veinte inversiones, la más reciente hace 700.000 años. Otras inversiones ocurrieron hace 870.000 y 950.000 años. El estudio de los sedimentos del fondo del océano indica que el campo estuvo prácticamente inactivo durante 10 o 20 mil años, hace poco más de un millón de años. No se puede predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la secuencia no es regular. Ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la intensidad del campo magnético en los últimos 100 años. En la Anomalía del Atlántico Sur, la fuerza del campo magnético está disminuyendo diez veces más rápido que en otros lugares. Magnetismo planetario El magnetismo es un fenómeno extendido a todos los átomos con desequilibrio magnético. La agrupación de dichos átomos produce los fenómenos magnéticos perceptibles, y los cuerpos estelares, los planetas entre ellos, son propicios a tener las condiciones para que se desarrolle un campo magnético de una cierta intensidad. En el interior de los planetas, la acumulación de materiales ferro magnéticos (como hierro) y su movimiento diferencial relativo respecto a otras capas del cuerpo inducen un campo magnético de intensidad dependiente de las condiciones de formación del planeta. En el mismo siempre se distinguen los dos polos, equivalentes a los de un imán normal. En el caso de la Tierra, la zona en la que se mueve está influenciada por el campo magnético solar, pero el propio campo magnético terrestre crea como una burbuja, la magnetosfera terrestre, dentro del anterior. Dicha burbuja tiene una capa límite entre su influencia y la solar (magnetopausa) que es aproximadamente esférica hacia el Sol, y alargada hacia el sistema solar externo, acercándose a la superficie terrestre en los polos magnéticos terrestres. La interacción en constante evolución entre ambos campos magnéticos y las partículas cargadas provenientes del Sol produce fenómenos como las auroras (boreales o australes) y la interferencia en las comunicaciones por ondas electromagnéticas, así como alteraciones en los satélites artificiales en órbita. Reversión Geomagnética Una reversión geomagnética es un cambio en la orientación del campo magnético terrestre tal que las posiciones del polo norte y sur magnético se intercambian. Estos eventos, los cuales se cree duran de cientos a miles de años a menudo implican un descenso prolongado de la fuerza del campo magnético seguida por una recuperación rápida después de que la nueva orientación se ha establecido. Magnetorrecepción Magnetorrecepción es la capacidad que tienen algunos animales de detectar la dirección y sentido del campo magnético en el que se encuentran. Los primeros animales en los que se descubrió este sentido fueron las palomas mensajeras, para las cuales es un importante (pero no el único) medio de orientación. Se descubrió luego que también lo tienen otras aves, algunas tortugas e insectos como las abejas, hongos y hasta ciertas bacterias. Los seres humanos tienen depósitos de materiales magnéticos en el hueso etmoides de la nariz, y hay indicios de cierta capacidad de magnetorrecepción. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 15 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Tanto en las palomas como en las bacterias el sensor consiste en un cristales de magnetita conectados con otros orgánulos transductores todavía no bien comprendidos. Las bacterias magnetotáticas y los hongos contienen organos llamados magnetosomas. En las abejas, la magnetita está embutida en la membrana celular de ciertos grupos de neuronas y se cree que cuando se reorienta siguiendo al campo magnético terrestre induce corrientes que modifican la polarización celular. 2.5. CLASES DE IMANES. Los imanes pueden ser naturales o artificiales. Los imanes pueden ser: naturales o artificiales, o bien, permanentes o temporales. Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas. Un imán artificial es un cuerpo de material ferro magnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo Un imán permanente está fabricado en acero imanado Un imán temporal, pierde sus propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo. Un electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espiral) por la cual circula corriente eléctrica. 2.6. APLICACIONES En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando ‘dominios burbuja’. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos. Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas. 2.7. RELACIÓN ENTRE EL MAGNETISMO Y LA ELECTRICIDAD. Uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia. «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 16 Alcides Mendoza Coba – DALHY Área de Ciencia Tecnología y Ambiente Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo PARTE II III. FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA 3.1. INTERACCIÓN DE FUERZAS EN EL UNIVERSO Establecemos como hipótesis que las fuerzas que actúan sobre un punto material dependerán generalmente de la posición de la partícula, su velocidad y el tiempo. ¿Cuántas clases de fuerzas hay? Se cree que todas las fuerzas son expresiones de cuatro clases de fuerzas o interacciones fundamentales entre las partículas que se encuentran formando la materia y a la vez son las responsables de la estructura, dinamismo y evolución del universo tal y como lo conocemos, motivo más que suficiente para que sean conocidas como Fuerzas Fundamentales. Dos de ellas las conocemos por experiencia cotidiana; las otras dos implican interacción entre partículas subatómicas (interacción fuerte e interacción débil) que podemos observar directamente con nuestros sentidos (gravitacionales y electromagnéticos). Las fuerzas actúan también el mundo atómico y subatómico, por ejemplo las fuerzas atómicas dentro del átomo son las que se encargan de mantener unidos sus constituyentes y las fuerzas nucleares actúan sobre diferentes partes del núcleo para evitar que éstas se separen. Son cuatro fuerzas fundamentales el objetivo de estudio y de este modo estar más familiarizados acerca de la estructura de nuestro universo por lo que a continuación estudiaremos a cada una de ellas. ESTO NO ES POSIBLE REALIZARLO DEBIDO A LA FUERZA DE LA GRAVEDAD «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 17 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo 3.2. Área de Ciencia Tecnología y Ambiente FUERZAS FUNDAMENTALES Se suele hacer mención a cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza gravitacional, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Gravitacional Macrocosmos Electromagnética Nuclear fuerte Microcosmos Nuclear débil Universo B. FUERZA GRAVITATORIA Es una fuerza mutuamente atractiva que actúa entre todas las masas tal y como se menciona en la Ley de Gravitación Universal de Newton. F La fuerza gravitatoria es la responsable del giro de todos los planetas alrededor del sol, de que los cuerpos caigan al suelo, del movimiento de las galaxias y otros. Cabe mencionar que Newton descubrió que la fuerza de gravedad obedece a una ley. La fuerza gravitacional entre dos cuerpos es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Matemáticamente se denota: F G m1 m2 d2 Donde: F = Fuerza gravitacional «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 18 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente m1m2 = masas de los cuerpos d = distancia G = Constante (llamada constante gravitacional de Newton, cuyo valor determina la intensidad de la interacción gravitacional). Después de calibrar la balanza de Cavendish (*) mejoraron las condiciones para medir las fuerzas gravitatorias y así determinar el valor de G. El valor hoy en día aceptado (en unidades del SI) es: G = 6,67259 (85) X 10 -11 N.m2/Kg2 ( Sears & Zemansky. Física Universitaria. Novena edición. T1. Pag. 360) Las fue00000000rzas gravitatorias se combinan vectorialmente. Si cada una de dos masas ejerce una fuerza sobre una tercera, la fuerza total sobre esta es la resultante de las fuerzas individuales de las dos primeras. Quizás el aspecto sobresaliente de la fuerza gravitatoria de un cuerpo sobre otro es que actúa a distancia, sin contacto directo sobre los cuerpos. La magnitud de las fuerzas gravitacionales resulta ser significativa en objetos microscópicos, sin embargo son las más débiles de las cuatro fuerzas fundamentales. (*) Balanza de torsión, dispositivo que mide fuerzas eléctricas, magnéticas o gravitatorias muy pequeñas a partir del ángulo que forma un brazo al girar, antes de que la resistencia ejercida por la fuerza de torsión detenga su movimiento. Fue diseñada originalmente por el geólogo británico John Michell, y mejorada por el químico y físico de la misma nacionalidad Henry Cavendish. El instrumento fue inventado de forma independiente por el físico francés Charles de Coulomb, que lo empleó para medir la atracción eléctrica y magnética.+ C. FUERZA ELECTROMAGNÉTICA. Incluye las fuerzas eléctricas y magnéticas. Sigue en intensidad a la fuerza nuclear fuerte y es aproximadamente 100 veces menor que ella, su magnitud es trillones de veces mayor que la fuerza gravitacional. La fuerza electromagnética es una atracción o repulsión entre dos «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 19 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente partículas cargadas que pueden estar en movimiento relativo. Es la responsable que los átomos, moléculas y materia en general permanezcan unidos. La fuerza electromagnética actúa sobre las partículas que tienen carga eléctrica y puede ser atractiva o repulsiva, según el signo de las cargas. Por eso otra forma de definir la fuerza electromagnética es indicando que “afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria y su alcance es infinito” La fuerza electromagnética es fundamental en varios procesos de nuestro mundo cotidiano, responsable de las reacciones químicas. Las fuerzas magnéticas ocurren en interacciones entre imanes y un trozo de hierro. Podría parecer una categoría aparte, pero en realidad son causadas por cargas eléctricas en movimiento. Es importante mencionar que en esencia todas las fuerzas en nuestro mundo macroscópico (aparte de la gravitacional) cuando se analiza de cerca son manifestaciones de las fuerzas electromagnéticas, como ejemplo se puede mencionar la fuerza de fricción, las de contacto y las de tensión, así como las que se presentan en resortes extendidos y otros cuerpos deformados, son en sí la consecuencia de fuerzas electromagnéticas entre partículas cargadas muy próximas entre sí. D. FUERZA NUCLEAR FUERTE. Es la fuerza que representa el “pegamento” que mantiene unido los constituyentes nucleares, llamados nucleones. También se denomina fuerza nuclear. Tiene un alcance mucho menor que las interacciones eléctricas, pero dentro de ese rango es mucho más fuerte. Esta interacción también es también la que causa la creación de partículas inestables, en el choque de partículas de elevada energía. Los protones del núcleo del átomo, debido a su carga eléctrica, se separarían si no tuvieran ligados en sí por la fuerza notablemente elevada. La fuerza nuclear sólo se manifiesta en una distancia comparable con el tamaño de un núcleo atómico. Un protón es atraído por las partículas en un núcleo atómico sólo si se encuentra a una distancia de unos diez «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 20 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente billonésimos de centímetro; si está un poco más lejos, sólo resentirá la repulsión eléctrica del núcleo. En cambio, un protón en el núcleo es atraído por los otros protones y neutrones por la fuerza nuclear, cuya intensidad es unas 1 000 veces mayor que la fuerza de repulsión electromagnética. La fuerza de interacción fuerte es la más intensa de las fuerzas fundamentales, pero tienen muy corto alcance (10 -15 m aproximadamente), motivo por el cual su acción de esta fuerza no se aprecia fuera del núcleo. La fuerza nuclear fuerte es una o dos ordenes de magnitud que la fuerza electromagnética.. Sin embargo, la fuerza nuclear disminuye muy rápido con el aumento en la separación y es despreciable para separaciones mayores, aproximadamente 10- 14 m. E. FUERZA NUCLEAR DÉBIL Fuerza nuclear débil es una fuerza nuclear de corto alcance que tiende a producir inestabilidad en ciertos núcleos. La mayor parte de reacciones de decaimiento radiactivo son causadas por ésta fuerza que es casi 12 órdenes de magnitud más débil que la fuerza electromagnética. Esta fuerza no cumple un papel directo en el comportamiento de la materia ordinaria. Actúa sobre las partículas elementales denominadas leptones como los electrones o los neutrinos; es responsable en las interacciones en la mayoría de las partículas elementales. Esta interacción causa una forma común de radiactividad llamada decaimiento beta, en donde un neutrón de un núcleo radiactivo se transforma en un protón, expulsando un electrón y una partícula casi sin masa llamada antineutrino. La interacción entre antineutrino y la materia ordinaria es tan débil, que un antineutrino podría pasar fácilmente una pared de plomo de un millón de kilómetros de espesor. 3.3. NACIMIENTO DE LAS FUERZAS FUNDAMENTALES Un segundo después del Big Bang ya habían surgido cuatro fuerzas que aún gobiernan el Universo. Estas fuerzas son la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones nucleares débil y fuerte. El Universo empezó en un estado de densidad y temperatura inconcebiblemente elevadas, y es muy probable que 21 Alcides Mendoza Coba – DALHY «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente entonces existiera una única fuerza. A medida que el Universo se expandía y enfriaba, esa fuerza dio lugar a la gravedad, que afecta a todas las partículas, y a una ‘gran fuerza unificada’. Después de la era inflacionaria, en la que el Universo multiplicó repetidamente su tamaño a un ritmo fabuloso, la gran fuerza unificada originó la interacción nuclear fuerte que conocemos actualmente, y que es la responsable de mantener unidos los núcleos atómicos, y la fuerza electrodébil, una combinación de electromagnetismo e interacción nuclear débil. Cuando el Universo tenía aproximadamente 10-8 s (una cienmillonésima de segundo) de antigüedad, la fuerza electrodébil se dividió en la interacción nuclear débil, que rige la radiactividad, y el electromagnetismo. En la actualidad, los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales, aparentemente diferentes, son manifestaciones, en circunstancias distintas, de un modo único de interacción. El término "teoría del campo unificado" engloba a las nuevas teorías en las que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales aparecen como si fueran básicamente idénticas. La teoría de la gran unificación intenta unir en un único marco teórico las interacciones nucleares fuertes y nucleares débiles, y la fuerza electromagnética. Esta teoría de campo unificado se halla todavía en proceso de ser comprobada. La teoría del todo es otra teoría de campo unificado que pretende proporcionar una descripción unificada de las cuatro fuerzas fundamentales. Hoy, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la teoría de supercuerdas. Esta teoría física considera los componentes fundamentales de la materia no como puntos matemáticos, sino como entidades unidimensionales llamadas "cuerdas". Incorpora la teoría matemática de supersimetría, que sugiere que todos los tipos de partícula conocidos deben tener una "compañera supersimétrica" todavía no descubierta. Esto no significa que exista una compañera para cada partícula individual (por ejemplo, para cada electrón), sino un tipo de partícula asociado a cada tipo conocido de partícula. La partícula hipotética correspondiente al electrón sería el selectrón, por ejemplo, y la correspondiente al fotón sería el fotino. Esta combinación de la teoría de cuerdas y la supersimetría es el origen del nombre de "supercuerdas". ¿POR QUÉ EXPERIMENTAMOS SÓLO LA FUERZA GRAVITACIONAL? Considerando que de las cuatro fuerzas fundamentales dos fuerzas suceden a nivel microscópico, por no decir a nivel atómico ( Nuclear débil y Nuclear fuerte), las otras dos suceden a nivel macroscópico (Gravitación y electromagnética). Pero nosotros sólo experimentamos la fuerza gravitacional porque esta implica la atracción entre dos cuerpos que poseen masa, en este caso el ser humano y el planeta tierra, la cual por tener mayor masa atrae al ser humano y lo mantiene adherido a la superficie. En el caso de la fuerza «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 22 Alcides Mendoza Coba – DALHY Principios Básicos Teóricos de Electricidad y Magnetismo Área de Ciencia Tecnología y Ambiente electromagnética no se lo experimenta porque esta se da entre dos cuerpos cargados eléctricamente. BIBLIOGRAFÍA ALONSO, Marcelo - FINN, Edward. Física 1 Mecánica. Fondo Editorial ineramericana. 1970 Halliday D., Resnick R., Krane K. S., Física Volumen 2 Microsof Ecarta 2005 SEARS & SEMANSKY. Física Universitaria. 1. Novena edición.México 1998 (Páginas consultadas 145, 146, 358,359,360,361) SERWAY, Raymond. Física T I- Cuarta edición. Edit Mc Graw Hill. México 1997 (Páginas consultadas 161-163) WILSON, Jerry D. Física. Edit. Prentice Hall Hispanoamericana. S.A.Segunda WWW. Wikipedia.com «Depende del empeño para la cosecha... siembra y cultiva con amor, fe y perseverancia; si dejas para mañana, pueda que la semilla ya no germine o los frutos no sean de calidad». (Dalhy) 23 Alcides Mendoza Coba – DALHY