Análisis de fenómenos eléctricos, electromagnéticos y ópticos Prof. Hugo D. Esparza C.

Átomo

• 1. Unidad más pequeña de la materia• 2. Todo está compuesto por átomos.• 3. Contiene:• Núcleo: protones (p+) y neutrones (+/- o n). • 4. Existen 7 niveles de energía u orbitales donde

pueden situarse los electrones para girar alrededor del núcleo, numerados del 1, el más interno o más cercano al núcleo (el que tiene menor nivel de energía), al 7, el más externo o más alejado del núcleo (el que tiene mayor nivel de energía).

• 5. Estos niveles de energía corresponden al número cuántico principal (n) y además de numerarlos de 1 a 7, también se usan letras para denominarlos, partiendo con la K. Así: K =1=2e-, L = 2=8e-, M = 3=18e-, N = 4=32e-, O = 5=32e-, P = 6=18e-, Q = 7=8e-.

• 6. No son esféricos sino nubes.• 7. Un átomo neutro tiene la misma cantidad de

electrones y de protones.

PARTICULA SIMBOLO DESCUBRIDOR

AÑO CARGA MASA MAGNITUD

Electrón e- Joseph John Thomson

1897 Negativa 9.11x10-28g -1.602x10-19C

Protón P+ Ernest Rutherford

1919 positiva 1.672x10-27kg +1.602x10-19C

Neutrón n o +/- James Chadwick

1932 neutro 1.674x10-27 0

• Energía: Capacidad que posee un cuerpo para realizar un trabajo. Hay varios tipos de energía: E. eólica (aire), E. calorífica, E. potencial, E. cinética, E. química, E. magnética, E. potencial, E. hidráulica, etc.

1. Energía Endotérmica: Absorbe energía, ejm: fotosíntesis

2. Energía Exotérmica: desprende energía, ejm explosión nitroglicerina

• Distribuciones electrónicas:

• A. Modelo orbital basado en:

• 1. Dualidad onda-corpusculo de Louis Broglie (1924): postula que el electron y toda particula material en movimiento tienen un comportamiento ondulatorio.

• 2. Principio de incertidumbre de Heinsenberg (1927): es imposible determinar simultaneamente y con exactitud la posición y velocidad del electrón.

• B. Configuración electrónica: es la manera en que están distribuidos los electrónes entre los distintos orbitales atómicos.

• A su vez, cada nivel de energía o capa tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f. Ejm: Ca (no.atomico=20)1s2  2s2    2p6    3s2    3p6    4s2    

MAGNITUDES FISICAS Y SUS UNIDADES• Son siete las magnitudes fundamentales con sus

respectivas unidades, a las cuales se añaden dos magnitudes complementarias con sus unidades:

• Magnitudes fundamentales Nombre SímboloLongitud metro mMasa kilogramo KgTiempo segundo sIntensidad de corriente eléctrica amperio ATemperatura absoluta kelvin KIntensidad luminosa candela cdCantidad de materia mol mol

     Magnitudes complementarias Nombre  

Ángulo plano radián  Ángulo sólido estereorradián

• Otras magnitudes y sus unidades son derivadas de las anteriores nueve:

Magnitud derivada Nombre Símbolo Expresión en unidades básicas

Frecuencia hertz Hz s-1

Fuerza newton N m·kg·s-2

Presión pascal Pa m-1·kg·s-2

Energía joule J m2·kg·s-2

Potencia watt W m2·kg·s-3

carga eléctrica coulomb C s·A

Potencial eléctrico volt V m2·kg·s-3·A-1

Resistencia eléctrica ohm W m2·kg·s-3·A-2

Capacidad eléctrica farad F m-2·kg-1·s4·A2

Flujo magnético weber Wb m2·kg·s-2·A-1

Inducción magnética tesla T kg·s-2·A1

Inductancia henry H m2·kg s-2·A-2

• Las medidas directas son aquellas que se realizan con un aparato de medida. Por ejemplo: medir una longitud con una cinta métrica o tomar la temperatura con un termómetro.

• Las medidas indirectas calculan el valor de la medida mediante una fórmula matemática, previo cálculo de las magnitudes que intervienen en la fórmula por medidas directas. Un ejemplo sería calcular el volumen del aula a partir de la medición directa de su largo, ancho y altura. 

• Error absoluto es igual a la imprecisión que acompaña a la medida. Nos da idea de la sensibilidad del aparato o de la cuidadosas que han sido las mediciones. Ejemplos:   5 Kg ± 0.3 Kg;   233 seg ± 5 seg.

• Error relativo es el cociente entre el error absoluto y nuestra medición, expresado en porcentaje. Ejemplo: Si cometemos un error absoluto de 0.2 metros en una medición de 8 metros, nuestro error relativo sería (0.2 ¸ 8) ´ 100 = 2.5% de error. Nuestra medición la expresaríamos así: 8 metros ± 2.5%.

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DE LA MATERIA• Propiedad Química:

Es cualquier propiedad en que la materia cambia de composición. Cuando se enfrenta una sustancia química a distintos reactivos o condiciones experimentales puede o no reaccionar con ellos. Las propiedades químicas se determinan por ensayos químicos y están relacionadas con la reactividad de las sustancias químicas.

Las principales propiedades químicas de la materia son:

Oxidación: Es todo proceso por el cual un átomo o ión cede electrones.

Reducción: Es todo proceso por el cual un átomo o ión gana electrones.

Combustión: Es todo proceso de oxidación rápida que se produce con desprendimiento de calor y, algunas veces, luz. 

Esterificación: Es un proceso químico que se da entre un ácido graso y un alcohol. 

Hidrólisis: Es un proceso químico que involucra la ruptura de una molécula o de un compuesto iónico por acción del agua.

Saponificación: Es una hidrólisis de un triglicérido (éster del glicerol) con una base fuerte, a través de la cual se obtiene un jabón y se recupera el glicerol.

• Propiedades Físicas:

Son observados o medidas, sin requerir ningún conocimiento de la reactividad o comportamiento químico de la sustancia, sin alteración ninguna de su composición o naturaleza química.

• La principales propiedades físicas de la materia son :

• Textura: Es la capacidad que se determina por medio del tacto donde se percibe la disposición el espacio de las partículas de un cuerpo.

• Elasticidad: Capacidad de los cuerpos para deformarse cuando se aplica una fuerza y de recuperar su forma original al quitar la fuerza aplicada.

• Dureza: Es la resistencia que pone un material al ser rayado

• Ductilidad: Es la propiedad de los materiales que se pueden hacer hilos y alambres

• Maleabilidad: Es la capacidad de los metales para ser laminas y poder hacer utensilios de cocina.

• Conductibilidad: Es la propiedad física que presentan algunas sustancias al conducir electricidad y calor

• Temperatura: Es la medida de grado de agitación térmica de las partículas de un cuerpo

• Punto de fusión

• Punto de ebullición

• Solubilidad: Es la capacidad que tienen las sustancias de disolverse.

• Fragilidad: Es la propiedad física de ciertos cuerpos de romperse sin que se deforme previamente.

NIELS BOHR• FECHA DE APORTACION: 1913 - 1915

EXPERIMENTO• Emitió radiación al átomo de Hidrógeno para

observar el comportamiento del electrón en concreto con la distancia a la que éstos se encuentran del núcleo.

• Los electrones no radian durante todo el tiempo en que describen sus órbitas; solamente cuando el electrón salta de una órbita a otra, más cercana del núcleo, lanza un cuanto de luz, un fotón.

Resumiendo:• Los distintos niveles de energía pueden concebirse

como órbitas diferentes. Bohr dedujo que cada nivel de energía en un átomo es capaz de mantener sólo un cierto número de electrones a la vez. El número máximo de electrones en cualquier nivel de energía se determina según 2n2, en donde n es igual al número del nivel de energía que esté llenando:

• (n=1) 2x12 = 2 x 1 (2 electrones como máx. En el primer nivel.

• (n=2) 2x22 = 2 x 4 (8 electrones como máx. en el segundo nivel.

Esta regla no aplica para los niveles 5, 6 y 7.

POSTULADOS:

• 1) El electrón se puede mover solo en determinadas orbitas caracterizadas por su radio

• 2) Cuando el electrón se encuentra en dichas órbitas, el sistema no absorbe ni emite energía ( orbitas estacionarias )

• 3) Al suministrarle al átomo energía externa, el electrón puede pasar o "excitarse" a un nivel de energía superior, correspondiente a una órbita de mayor radio

• 4) Durante la caída del electrón de un nivel de mayor energía (más cercano del núcleo) a uno de menor energía (más alejado del núcleo) se libera o emite energía.

• 5) Al pasar el electrón de un nivel a otro se absorbe o se libera un cuanto de energía cuyo valor está relacionado con la frecuencia absorbida o emitida según: ∆E=hv

• Donde delta de E es la diferencia de energía entre los niveles considerados

MODELO ATOMICO• Los electrones se mueven en órbitas en torno al

núcleo, como lo hacen los planetas alrededor del Sol.

ARNOLD SOMMERFELD• FECHA DE APORTACION: 1916

EXPERIMENTO

• El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía, mostrando que existía un error en el modelo.

MODELO ATOMICO• Planteó que los electrones no sólo se mueven en orbitales

circulares, sino también en forma elíptica, y que su orientación se debe a la presencia de campos magnéticos. Este modelo afirmaba que existen subniveles, lo que dio lugar al número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales.

• Es utilizado para poder determinar la forma de los orbitales, este número es representado por la letra "l", sus valores van desde 0 hasta n-1.

• Entonces según estas correcciones se tiene que las órbitas:

• l = 0 se llamaran luego orbitales s o sharp• l = 1 se llamaran p o principal.• l = 2 se llamaran d o diffuse.• l = 3 se llamaran f o fundamental.

• Distribuciones electrónicas:

• A. Modelo orbital basado en:

• 1. Dualidad onda-corpusculo de Louis Broglie (1924): postula que el electron y toda particula material en movimiento tienen un comportamiento ondulatorio.

• 2. Principio de incertidumbre de Heinsenberg (1927): es imposible determinar simultaneamente y con exactitud la posición y velocidad del electrón.

• B. Configuración electrónica: es la manera en que están distribuidos los electrónes entre los distintos orbitales atómicos.

• A su vez, cada nivel de energía o capa tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f. Ejm: Ca (no.atomico=20)1s2  2s2    2p6    3s2    3p6    4s2    

TRABAJO Y ENERGIA• Trabajo (W): la capacidad que tiene un cuerpo

para moverse una cierta distancia, en el instante en que se aplica una fuerza paralela a la trayectoria del movimiento generado.

• W = F x d

W=trabajo, expresado en joule (J)F=fuerza paralela a la trayectoria del objeto bajo estudio expresada en newton (N).d=vector de desplazamiento cuya magnitud es la distancia recorrida por el objeto expresada en metros (m).

• Problema No. 1• ¿Qué trabajo se realiza si se aplica una fuerza de

12.877N a través de una distancia de 200cm?

• Energía: Capacidad que posee un cuerpo para realizar un trabajo. Hay varios tipos de energía: E. eólica (aire), E. calorífica, E. potencial, E. cinética, E. química, E. magnética, E. potencial, E. hidráulica, etc.

LEY DE COULOMB• Coulomb observó que a mayor distancia entre dos

objetos cargados eléctricamente, menor es la magnitud de la fuerza de atracción o repulsión.

• La magnitud de la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que la separa:

• F = (K) (q1q2/r2) (al vacío)Donde: F=Magnitud de la fuerza ejercida (Newtons N)K=es la constante de proporcionalidad (9x109 Nm2/C2).q=carga puntual (C).r=distancia que los separa (m).

• La relación que existe entre la magnitud de la fuerza eléctrica de dos cargas en el vacío y la magnitud de la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia aislante recibe el nombre de permitividad relativa o coeficiente dieléctrico, de dicho medio o sustancia:

• r = F/F´

• r=permitividad relativa del medio • F=Magnitud de la fuerza eléctrica entre las cargas

en el vacío en N.• F´= Magnitud de la fuerza eléctrica entre las

mismas cargas colocadas en el medio en N.

Medio aislador Permitividad relativa r

Vacío 1

Aire 1.005

Gasolina 2.35

Aceite 2.8

Vidrio 4.7

Mica 5.6

Agua 80.5

• Problema No. 1• Calcula la magnitud de la fuerza eléctrica entre

dos cargas cuyos valores son: q1=2x10-6, q2=4x10-6, al estar separadas en el vacío por una distancia de 30cm (0.3m).

• Problema No. 2• Una carga de 5C se encuentra en el aire a 20cm

de otra carga de -2C como se aprecia a continuación:

• Calcula:• ¿Cuál es la magnitud de la fuerza F1 ejercida por q2 sobre

q1?• ¿La magnitud de la Fuerza F2 ejercida por q1 sobre q2 es

igual o diferente de F1?• ¿Cuál será la magnitud de la fuerza eléctrica entre las

cargas si estuvieran sumergidas en agua?

CORRIENTE ELECTRICA• Es un movimiento de las cargas negativas a

través de un conductor.

• Hay dos tipos de corriente eléctrica:• 1. Corriente continua o directa: se origina cuando

el campo eléctrica permanece constante, esto provoca que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido; es decir, de negativo a positivo.

• 2. Corriente alterna: se origina cuando el campo eléctrico cambia alternativamente de sentido, por lo que los electrones oscilan a uno y otro lado del conductor, así, en un instante el polo positivo cambia a negativo y viceversa.

• I = q / t

• I=intensidad de la corriente eléctrica en C/s=smpere=A.

• q=carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en Coulombs (C).

• t=Tiempo que tarda en pasar la carga q en segundos (s).

• Problema No. 1• Calcula cuántos electrones pasan cada segundo

por una sección de un alambre conductor que tiene una intensidad de corriente de 5 A, sabiendo que 1C=6.24x1018

• Problema No. 2• La intensidad de la corriente eléctrica en un

circuito es de 13mA. ¿Cuánto tiempo se requiere para que circulen por el circuito 120 Coulombs? Expresa el resultado en horas. 1mA=1x10-3A

LEY DE OHM• La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un

conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor:

• I = V/R

• I=Intensidad de la corriente que circula por el conductor en amperes (A).

• V=Diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor en volts (V).

• R=Resistencia del conductor en ohm (Ω).

• Problema No. 1• Determina la intensidad de la corriente eléctrica a

través de una resistencia de 30Ω al aplicarle una diferencia de potencial de 90V.

• Problema No. 2• Un alambre conductor deja pasar 6 A al aplicarle

una diferencia de potencial de 110V. ¿Cuál es el valor de su resistencia?

POTENCIA ELECTRICA• La potencia eléctrica es la rapidez con que un dispositivo que

emplea energía eléctrica realiza un trabajo; también se interpreta como la energía que consume una máquina o cualquier dispositivo eléctrico en un segundo.

• P = T / t o P = VI o P = I2R• P=Potencia (Watts)• T=Trabajo (Joule J)• t=tiempo (tiempo (s)).• V=Diferencia de potencial (Volts)• I=intensidad de la corriente en ampere (A)• R=Resistencia del conductor en ohm (Ω)

• Recuerda que: joule=watt x segundo

• Problema No. 1• Obtén la potencia eléctrica de un tostador de pan

cuya resistencia es de 40ohm y por ella circula una corriente de 3 A.

• Problema No. 2• Calcula:

• ¿Qué potencia eléctrica desarrolla una parrilla que recibe una diferencia de potencial de 120V y por su resistencia circula una corriente de 6 A?

• La energía eléctrica consumida en kW-h, al encontrarse encendida la parrilla durante 45min?

• ¿Cuál es el costo del consumo de energía eléctrica de la parrilla si el precio de 1kW-h es de 80 centavos?

EFECTO JOULE Y LEY DE JOULE

• Cuando circula corriente eléctrica en un conductor, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor y eleva la temperatura de dicho conductor, con lo cual se origina el fenómeno que recibe el nombre de efecto Joule.

• La ley de Joule indica que: El calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente.

• Q = 0.24I2 Rt• Q=calor producido (calorías).• I=intensidad de la corriente en ampere (A)• R=Resistencia del conductor en ohm (Ω)• t=tiempo (s)

• Recuerda que: 1 joule de trabajo = 0.24 calorías de energía calorifica.

• E = I2 Rt

• E= Energía consumida (J)• I= intensidad de la corriente en ampere (A)• R= Resistencia del conductor en ohm (Ω)• t=tiempo (s)

• Problema No. 1• Por la resistencia de 30ohm de una plancha

eléctrica circula una corriente de 4 A al estar conectada a una diferencia de potencial de 120V. ¿Qué cantidad de calor produce en cinco minutos?

• Problema No. 2• Un radiador eléctrico tiene una resistencia

eléctrica de 40ohm y por ésta circula una intensidad de corriente eléctrica de 3 A durante 30min. ¿Cuánta energía consume expresada en joules?

MAGNETISMO• La magnetostática es la parte de la física que se

encarga de estudiar los fenómenos relativos a los imanes y a las masas magnéticas en estado de reposo. También, se le llama simplemente magnetismo.

• Imán: es un material que tiene la capacidad de producir un campo magnético en su exterior, el que es capaz de atraer al hierro, así como también al níquel y al cobalto.

Propiedades físicas entre enlaces iónicos y covalentes: