DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXACTASCARRERA DE INGENIERIA EN ELECTRNICA AUTOMATIZACIN Y CONTROL

ASIGNATURA: FSICA II

TRABAJO PREPARATORIO LABORATORIO No. 1.2

INTEGRANTES: Gustavo Suntaxi Israel Obando

Nrc: 1798

Fecha: 24/04/2014

1. Investigar sobre:

Las interacciones fundamentales de la naturaleza.Todos los fenmenos que se producen en el Universo se deben a las interacciones entre las partculas que lo componen. Estas interacciones se describen mediante el concepto de fuerza. As, la cada de un objeto o la "cada" de la Luna hacia la Tierra se describe mediante la fuerza gravitatoria. La estructura de un objeto, la atraccin entre imanes o entre cargas elctricas se hace mediante la fuerza electromagntica. Desde el principio los cientficos han tratado de unificar y simplificar el origen de los fenmenos, intentando adjudicar todos ellos a unas pocas causas comunes y a unos tipos fundamentales de comportamiento. As, como ya hemos estudiado, James C. Maxwell unific las fuerzas elctrica y magntica en un nico tipo de interaccin, la interaccin electromagntica, que permita explicar todos los fenmenos conocidos en su momento sobre los campos de la electricidad y el magnetismo.

En la actualidad, todas las fuerzas o interacciones de la naturaleza se pueden agrupar en cuatro tipos bsicos, denominados interacciones fundamentales:

Interaccin gravitatoria. Se da entre todas las partculas y se describe mediante la teora de la relatividad general de A. Einstein o ms fcilmente mediante la ley de gravitacin universal de Isaac Newton. Gracias a ella se pueden explicar fenmenos como la cada de los cuerpos o el movimiento de los planetas, satlites, estrellas, cometas, etc. Su alcance es infinito y acta a grandes distancias. Es la interaccin ms dbil de todas, pero es la responsable de la estructura general del Universo. Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partculas y es conservativa.

Interaccin electromagntica. La interaccin electromagntica afecta a las partculas con carga elctrica o con momento magntico, as como a los fotones. Su descripcin se hace a partir de las leyes de Maxwell y su alcance es infinito. Gracias a ella se pueden explicar fenmenos tan diversos como los elctricos, los magnticos, la interaccin entre la luz y la materia, las ondas electromagnticas (cmo funciona un telfono mvil?), las fuerzas elsticas que se dan en un muelle, la estructura interna de la materia a escala atmica y molecular, as como la qumica. Es una interaccin inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partculas y es conservativa.

Interaccin nuclear fuerte. La interaccin nuclear fuerte afecta a los quarks, y por tanto, a los hadrones. Es la ms intensa de las cuatro y se denomina tambin interaccin fuerte o interaccin hadrnica. Su alcance es muy corto, reducindose prcticamente a cero para distancias superiores a 10-15 m, por lo que no tiene influencia en la Qumica, por ejemplo. Gracias a esta interaccin se puede explicar la estabilidad nuclear y muchos procesos nucleares.

Interaccin nuclear dbil. La interaccin nuclear dbil se produce entre partculas leptnicas o hadrnicas. Explica algunos procesos nucleares, como la desintegracin b de los ncleos, en la que un neutrn se transforma en un protn y un electrn, generndose tambin un antineutrino electrnico. Tambin explica las transformaciones entre leptones, como la desintegracin del taun. Su intensidad es mucho mayor que la fuerza gravitatoria, pero es menor que la fuerza electromagntica. Tambin se denomina interaccin dbil.

Campos de fuerzaSe define campo de fuerza como la regin del espacio donde se manifiesta una fuerza. Abreviadamente, se conoce este concepto como campo. Cualquier campo de fuerzas tiene una causa creadora, lo que podramos llamar un generador, cuya naturaleza condiciona el tipo de campo. As, cualquier partcula dotada masa constituye la fuente de un campo gravitatorio, es decir, origina fuerzas de atraccin gravitatoria. El campo se extender en todas direcciones de forma indefinida (tericamente, hasta el infinito), decreciendo la intensidad de dicho campo (o lo que es lo mismo, la intensidad de la fuerza de la gravedad), en proporcin al cuadrado de la distancia desde la fuente.

De igual forma, cualquier partcula dotada de carga elctrica constituye la fuente de un campo electromagntico, que se extender en todas direcciones de forma indefinida. El fsico escocs James Clerk Maxwell demostr en 1860 que en realidad las fuerzas elctricas y las fuerzas magnticas son distintas manifestaciones de un campo llamado electromagntico creado por una carga elctrica; si la carga est esttica, se observan nicamente las fuerzas descritas por la ley de Coulomb (de ah el nombre de electrosttica); si la carga creadora del campo se mueve, se generar adems un campo magntico. Faraday fue el primero en observar experimentalmente que la corriente elctrica (es decir, cargas en movimiento) creaban un campo magntico, y fue de hecho el introductor del concepto de campo.

Una misma fuente puede ser la causa creadora de ms de un campo. Por ejemplo, el electrn es una partcula que posee tanto masa como carga. Por lo tanto, es una fuente tanto de un campo gravitatorio como de un campo electromagntico. Sin embargo, el campo electromagntico es muchos rdenes de magnitud mayor que el campo gravitatorio.

Los campos son adems aditivos. Por ejemplo, cualquier masa dentro del Sistema Solar est inmersa en un campo gravitatorio resultante de la combinacin de los campos gravitatorios del Sol, los planetas, y cualquier otro cuerpo que tenga masa. De la misma forma, un tomo genera un campo electromagntico que es el resultado de los campos individuales creados por los electrones y protones que lo forman. Representacin de un campo elctrico

2. Elabore un mapa conceptual de las magnitudes fsicas presentes en una interaccin electromagntica.

Interaccin electromagntica

Electromagnetismo clsico

Electromagnetismo relativista

Electromagnetismo cuntico

3. Describa un mtodo experimental en el que se mida la fuerza electromagntica.

Materiales:ElectroimnAutotransformador de corriente alternaNcleo ferromagnticoAnillos metlicos de cobre y aluminio de distintos grosoresCables para las conexiones

Desarrollo:

1. Sobre una pieza polar del electroimn se coloca el ncleo ferromagntico, y rodeando al ncleo, el anillo. El ncleo simplemente se usa para aumentar la variacin de flujo que aparece en el anillo, aumentando as la espectacularidad del experimento

2. Al conectar el electroimn de forma rpida, aparece una variacin de flujo magntico en el anillo (antes de encender el electroimn, el campo magntico en el anillo era cero), y por la ley de Faraday se induce una fuerza electromotriz que crea una corriente elctrica en el anillo.

3. Esta corriente inducida crear a su vez un campo magntico que contrarreste la variacin de flujo magntico creada en el anillo al haber encendido el electroimn.

4. Por tanto, el anillo salta debido a la repulsin existente entre los polos magnticos del electroimn y los creados por la corriente inducida en el anillo.

Si el campo en el electroimn se aumenta lentamente, se consigue que el anillo ascienda de forma progresiva, al ir siendo la fuerza repulsiva cada vez mayor (levitacin magntica) Podemos comprobar que realmente circula corriente en el anillo tocndolo con la mano despus de haber hecho que levite. El anillo est caliente debido a la disipacin de calor que produce el paso de una corriente elctrica en un conductor elctrico por efecto Joule.

4. Determinar la intensidad de campo magntico en el centro de una espira por la cual circula una corriente de intensidad , considere diversas geometras.

Campo magntico producido por una corriente circular en un punto de su ejeEn muchos dispositivos que utilizan una corriente para crear un campo magntico, tales como un electroimn o un transformador, el hilo que transporta la corriente est arrollado en forma de bobina formada por muchas espiras. Estudiaremos, en primer lugar, el campo creado por una espira.

En la figura, se muestra una espira circular de radioa, recorrida por una corriente de intensidadi. El punto P est sobre el eje de la espira a una distanciazde su centro.Searla distancia entre el elemento de corriente y el punto P. Laley de Biotnos permite calcular el campo magntico creado por dicho elemento de corriente.

Fijarse que los vectores unitariosutyurforman 90El vector campo magnticodBtiene dos componentes a lo largo del eje de la espiradBcos(90-q) perpendicular al eje de la espiradBsen(90-q)Por razn de simetra, las componentes perpendiculares al eje creadas por elementos diametralmente opuestos se anulan entre s. Por tanto, el campo magntico resultante est dirigido a lo largo del eje y puede calcularse mediante una integracin sencilla ya queres constante yqes constante

En el centro de la espiraz=0,tenemos

El sentido del campo magntico viene determinado por la regla de la mano derecha.Para una espira no es aplicable la ley de Ampre. Sin embargo, como podemos ver en el applet de la siguiente pgina, si sedisponen varias espiras iguales, igualmente espaciadas, se va creando un campo cuya direccin es cada vez ms paralela al eje comn de las espiras, a medida que se incrementa su nmeroEn la situacin ideal de un solenoide formado por un nmero grande de espiras apretadas, cuya longitud es grande comparada con su dimetro, el campo en el interior es casi uniforme y paralelo al eje y en el exterior es muy pequeo. En estas condiciones es aplicable la ley de Ampre, para determinar el campo magntico en el interior del solenoide.Campo magntico producido en un punto fuera del ejeVamos a calcular el campo magntico producido por una espira circular en un punto fuera del eje de la espira. Laley de Biotafirma que el campoBproducido por una corrienteise obtiene

Dondedles un elemento de corriente,utes un vector unitario que seala la direccin y sentido de la corriente, yures un vector unitario que seala el punto P donde se calcula el campo magntico.

El campo producido por una espira de radioatiene simetra axial, bastar calcular las componentesByyBzdel campo magntico en un punto P (0,y, z) del plano YZ.Como vemos en la figura la distanciarentre el elemento de corrientedl=adfque est situado en el punto (acosf,asenf, 0) y el punto P (0,y, z) considerado es:

Efectuando el producto vectorialutur, nos queda las componentes del campo

La primera integral es inmediata y vale ceroBx=0, ya que para cada elemento de corrientedlexiste otro simtrico al plano OYZ cuyo efecto es el de anular la componente X del campo magnticoLas componentes del campoBson

Debido a la simetra cilndrica del problema, solamente tenemos dos componentes del campouna a lo largo del eje de simetra Z,Bzy la otra en la direccin radialBy.Cuandoy=0, un punto del eje de la espira, podemos comprobar fcilmente queBy=0, y que

Para expresar estas integrales en trminos de las integrales elpticas completas de primera y segunda especie hacemos el cambio de variable=/2-f

Las tablas de integrales elpticas (Good) nos dan las siguientes equivalencias

Las componentes del campo magntico se expresan en trminos de las integrales elpticas completas de primeraK(m) y segunda especieE(m) de la siguiente forma.

En la figura, se muestra la direccin del campo magntico mediante flechas, en el plano YZ, cony>0 yz>0. El mdulo del campo no se puede mostrar ya que cambia significativamente de un punto cercano al anillo a otro algo ms alejado. El radio de la espira esa=1.0

Caso particularEstudiamos el campo a lo largo del eje del anillo,y0,

Las integrales elpticas tienden ambas aK(0)=E(0)=/2Como podemos comprobar fcilmenteBy0, fijarse que los dos trminos entre parntesis se cancelan. En cuanto a la componente Z. Los dos ltimos trminos ente parntesis proporcionales ayse cancelan