Fuerza Electromotriz, Circuito y Dirección de la Corriente Eléctrica: Leyes de Lenz y Faraday
Ley de Lenz
La Ley de Lenz establece que el sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que la produce.
Ilustración: El imán se aleja.
Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética
La Ley de Faraday establece que cuando se introduce un conductor cerrado en una zona donde existe un campo magnético, la fuerza electromotriz (FEM) inducida es igual y de signo contrario a la velocidad con que varía el flujo magnético en el circuito.
La fórmula de la FEM inducida es:
E = -dΦ/dt
Fenómeno Ondulatorio: Ondas Longitudinales y Transversales
Una onda es una perturbación del medio que se propaga con el tiempo, transportando energía pero no materia de forma neta. Un movimiento ondulatorio es el proceso en el que una onda se propaga.
Tipos de Ondas
Ondas Longitudinales: Son aquellas en las que la dirección de propagación es paralela a la dirección de la oscilación que provoca en las partículas del medio perturbado. Un ejemplo claro es el sonido.
Principio de Huygens
El Principio de Huygens establece que cada punto de un frente de onda se comporta como un foco emisor de ondas elementales secundarias. Estas ondas secundarias tienen la misma velocidad y frecuencia que la onda inicial, y su superficie envolvente constituye un nuevo frente de onda.
Ilustración: Frente de ondas plano acercándose a un obstáculo.
Ilustración: Frente de onda esférico.
Difracción de Ondas
La difracción es un fenómeno exclusivo de las ondas, lo que permite identificar como ondulatorios a todos los fenómenos físicos en los que se produce. Este efecto permite a las ondas bordear obstáculos o contornear rendijas.
Ilustración: Difracción total.
Ilustración: Difracción parcial.
Ilustración: Difracción parcial con obstáculo.
Ilustración: Difracción parcial en una esquina.
Interferencia de Ondas
La interferencia es el fenómeno de superposición de dos o más movimientos ondulatorios en un punto del medio.
Relaciones entre Potencia, Intensidad, Amplitud y Distancia para Ondas
Ondas Unidimensionales
- Intensidad (I): I = P
- Relación de Intensidades: I1 = I2
- Relación de Amplitudes: A1 = A2
Ondas Bidimensionales
- Intensidad (I): I = P/L
- Relación de Intensidades: I1/I2 = r2/r1
- Relación de Amplitudes: A1/A2 = √r2/√r1
Ondas Tridimensionales
- Intensidad (I): I = P/S
- Relación de Intensidades: I1/I2 = r22/r12
- Relación de Amplitudes: A1/A2 = r2/r1
Donde P es la potencia, calculada como P = E/t (energía por unidad de tiempo).
Absorción de Ondas y su Fórmula
La absorción es la disminución de la intensidad de una onda (de cualquier tipo) a medida que se propaga por un medio, y depende directamente de las características de dicho medio.
La fórmula para calcular la intensidad absorbida es:
I = I0 * e–βx
Donde:
- I es la intensidad final a calcular.
- I0 es la intensidad inicial conocida en un punto del medio.
- β es el coeficiente de absorción del medio.
- x es la distancia desde el punto donde se conoce I0 hasta el punto donde se desea calcular I.
Ecuación General de Onda y sus Parámetros
La ecuación general de onda describe el movimiento ondulatorio y sus parámetros fundamentales:
- Longitud de onda (λ): Se mide en metros (m). Es la distancia mínima entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración.
- Periodo (T): Se mide en segundos (s). Es el tiempo que tarda la onda en avanzar una longitud de onda, o el tiempo que emplea un punto cualquiera afectado por la perturbación en efectuar una oscilación completa.
- Frecuencia (f): Se mide en Hertz (Hz) o s-1. Es el número de oscilaciones completas por unidad de tiempo.
Leyes de Snell: Reflexión y Refracción
Reflexión
En el fenómeno de la reflexión:
- i es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la superficie de separación de dos medios.
- i’ es el ángulo que forma el rayo reflejado con la normal a la superficie de separación de dos medios.
Primera Ley de la Reflexión
El rayo incidente, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo reflejado están en el mismo plano.
Segunda Ley de la Reflexión
El ángulo de incidencia (i) y el ángulo reflejado (i’) son iguales (i = i’).
Refracción
En el fenómeno de la refracción:
- i es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la superficie de separación de dos medios.
- r es el ángulo que forma el rayo refractado con la normal a la superficie de separación de dos medios.
Primera Ley de la Refracción
El rayo incidente, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo refractado están en el mismo plano.
Segunda Ley de la Refracción (Ley de Snell-Descartes)
La relación entre los senos de los ángulos de incidencia y refracción es igual a la relación de las velocidades de propagación en los medios, y al índice de refracción relativo:
sen(i) / sen(r) = V1 / V2 = n21
Donde:
- V1 y V2 son las velocidades de propagación del movimiento ondulatorio en el medio 1 y el medio 2, respectivamente.
- n21 es el índice de refracción relativo del segundo medio respecto al primero.
Cualidades del Sonido
Intensidad
La intensidad del sonido está asociada a la amplitud de la onda sonora y presenta dos aspectos:
- Física u objetiva: Se refiere a la energía que transmite la onda sonora por unidad de tiempo.
- Fisiológica o subjetiva: Es la sensación de mayor o menor intensidad que percibe el cerebro humano.
El nivel de intensidad sonora se mide en decibelios (dB) y utiliza una escala logarítmica.
Tono
El tono está asociado a la frecuencia del sonido y permite distinguir los sonidos graves de los agudos.
Timbre
El timbre permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y el mismo tono, pero emitidos por focos sonoros distintos.
Interferencia y Difracción: Experimento de la Doble Rendija de Young
La interferencia y la difracción son dos propiedades exclusivas de los movimientos ondulatorios. El famoso experimento de la doble rendija de Young ilustra estos fenómenos.
Consiste en disponer de una fuente de luz monocromática (F) que ilumina una pantalla (A) con dos rendijas (R1 y R2). Estas rendijas actúan como focos emisores de ondas. Las ondas que emergen de R1 y R2 son coherentes (es decir, tienen la misma longitud de onda λ y una diferencia de fase constante), ya que proceden de la misma fuente luminosa.
Los parámetros clave de una onda armónica incluyen:
- Número de onda (k): Se relaciona con la longitud de onda (λ) mediante la expresión k = 2π/λ. Indica la variación de fase por unidad de distancia.
