Grado 10
  1. Mecánica  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y Rapidez  1.1.5. Aceleración  1.1.6. Representación gráfica del movimiento  1.1.7. Ecuaciones de movimiento  1.1.8. Caída libre y aceleración debido a la gravedad  1.1.9. Movimiento de un proyectil  1.1.10. Velocidad relativa  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton  1.2.2. Inercia y masa  1.2.3. Fuerza y sus tipos  1.2.4. fuerza de acción y reacción  1.2.5. La fricción y sus efectos  1.2.6. Coefficient of friction  1.2.7. Movimiento circular  1.2.8. Fuerza centrípeta y aceleración centrípeta  1.2.9. Momentum e Impulso  1.2.10. Conservación del momento  1.2.11. Tercera ley de Newton y aplicaciones  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial  1.3.5. Energía mecánica  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.3.8. Fuentes de energía renovables y no renovables  1.4. Fuerza gravitacional  1.4.1. La ley de gravitación universal de Newton  1.4.2. Campo gravitacional y fuerza del campo  1.4.3. Aceleración debida a la gravedad en diferentes planetas  1.4.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.4.5. Órbitas y satélites  1.4.6. Peso y peso aparente  1.4.7. Energía potencial gravitacional
  2. Propiedades de la materia  2.1. Estados de la materia  2.1.1. Sólido, líquido y gas  2.1.2. Estructura molecular de la materia  2.1.3. Fuerzas intermoleculares  2.1.4. Plasma y condensado de Bose–Einstein  2.2. Presión  2.2.1. Definición de Presión  2.2.2. Presión en líquidos  2.2.3. Presión atmosférica  2.2.4. Principio de Pascal  2.2.5. El principio de Arquímedes y la flotabilidad  2.2.6. Tensión superficial y capilaridad  2.3. Elasticidad  2.3.1. La ley de Hooke  2.3.2. Tensión y deformación  2.3.3. Límite elástico y módulo de elasticidad  2.3.4. Aplicaciones de la elasticidad
  3. Física térmica  3.1. calor y temperatura  3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura  3.1.2. Escala de temperatura  3.1.3. Dilatación térmica  3.1.4. Equilibrio térmico  3.2. Transferencia de calor  3.2.1. Conductividad  3.2.2. Convección  3.2.3. Radiación  3.2.4. Aislamiento y sus aplicaciones  3.3. Propiedades térmicas de la materia  3.3.1. Capacidad calorífica específica  3.3.2. Calor latente y cambio de fase  3.3.3. Punto de ebullición y punto de fusión  3.3.4. Motores térmicos y refrigeración  3.4. Leyes de la Termodinámica  3.4.1. Ley cero de la termodinámica  3.4.2. Primera ley de la termodinámica  3.4.3. Segunda ley de la termodinámica  3.4.4. Ciclo de Carnot
  4. Ondas y óptica  4.1. Nature and properties of waves  4.1.1. Tipos de ondas en la naturaleza y propiedades de las ondas  4.1.2. Olas transversales y longitudinales  4.1.3. Parámetros de las ondas  4.1.4. Reflexión y refracción de ondas  4.1.5. Superposición e Interferencia  4.1.6. Ondas estacionarias y resonancia  4.1.7. Efecto Doppler  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Características de las ondas sonoras  4.2.2. Velocidad del sonido en diferentes medios  4.2.3. Aplicaciones de las ondas sonoras  4.2.4. Ultrasonido y sus usos  4.3. Ondas de Luz y Óptica  4.3.1. Naturaleza de la luz  4.3.2. Reflexión de la luz  4.3.3. Leyes de la reflexión  4.3.4. Espejos y Formación de Imágenes  4.3.5. Refracción de la luz  4.3.6. La Ley de Snell  4.3.7. Lentes y Formación de Imágenes  4.3.8. Reflexión interna total y ángulo crítico  4.3.9. Fibra óptica  4.4. Instrumentos Ópticos  4.4.1. Microscopio  4.4.2. Telescopio  4.4.3. Ojo humano y defectos de visión  4.4.4. Cámara y su principio de funcionamiento
  5. Electricidad y Magnetismo  5.1. Electrostática  5.1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  5.1.2. Conductores e Aislantes  5.1.3. La ley de Coulomb  5.1.4. Campo eléctrico y líneas de campo  5.1.5. Potencial eléctrico y diferencia de potencial  5.1.6. Capacitores y Capacitancia  5.2. Electricidad Actual  5.2.1. Corriente eléctrica y su medición  5.2.2. La ley de Ohm  5.2.3. Resistencia y resistividad  5.2.4. Circuitos en Serie y en Paralelo  5.2.5. Energía y potencia eléctricas  5.2.6. Leyes de Kirchhoff  5.3. Magnetismo y Electromagnetismo  5.3.1. Campo magnético y líneas de campo  5.3.2. Efectos magnéticos de la corriente eléctrica  5.3.3. Inducción electromagnética  5.3.4. Leyes de Faraday de la inducción electromagnética  5.3.5. Transformadores y Aplicaciones  5.3.6. Corriente AC y DC
  6. Física Moderna  6.1. Física nuclear  6.1.1. Estructura del átomo  6.1.2. Modelo atómico de Bohr  6.1.3. Niveles de Energía del Electrón  6.1.4. Rayos X y aplicaciones  6.2. Radiactividad  6.2.1. Tipos de radiación  6.2.2. Vida media y desintegración radiactiva  6.2.3. Reacciones nucleares y aplicaciones  6.2.4. Fisión y Fusión  6.3. Física cuántica  6.3.1. Dualidad onda-partícula  6.3.2. Efecto fotoeléctrico  6.3.3. Cuantización de la energía  6.3.4. El principio de incertidumbre de Heisenberg
  7. Electrónica y Comunicación  7.1. Semiconductores  7.1.1. Conductores, aislantes y semiconductores  7.1.2. Diodos y sus aplicaciones  7.1.3. Transistores y Puertas Lógicas  7.1.4. LEDs y fotodiodos  7.2. Sistemas de Comunicación  7.2.1. Fundamentos de la comunicación  7.2.2. Señales analógicas y digitales  7.2.3. Comunicación inalámbrica y fibra óptica  7.2.4. Ondas de radio y modulación

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Electrostática


La electrostática es la rama de la física que trata del estudio de las fuerzas, campos y potenciales producidos por cargas eléctricas estacionarias. Es una de las áreas fundamentales de la electricidad y el magnetismo. Este tema se centra en los fenómenos eléctricos que ocurren en reposo, lo que significa que las cargas no se mueven, sino que crean campos eléctricos que afectan su entorno.

Conceptos básicos de la electrostática

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que ejerce una fuerza sobre la materia cuando se coloca en un campo electromagnético. Hay dos tipos de cargas: positiva y negativa. Las cargas iguales se repelen, mientras que las cargas opuestas se atraen. Esto se conoce como la ley de las cargas.

Átomos y carga

A nivel atómico, los protones tienen una carga positiva, los electrones tienen una carga negativa y los neutrones son neutrales, lo que significa que no tienen carga. La unidad de carga eléctrica es el culombio, representado por C

Conductores e aislantes

Las sustancias pueden clasificarse según cuán libremente las cargas pueden moverse en ellas. Los conductores, como los metales, permiten que las cargas se muevan libremente debido a la presencia de electrones libres. Los aislantes, como el caucho o el vidrio, no permiten que las cargas se muevan libremente porque carecen de electrones libres.

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb establece la cantidad de fuerza entre dos partículas cargadas eléctricamente y estacionarias. Según la ley de Coulomb, la fuerza (F) entre dos cargas (q_1 y q_2) es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) entre ellas. Se expresa matemáticamente como:

F = k * (|q_1 * q_2|) / r^2

Donde:

  • F es la fuerza entre las cargas en newtons.
  • k es la constante de Coulomb, aproximadamente 8.988 × 10^9 N m^2/C^2.
  • |q_1 * q_2| es el producto de los valores absolutos de las cargas.
  • r es la distancia entre los centros de las dos cargas.

Ejemplo

Considere dos cargas, q_1 = 3 μC y q_2 = -2 μC, colocadas a una distancia de 0.5 m entre sí. La fuerza entre ellas se calculará de la siguiente manera:

F = 8.988 × 10^9 N m^2/C^2 * ((3 × 10^-6 C) * (-2 × 10^-6 C)) / (0.5 m)^2

Campo eléctrico

El campo eléctrico es la región alrededor de una partícula cargada donde otras cargas experimentarán una fuerza. La intensidad de este campo se denomina intensidad de campo eléctrico o fuerza de campo eléctrico, denotada por E El campo eléctrico producido por una carga q a una distancia r se da por:

E = k * |q| / r^2

La dirección del campo eléctrico es la dirección en que se movería una carga de prueba positiva si se colocara dentro del campo. Los campos eléctricos son campos vectoriales, lo que significa que tienen tanto magnitud como dirección.

Ejemplo visual

+Q

En este diagrama, las líneas azules muestran la dirección del campo eléctrico que emana de la carga positiva.

Líneas de campo eléctrico

Las líneas de campo eléctrico son representaciones gráficas para mostrar la dirección del campo eléctrico. Las propiedades principales de estas líneas son las siguientes:

  • Emanan de la carga positiva y terminan en la carga negativa.
  • La densidad de las líneas de campo indica la fuerza del campo: líneas más cercanas significan un campo más fuerte.
  • Las líneas de campo nunca se cruzan entre sí.

Potencial eléctrico y diferencia de potencial

El potencial eléctrico en un punto en un campo es el trabajo realizado para mover una carga positiva unidad desde el infinito hasta ese punto. Se mide en voltios (V). La diferencia de potencial entre dos puntos es el trabajo realizado para mover una carga unidad de un punto a otro.

V = W / q

Donde:

  • V es el potencial eléctrico.
  • W es el trabajo realizado en julios.
  • q es la carga en culombios.

Capacitores y capacitores

La capacitancia es la capacidad de un sistema para almacenar carga eléctrica. Un capacitor es un componente eléctrico utilizado para almacenar energía electrostáticamente en un campo eléctrico. La capacitancia C se da por:

C = Q / V

Donde Q es la carga almacenada, y V es la diferencia de potencial a través del capacitor.

Capacitor de placas paralelas

Un ejemplo estándar de un capacitor es el capacitor de placas paralelas, que tiene dos placas conductoras separadas por un material aislante. La capacitancia de un capacitor de placas paralelas se da por:

C = ε₀ * A / d

Donde:

  • ε₀ es la permitividad del espacio libre.
  • A es el área de una placa.
  • d es la separación entre las placas.

Aplicaciones de la electrostática

La electrostática es importante en muchas aplicaciones y tecnologías, incluyendo:

  • Precipitadores electrostáticos: Usados para eliminar partículas finas como el polvo y el humo de gases en flujos en procesos industriales.
  • Fotocopiadoras: Utilizan cargas electrostáticas para transferir tinta o tóner al papel.
  • Capacitores en electrónica: Componentes esenciales en circuitos electrónicos para almacenamiento y regulación eléctrica.

Cálculo de ejemplo

Ejemplo 1: Calcular la fuerza entre dos cargas de 5μC y -3μC que están a 2 m de distancia:

F = 8.988 × 10^9 N m^2/C^2 * ((5 × 10^-6 C) * (-3 × 10^-6 C)) / (2 m)^2

Ejemplo 2: Determinar el campo eléctrico en un punto ubicado a 0.3 m de una carga de 8μC:

E = 8.988 × 10^9 N m^2/C^2 * (8 × 10^-6 C) / (0.3 m)^2

Simulación

Los cálculos teóricos y los ejemplos visuales ayudan a entender la electrostática, mientras que las simulaciones permiten probar conceptos en un entorno virtual. Varias plataformas en línea ofrecen simulaciones interactivas para explorar y visualizar el comportamiento de las cargas y los campos eléctricos.

Reflexiones finales

La electrostática es un fundamento esencial de la electricidad y el magnetismo, proporcionando información sobre el comportamiento de las cargas en estado estático. Comprender la electrostática es la base para avances en tecnología y ciencia, permitiendo el desarrollo de innumerables innovaciones y dispositivos que aprovechan las propiedades eléctricas para una variedad de aplicaciones.


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