Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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La ley de Coulomb y sus aplicaciones


Introducción a la ley de Coulomb

La ley de Coulomb es un principio fundamental en el campo de la electrostática, que describe la fuerza entre dos objetos cargados. Nos ayuda a entender las interacciones causadas por cargas eléctricas. Antes de profundizar en los detalles de la ley de Coulomb, exploremos algunas propiedades básicas de las cargas eléctricas.

Hay dos tipos de cargas: positiva y negativa. Las cargas iguales se repelen entre sí, mientras que las cargas opuestas se atraen. Esto se puede observar fácilmente al acercar dos objetos cargados entre sí. La ley de Coulomb cuantifica la fuerza entre estas cargas, haciendo posible calcular la magnitud y dirección exacta de esta interacción.

Enunciado de la ley de Coulomb

Según la ley de Coulomb, la fuerza eléctrica (F) entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas (q1 y q2) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) entre ellas. La representación matemática de la ley de Coulomb se da como:

F = k * (|q1 * q2|) / r²

donde k es la constante de Coulomb. En unidades apropiadas, esta constante es aproximadamente:

k ≈ 8.99 x 109 N m²/C²

La fuerza es un vector, lo que significa que tiene tanto magnitud como dirección. La dirección es tal que la fuerza está a lo largo de la línea que conecta las dos cargas, repeliendo si las cargas son iguales y atrayendo si son opuestas.

Representación visual

Q1 F Q2 R

Este diagrama muestra la fuerza F actuando entre dos cargas Q1 y Q2 separadas por una distancia r.

Unidades SI en la ley de Coulomb

Para aplicar correctamente la ley de Coulomb, es necesario usar unidades SI para la carga y la distancia. La carga debe estar en culombios (C), la distancia debe estar en metros (m), y la fuerza resultante estará en newtons (N).

Por ejemplo, si q1 = 1 C, q2 = 2 C, y r = 1 m, entonces la fuerza F se calcula como:

F = (8.99 x 109 N m²/C²) * ((1 C * 2 C) / (1 m)²) = 1.798 x 1010 N

Ejemplos de cálculo de la ley de Coulomb

Consideremos algunos ejemplos para entender cómo usar la ley de Coulomb en la práctica.

Ejemplo 1: Cargas en línea

Dos cargas q1 = 3 μC y q2 = 4 μC están a una distancia de 0.5 m entre sí. Calcular la fuerza entre ellas.

Convertir las cargas de microculombios (μC) a culombios (C):

q1 = 3 μC = 3 x 10-6 C
q2 = 4 μC = 4 x 10-6 C

Ahora aplica la ley de Coulomb:

F = (8.99 x 109 N m²/C²) * ((3 x 10-6 C * 4 x 10-6 C) / (0.5 m)²)
F = 0.4315 N

La fuerza entre las cargas es 0.4315 N, y como ambas cargas son positivas, será una fuerza repulsiva.

Ejemplo 2: Cargas opuestas

Consideremos una carga positiva de q1 = 1 μC y una carga negativa de q2 = -1 μC, ubicadas a 1 m de distancia una de la otra. ¿Cuál es la fuerza entre estas cargas?

Primero, convertir a culombios:

q1 = 1 μC = 1 x 10-6 C
q2 = -1 μC = -1 x 10-6 C

Aplicar la ley de Coulomb:

F = (8.99 x 109 N m²/C²) * ((1 x 10-6 C * -1 x 10-6 C) / (1 m)²)
F = -8.99 N

La magnitud de la fuerza es 8.99 N, y dado que las cargas son opuestas, será atractiva.

Aplicaciones de la ley de Coulomb

La ley de Coulomb es esencial en una variedad de campos y aplicaciones:

Cálculo de campo eléctrico

Esta ley ayuda a entender el campo eléctrico. El campo eléctrico E producido por una carga puntual q ubicada a una distancia r se describe como:

E = k * |q| / r²

Esta ecuación describe cómo una carga puntual afecta el espacio a su alrededor.

Fuerzas en moléculas

Entender las fuerzas entre estructuras atómicas y moleculares es fundamental para la química y la física. Las fuerzas electrostáticas involucran la atracción y repulsión dentro de las moléculas, que afectan la estructura y estabilidad de las sustancias.

Diseño de componentes eléctricos

La ley de Coulomb es importante para el diseño de capacitores y otros componentes de circuitos eléctricos, que dependen en gran medida de las interacciones y capacidades de almacenamiento de carga. Comprender las interacciones a nivel de carga ayuda a los ingenieros a diseñar circuitos mejores y más eficientes.

Ejemplo visual

Q1 Q2 F

En este diagrama, la fuerza electrostática F resulta de la interacción entre dos partículas cargadas, Q1 y Q2.

Consideraciones y limitaciones

La ley de Coulomb es una herramienta poderosa, pero solo funciona bajo circunstancias específicas:

  • Carga puntual: Esta ley es precisa para cargas puntuales, donde el tamaño de la carga es insignificante comparado con la distancia entre ellas.
  • Vacío: La constante de Coulomb, k, supone que el medio entre las cargas es un vacío. Distintos medios requerirán ajustes basados en la permisividad del medio.
  • Movimiento no relativista: Esta ley es válida cuando las cargas se mueven a velocidades no relativistas, donde los campos magnéticos no son importantes.

Conclusión

La ley de Coulomb proporciona el conocimiento básico para entender las fuerzas eléctricas entre cargas. Ayuda a resolver problemas relacionados con fuerzas eléctricas, la intensidad del campo eléctrico y el potencial. Sus aplicaciones están ampliamente extendidas en física, química e ingeniería, proporcionando soluciones a problemas que van desde escalas microscópicas hasta macroscópicas. La comprensión de esta ley es importante para el estudio y las aplicaciones en electromagnetismo y diseño de circuitos.


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La ley de Coulomb y sus aplicaciones

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