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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Campo eléctrico y flujo eléctrico


Introducción

En el mundo de la física, el estudio de los campos eléctricos y la corriente eléctrica es fundamental para entender cómo se comporta la electricidad, especialmente en condiciones estáticas o no cambiantes. Cuando hablamos de electrostática, nos referimos esencialmente a cargas eléctricas que no se mueven. En este contexto, conceptos como campo eléctrico y corriente eléctrica se vuelven esenciales para explicar el efecto que las cargas eléctricas tienen en el espacio que las rodea.

¿Qué es el campo eléctrico?

Un campo eléctrico es el área alrededor de un objeto cargado, donde otros objetos cargados experimentan una fuerza. Se puede entender como una forma de describir el efecto que una carga tiene en el espacio que la rodea. Imagina que tienes una carga positiva, y colocas otra pequeña carga de prueba positiva cerca de ella. La carga de prueba experimentará una fuerza que la aleja de la carga mayor debido al campo eléctrico creado por la carga mayor.

Líneas de campo y representación

    Las líneas de campo eléctrico son líneas o curvas imaginarias trazadas de tal manera que la tangente en cualquier punto está en la dirección del vector de campo eléctrico en ese punto.

Considera dos escenarios diferentes: carga positiva y carga negativa:

,

La ilustración anterior muestra líneas de campo eléctrico saliendo de una carga positiva. Esto es lo que significa cada componente:

  • Las líneas de campo eléctrico son continuas; comienzan en una carga positiva y terminan en una carga negativa.
  • Nunca se cruzan entre sí.
  • La densidad de estas líneas es proporcional a la fuerza del campo: donde el campo es más fuerte, estas líneas están más juntas.

Fuerza del campo eléctrico

La fuerza del campo eléctrico en cualquier punto del espacio se define como la fuerza experimentada por una carga positiva unitaria colocada en ese punto. La fórmula para la fuerza del campo eléctrico es:

    E = F / q

Donde:

  • E es la fuerza del campo eléctrico.
  • F es la fuerza experimentada por la carga.
  • q es la carga de prueba (usualmente una pequeña carga positiva).

La unidad de fuerza del campo eléctrico en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el voltio por metro (V/m).

Flujo eléctrico

El flujo eléctrico es una medida del número de líneas de campo eléctrico que pasan a través de un área. Este concepto es similar a considerar cuánto aire fluye a través de una trampa. Si colocamos la trampa en una región más densa de aire (equivalente a un campo eléctrico más fuerte), más aire (o "flujo") pasará a través de ella.

Representación matemática del flujo eléctrico

    Φ = E × A × cos(θ)

Donde:

  • Φ es el flujo eléctrico.
  • E es la fuerza del campo eléctrico.
  • A es la región a través de la cual pasan las líneas de campo.
  • θ es el ángulo entre las líneas de campo y la normal (perpendicular) a la superficie.

Esta fórmula muestra que el flujo eléctrico es mayor cuando el campo eléctrico es más fuerte, el área es más grande, y las líneas de campo son perpendiculares a la superficie.

Comprensión a través de ejemplos

Consideremos una superficie plana colocada en un campo eléctrico uniforme:

En esta vista:

  • Las líneas rosas indican líneas de campo eléctrico.
  • La caja cuadrada es la superficie a través de la cual se mide el flujo eléctrico.

Si el área de la superficie está orientada perpendicularmente (como se muestra), el ángulo θ es de 0 grados, y el flujo eléctrico es máximo.

La ley de Gauss

Una de las leyes importantes relacionadas con el campo eléctrico y el flujo es la ley de Gauss. En su forma más simple, la ley de Gauss establece que el flujo eléctrico total a través de una superficie cerrada es igual a la carga encerrada por esa superficie dividida por la permitividad del medio:

    Φ_total = Q_enclosed / ε_0

Donde:

  • Φ_total es el flujo eléctrico total que pasa a través de la superficie.
  • Q_enclosed es la carga total encerrada dentro de la superficie.
  • ε_0 es la permitividad del espacio libre.

La ley de Gauss es poderosa porque relaciona el campo eléctrico en la superficie de una figura imaginaria invisible con la carga total encerrada en esa figura.

Aplicaciones de la ley de Gauss

La ley de Gauss ayuda a simplificar los cálculos complejos de campo eléctrico, especialmente cuando se trabaja con distribuciones de carga simétricas como:

  • Carga puntual: Todos los cálculos del campo eléctrico se simplifican enormemente al usar la superficie esférica alrededor de una carga puntual.
  • Distribución de carga simétrica: Por ejemplo, alrededor de una esfera o cilindro conductor, la ley de Gauss es a menudo la forma más simple de calcular el campo eléctrico.

En estas situaciones, las propiedades simétricas nos permiten proponer una superficie gaussiana que simplifica los cálculos.

Resumen y conclusión

Entender los conceptos de campo eléctrico y corriente eléctrica es esencial para cualquier persona que estudie física. Estos conceptos proporcionan la base para entender cómo los objetos cargados afectan a su entorno. El concepto de campo eléctrico ayuda a visualizar y calcular las fuerzas sobre los objetos cargados. En comparación, la corriente eléctrica ayuda a medir la extensión de estos campos a través de ciertos dispositivos.

La ley de Gauss es un principio importante que vincula el flujo eléctrico con la carga encerrada por una superficie, permitiendo cálculos simplificados en situaciones simétricas. Una comprensión clara y la aplicación de estos conceptos forman la base para estudios más complejos en electricidad y magnetismo, que tienen implicaciones de largo alcance en la tecnología y la ciencia.


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Campo eléctrico y flujo eléctrico

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