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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Fuerza magnética sobre cargas en movimiento


En física, el magnetismo y las fuerzas electromagnéticas desempeñan un papel importante en la comprensión de cómo se comportan los objetos y partículas en campos magnéticos. Un campo magnético es un campo de fuerza creado por objetos magnéticos o cargas eléctricas en movimiento, que ejerce una fuerza sobre otros objetos magnéticos o partículas cargadas. Cuando hablamos de "fuerza magnética sobre cargas en movimiento," nos referimos al efecto de un campo magnético sobre cargas eléctricas en movimiento dentro de ese campo. Este concepto es fundamental en la teoría electromagnética y tiene aplicaciones importantes en muchas áreas, como motores eléctricos, generadores e incluso el funcionamiento de nuestro universo.

Entendiendo los campos magnéticos

Antes de entrar en los detalles de la fuerza magnética sobre cargas en movimiento, es importante entender qué es un campo magnético. Un campo magnético es un campo vectorial alrededor de sustancias magnéticas y corrientes eléctricas. Consiste en líneas de fuerza invisibles que se extienden desde el polo norte al polo sur de un imán. Estas líneas se llaman líneas de campo magnético.

NSLíneas de campo magnético

La densidad de estas líneas indica la intensidad del campo magnético. Cuanto más cercanas estén las líneas, más fuerte será el campo magnético, y viceversa. Un campo magnético ejerce una fuerza sobre las cargas que se mueven a través de él, y esta fuerza depende de la velocidad de la carga, la intensidad del campo y la propia carga.

Fuerza de Lorentz

La fuerza experimentada por una carga en movimiento en un campo magnético se describe por la fuerza de Lorentz. Incluye tanto fuerzas eléctricas como magnéticas, pero nos enfocaremos en el componente magnético. Para una carga q que se mueve con velocidad v en un campo magnético B, la fuerza magnética F se da por:

F = q(v × B)

Aquí están los detalles de las condiciones:

  • F es la fuerza magnética que actúa sobre la carga.
  • q es la magnitud de la carga.
  • v es la velocidad de la carga.
  • B es el vector del campo magnético.
  • × denota el producto vectorial, resultando en un vector que es perpendicular tanto a v como a B

La dirección de la fuerza sigue la regla de la mano derecha: si apuntas tu dedo índice derecho en la dirección de la velocidad v y tu dedo medio en la dirección del campo magnético B, tu pulgar apuntará en la dirección de la fuerza experimentada por la carga positiva.

VBF

Si la carga es negativa, la dirección de la fuerza será la opuesta. Esto es importante para determinar la trayectoria de la partícula en un campo magnético.

Cálculo de ejemplo

Para reforzar este concepto, consideremos algunos cálculos de ejemplo con la ecuación de la fuerza magnética.

Ejemplo 1: Carga positiva en un campo magnético uniforme

Supongamos que tienes una carga positiva de 2 C que se mueve a una velocidad de 3 m/s perpendicular a un campo magnético uniforme de 5 T ¿Cuál es la fuerza experimentada por la carga?

Uso de la fórmula:

F = q(v × B)

Insertamos los valores:

F = 2 C × (3 m/s × 5 T) = 30 N

La fuerza experimentada por la carga es 30 N en la dirección perpendicular a la velocidad y al campo magnético.

Ejemplo 2: Desviación de la trayectoria de una carga negativa

Ahora veamos qué sucede con una carga negativa. Considera una carga de -1 C que se mueve a una velocidad de 4 m/s en un campo magnético uniforme de 5 T ¿Cuál es la fuerza sobre esta carga?

Nuevamente, usa la fórmula:

F = q(v × B)

Al ingresar los valores se obtiene:

F = -1 C × (4 m/s × 5 T) = -20 N

El signo negativo indica que la fuerza está en la dirección opuesta a la de una carga positiva. Esta inversión en la dirección afecta cómo se mueve la carga a través del campo magnético.

Aplicaciones en el movimiento circular

Cuando una partícula cargada se mueve perpendicular a un campo magnético, experimenta un movimiento circular uniforme. Esto sucede porque la fuerza magnética actúa como una fuerza centrípeta, cambiando constantemente la dirección de la partícula, resultando en un movimiento circular.

Para una carga q que se mueve con velocidad v en un campo magnético B, el radio r del círculo se puede encontrar usando la fórmula de la fuerza centrípeta:

F = m(v²/r)

Reemplazando la fuerza magnética:

q(v × B) = m(v²/r)

Solución para r:

r = m(v/qB)

Así, el radio de la trayectoria de la partícula está determinado por su masa, velocidad, carga y la magnitud del campo magnético.

Aplicaciones en el mundo real

Este principio de fuerza magnética sobre cargas en movimiento se utiliza en una variedad de tecnologías:

  • Motores eléctricos: utilizan campos magnéticos para convertir corriente eléctrica en movimiento rotacional.
  • Ciclotrones y sincrotrones: aceleran partículas cargadas a altas velocidades usando campos magnéticos.
  • Espectrómetros de masas: determinan la estructura y abundancia de diferentes isótopos midiendo la relación carga-masa.

Comprender estos principios ayuda a científicos e ingenieros a diseñar y optimizar eficazmente estas aplicaciones.

Conclusión

En resumen, la fuerza magnética sobre cargas en movimiento es un concepto clave en física, basado en principios electromagnéticos fundamentales. Sus profundas implicaciones en la física teórica y aplicada destacan la importancia de dominar este tema. La formulación matemática a través de la ecuación de la fuerza de Lorentz proporciona un medio cuantitativo para predecir el comportamiento de cargas en campos magnéticos. Desde comprender cómo se mueven las partículas, hasta aplicaciones prácticas en tecnología, este concepto ofrece insights tanto en el mundo microscópico como macroscópico.


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