Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Física del estado sólido


La física del estado sólido es el estudio de cómo se disponen los átomos en los sólidos y qué propiedades exhiben esos sólidos como resultado de su disposición atómica. Este campo fundamental de la física intenta explicar cómo surgen las propiedades macroscópicas de un sólido a partir de sus componentes microscópicos. Muchos de los avances tecnológicos modernos, como los semiconductores, los láseres y los materiales magnéticos, se basan en los principios de la física del estado sólido.

Estructura de los sólidos

Una de las primeras cosas a comprender sobre los sólidos es su estructura. Cuando los átomos se juntan para formar sólidos, a menudo se organizan en un patrón ordenado llamado red cristalina.

Una red cristalina puede considerarse como una disposición tridimensional de átomos, iones o moléculas que ocurre en un patrón repetido. La unidad repetitiva más pequeña, a menudo llamada paralelepípedo, se conoce como una celda unitaria. Algunos tipos comunes de celdas unitarias son los siguientes:

  • Cubo: Todos los lados de un cubo son iguales y todos los ángulos son de 90 grados.
  • Cuadrilátero: Dos lados son iguales y los ángulos son de 90 grados.
  • Ortorrómbico: Todos los lados son desiguales, pero los ángulos son de 90 grados.
Cubo

Fuerzas de enlace en los sólidos

El tipo de enlace químico que mantiene unida la red puede afectar significativamente las propiedades de un sólido. Hay varios tipos de enlace:

  • Enlace iónico: Atracción entre iones positivos y negativos. Ejemplo: cloruro de sodio (NaCl).
  • Enlace covalente: Pares de electrones compartidos entre átomos. Ejemplo: diamante.
  • Enlace metálico: Los electrones son libres de moverse en un "mar de electrones". Ejemplo: cobre.
  • Fuerza de Van der Waals: Fuerza débil debido a dipolos permanentes o inducidos. Ejemplo: grafito.

Propiedades térmicas de los sólidos

Dado que la temperatura afecta la vibración de los átomos, afecta significativamente la expansión térmica, la capacidad calorífica y otras propiedades térmicas de los sólidos.

El calor específico de un sólido está relacionado con la energía necesaria para elevar su temperatura. Un modelo importante para describir el calor específico de los sólidos es la ley de Dulong-Petit. Esta aproxima la capacidad calorífica molar de muchos sólidos como 3R, donde R es la constante de gas ideal.

Propiedades eléctricas y magnéticas

Los sólidos se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores según su conductividad eléctrica. Esta clasificación depende en gran medida de la estructura de bandas electrónicas, que describe los niveles de energía que los electrones pueden ocupar en un sólido.

La ley de Ohm es importante para comprender la conducción eléctrica:

V = IR

Esta ecuación relaciona el voltaje V, la corriente I y la resistencia R

Teoría de bandas de los sólidos

La teoría de bandas explica la naturaleza de los conductores eléctricos, aislantes y semiconductores. Según esta teoría, los niveles de energía de los electrones en un sólido no están claramente definidos como en un átomo, sino que se distribuyen en bandas continuas.

  • Banda de conducción: La banda de energía superior en la cual los electrones son libres de conducir electricidad.
  • Banda de valencia: Banda de energía llena de electrones de valencia.
  • Brecha de banda: La diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia. Las grandes brechas de banda son características de los aislantes, las brechas pequeñas o inexistentes son características de los conductores, y las brechas de banda intermedias son características de los semiconductores.
brecha de banda banda de conducción banda de valencia

Semiconductores

Los semiconductores han tenido un impacto significativo en la tecnología moderna. Tienen conductividad eléctrica entre los metales y los aislantes. Su conductividad puede controlarse añadiendo impurezas mediante un proceso llamado dopaje.

  • Tipo n: Se añaden electrones extra a la estructura. Esto se hace generalmente añadiendo elementos como fósforo o arsénico.
  • Tipo p: Se forman huecos (ausencia de electrones) añadiendo elementos como boro o galio.

Propiedades magnéticas de los sólidos

Las propiedades magnéticas de los sólidos están determinadas por los momentos magnéticos de los átomos y por el orden de estos momentos. Existen diferentes tipos de orden magnético:

  • Diamagnetismo: Todos los giros electrónicos están emparejados, y el sólido es débilmente repelido por un campo magnético.
  • Paramagnetismo: Un material sólido es débilmente atraído por un campo magnético debido a algunos giros electrónicos no apareados.
  • Ferromagnetismo: Los giros están alineados de manera paralela en un gran dominio, creando un fuerte campo magnético neto. Ejemplo: hierro.
  • Antiferromagnetismo: Los giros adyacentes están alineados de forma antiparalela, cancelándose entre sí. Ejemplo: óxido de manganeso.

Superconductividad

Finalmente, la superconductividad es un fenómeno en el cual un material exhibe resistencia eléctrica cero por debajo de una cierta temperatura crítica. Esto permite el flujo libre y sin obstáculos de los electrones.

Efecto Josephson: Fenómeno cuántico en el cual la corriente puede fluir entre dos superconductores separados por una fina capa aislante.


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