UNIDAD II – Bloque: “Electromagnetismo – Fenómenos ondulatorios” Los temas Campo magnético generado por una corriente eléctrica. Electroimán. Aplicaciones. Corriente inducida por un campo magnético. Corriente continua y alterna son estudiados desde el punto de vista conceptual. Busca en cualquier texto los conceptos, realiza una síntesis. A MODO DE EJERCICIOS, EXPLICA EL SIGUIENTE ESQUEMA:

Para estos temas, para comprender los conceptos, te puedes ayudar con las aplicaciones: Faraday´s electromagnet Lab. En ella selecciona e investiga: Pickup Coil . Electromagnet y Generator te muestran las interacciones entre los campos magnéticos y eléctricos, y el funcionamiento de un generador. Luego resuelve las actividades del PIR.

ONDAS – CLASIFICACIÓN - CARACTERÍSTICAS Investiga brevemente qué es una onda, y cómo pueden clasificarse las ondas, desde el punto de vista de cómo se generan (mecánicas y electromagnéticas) y desde el punto de vista de su forma de propagación (longitudinales y transversales). Características: el siguiente gráfico cartesiano muestra la propagación de una onda a lo largo del tiempo. En el eje de abscisas se representa el tiempo (en segundos) y en el eje de ordenadas la amplitud A de la onda, en metros. crestas A (m)

O

t (seg)

valles Definamos algunas características de las ondas: a) Período (T): es el tiempo que tarda en realizar una oscilación completa. Su unidad es el segundo. Ej: * si para una onda T = 4 seg significa que tarda 4 segundos en realizar una oscilación completa  Si T = 0,5 seg significa que realiza una oscilación completa en 0,5 seg

b) Frecuencia (f): es la cantidad de oscilaciones que realiza en 1 segundo. La frecuencia es el concepto inverso del período. Por lo tanto Recuerda el concepto en 1 matemática del inverso f = -------La unidad de la frecuencia es Hz Hertz (1/seg) de un número: T el inverso de 4 es ¼ El inverso de 0,5 es 1/0,5 Ej: * si la f de una onda es 3 Hz significa que realiza 3 oscilaciones completas en un segundo.  Si f = 0,2 Hz realiza 0,2 oscilaciones por segundo 1 1 Si f = -----------entonces T = ----------T f Teniendo el valor de la frecuencia puede calcularse el período y viceversa. PERO LO MÁS IMPORTANTE ES RECORDAR EL SIGNIFICADO DE FRECUENCIA Y PERÍODO. Por ejemplo:

1) El período de una onda es 5 seg. Calcula su frecuencia. Luego expresa el significado físico de esa frecuencia. 1 f = ----------5 seg

f = 0,2 Hz significa que realiza 0,2osc. En1 seg

2) La frecuencia de una onda es 10 Hz. Calcula su período y expresa el significado físico de ambos. 1 T = --------T = 0,1 seg 10 Hz Realiza 10 oscilaciones por segundo. Tarda 0,1 seg en realizar una oscilación. c) Velocidad de propagación de la onda (v): depende del tipo de onda, y del medio en el que se propague. Su unidad es el m/seg Por ej:  el sonido es una onda mecánica que se propaga en el aire a una v = 340 m/seg. Pero en el hierro su v = 1500 m/seg.  La luz es una onda electromagnética que en el vacío se propaga a una v = 300.000 km/seg v = 3. 105 km/seg

o

v = 3. 108 m/seg

Pero si se propaga en otros medios (agua, vidrio), cambia su velocidad. d) Longitud de onda (λ )- letra griega lambda - .Es la distancia que hay entre cresta y cresta de la onda, o entre valle y valle. Su unidad es el metro. e) Amplitud (A): es la distancia desde la cresta de una onda, hasta el eje del tiempo (posición de equilibrio) Nosotros estudiamos movimientos oscilatorios armónicos simples, donde la velocidad es constante. Por lo tanto la relación entre longitud de onda, velocidad de la misma y período es: λ v = -------------T

Agregando

1 f = -------T

y si interviene la frecuencia

y

v=λ. f

1 T = -------f

CON ESTAS CUATRO ECUACIONES PUEDES RESOLVER LOS PROBLEMAS DEL PIR

CAMPOS, ONDAS Y ESPECTROS……………….. El siguiente texto fue extraído de Física 5 – Tricárico-Bazo – Editorial A-Z “La enorme antena parabólica explora el cosmos y permite a los astrónomos conocer los confines del espacio y del tiempo. Sus descubrimientos son difundidos por todo el mundo a través de la radio, la televisión, las comunicaciones en general. Estamos tan acostumbrados a estas maravillas que difícilmente apreciamos su importancia. Pero un poco de reflexión nos llevará de inmediato a preguntarnos.   

¿qué es lo que capta un radiotelescopio? ¿cómo funciona una emisora de FM? ¿cómo se logra la transmisión “en directo” por TV de un torneo de tenis jugado en Europa?

Todas estas preguntas están relacionadas con el concepto de onda electromagnética. ¿Qué es una onda electromagnética? En las experiencias anteriores vimos que hay una interacción entre la corriente eléctrica y los campos eléctricos y magnéticos. I) II)

Oersted descubrió que al circular corriente eléctrica por un conductor aparece alrededor de éste un campo magnético. Faraday encontró que cuando una espira es atravesada por un campo magnético variable, se induce en ella una corriente eléctrica, lo cual implica que aparece un campo eléctrico que actúa sobre las cargas para que se desplacen y constituyan una corriente eléctrica.

Relacionando I) y II), y trabajando con conceptos matemáticos complejos, Maxwell unificó en una teoría el comportamiento de la electricidad y el magnetismo: “Si el campo eléctrico creado en virtud de II es variable, entonces, en virtud de I aparecería un campo magnético variable, que crearía a su vez un campo eléctrico variable, que a su vez crearía un campo magnético variable………….. ¡Y se repetiría indefinidamente!”

El conjunto de estos campos variables, que se crean mutua y sucesivamente, se propaga a través del espacio en forma de ondas: las ondas electromagnéticas (que son ondas transversales)

Extraído de Física 5 - Tricárico-Bazo – Ed. A-Z Las ondas electromagnéticas son ondas transversales asociadas a la variación de los vectores E y B, que caracterizan el campo electromagnético encada punto del espacio. Estos vectores son perpendiculares entre sí, y resultan perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. En un instante dado los vectores E y B, asociados a la perturbación electromagnética originada en A responden al diagrama de más arriba. La onda electromagnética reúne a una onda eléctrica, en este caso incluida en el plano XZ, y una onda magnética, que en nuestro diagrama está incluida en el plano XY. La onda electromagnética se propaga entonces a lo largo del eje X

  

las ondas electromagnéticas transportan energía, propagando así la energía del campo electromagnético por el espacio. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío, es decir que no necesitan un medio para propagarse, pero pueden propagarse en otros medios (aire, agua, sólidos, líquidos) La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es de 300.000 km / s en el vacío. La velocidad cambia de acuerdo al medio en el cual se propague

Esta última aseveración nos señala que no podemos utilizar la velocidad de propagación para distinguir distintas ondas electromagnéticas. Tenemos otros parámetros como la frecuencia, la longitud de onda.

EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Al investigar diferentes ondas electromagnéticas desde el punto de vista de su frecuencia, los científicos descubrieron una extensa variedad, a la que denominaron “espectro electromagnético”. En él, la luz visible ocupa una pequeña porción, pues existen ondas de muchas menor frecuencia (y por lo tanto de mucha mayor longitud), así como ondas de enorme frecuencia (y de pequeñísima longitud). Las distintas regiones del espectro electromagnético se distinguen por sus “nombres” : ondas de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma.

Antes de analizar el espectro electromagnético, recordemos: * Notación Científica: * 300.000 = 3. 105

* 0,06 = 6 . 10-2

* 0,0034 = 3,4 . 10-3

* Longitudes pequeñas: utilizamos como unidad de medida el Armstrong (A), que es la diez mil millonésima parte del metro. 1 A = 10-10 m DISTINTOS TIPOS DE ONDAS DEL ESPECTRO. CARACTERÍSTICAS Ondas de radio: Son producidas al hacer oscilar los electrones de una “antena emisora”. Se producen también en fenómenos naturales: el hidrógeno que existe en el espacio interestelar emite radiación de λ =21 cm. Puede estudiar la generación de una onda de radio en la aplicación radio-waves Como el intervalo radio es muy extenso, se lo subdivide en:    

ondas largas (OL) – frecuencia muy baja. Altas longitudes de onda. ondas medias (OM) –frecuencia baja y media. ondas cortas (OC) – frecuencia alta y baja longitud de onda ondas VHF y UHF – frecuencias muy altas y ultraaltas (very hight frecuency –ultra hight frecuency)

Las ondas largas, medias y cortas son utilizadas para la emisión y recepción de mensajes sonoros. Son captadas por aparatos de radio en emisiones locales e internacionales, tanto comerciales como de radioaficionados, militares, etc. Las VHF y UHF se utilizan para emisión de televisión y son aprovechadas por la radioastronomía para captar información del universo. Las microondas son utilizadas en las comunicaciones satelitales y de radar (radio detection and ranging). Como toda onda electromagnética, las microondas calientan los cuerpos que las absorben. Este efecto se usa en los hornos a microondas ya que los alimentos absorben con facilidad ciertas frecuencias de microondas. Puede comprender mejor este fenómeno estudiando la aplicación microwaves

Ondas del infrarrojo: Se manifiestan en forma de calor y son irradiadas por todos los cuerpos en el universo, como resultado del continuo movimiento de sus moléculas y átomos. Cuando un cuerpo se calienta emite radiación infrarroja cuya longitud de onda va disminuyendo a medida que aumenta su temperatura. Esto se debe a que las moléculas vibran más rápidamente (aumenta la frecuencia) cuando aumenta la temperatura del cuerpo. Cuando éste alcanza una temperatura de alrededor de 700°C comienza a emitir, además de calor, luz de color rojo oscuro. Es por esta razón que hablamos de radiación infrarroja (antes del rojo o por debajo del rojo). Además de la piel (recuerda lo que ocurre cuando enchufas una estufa de cuarzo), son detectores de la radiación infrarroja las células fotoeléctricas, ciertas emulsiones fotográficas y otros instrumentos. Las aplicaciones de estas ondas van desde le campo militar hasta el medicinal. Ondas del intervalo visible: Forman una angosta banda de frecuencias, que se divide en los colores del espectro visible. El cuadro nos muestra, por ejemplo, que al color amarillo le corresponde una frecuencia de : 5,3 . 1014 Hz La luz es generada cuando los electrones de los átomos cambian sus niveles de energía. En esa transición emiten energía que es propagada por las ondas electromagnéticas. El ojo humano es el detector por excelencia para las ondas del intervalo visible. También son captadas por emulsiones fotográficas y células fotoeléctricas. Long de onda (10-7 m)

4

Color

violeta índigo verde amarillo naranja rojo

4,2

5

5,6

6

6,8

azul Frecuencia (1014 Hz)

7,5

7,1

6

5,3

5

4,4

Ondas del ultravioleta: como su nombre lo indica, estas ondas corresponden a frecuencias superiores a la de la luz de color violeta. Son emitidas por cuerpos que se encuentran a muy altas temperaturas y también cuando una corriente eléctrica pasa a través del gas encerrado un tubo. La radiación ultravioleta emitida por el Sol es la que hace que nuestra piel se broncee; pero un exceso de tal radiación puede causar serios daños en la piel o en la retina. La capa de ozono que forma parte de nuestra atmósfera nos protege de tal exceso de radiación ultravioleta. Sin esa capa la vida en la Tierra sería imposible. Cuando se realiza una soldadura eléctrica se emite gran cantidad de radiación ultravioleta. Por eso los soldadores protegen sus ojos con en máscaras que filtran el 99,75% de esa radiación. Un fenómeno llamativo relacionado con la radiación ultravioleta es la fluorescencia. Ciertos minerales absorben ondas del ultravioleta y como contrapartida emiten luz visible. Este efecto tiene muchos usos: pinturas fluorescentes, jabones que hacen “más blancas las prendas blancas”, líquidos que detectan irregularidades en superficies

muy pulidas, sustancias que sirven de indicadores en análisis bioquímicos. Estos materiales fluorescentes constituyen un detector de la radiación ultravioleta. Rayos X y Rayos gamma: Estas ondas de muy corta longitud se originan cuando electrones que se mueven a muy alta velocidad son detenidos bruscamente. La energía liberada se manifiesta entonces como ondas electromagnéticas de altísima frecuencia. Estas ondas son muy penetrantes y pueden causar serios daños orgánicos, y hasta la muerte ante una exposición no controlada. Si embargo cumplen una función muy útil pues permiten tomar radiografías de los huesos a través de los músculos de nuestro cuerpo. A mayor frecuencia aún, aparecen los rayos gamma, que se originan en procesos en los que intervienen los núcleos de los átomos. Estos rayos gamma suelen tener mayor frecuencia que los rayos X. De todos modos existen rayos X y rayos gamma de igual frecuencia. En este caso se los distingue por la naturaleza de la fuente que los produce, aunque tengan efectos idénticos. La radiación gamma forma parte de las emisiones radiactivas y es sumamente peligrosa para los seres vivos. Debidamente controlada es eficaz para esterilizar instrumental médico.” Desafíos para resolver, pensar, contestar, diagramar: 1.- Sintetiza en un cuadro sinóptico, tabla o diagrama, las propiedades de las diferentes regiones del espectro electromagnético, en cuanto a origen, características, detectores, efectos, usos. Puedes aprovechar el programa CMaps de tu computadora. 2.- Verifica si los datos correspondientes al espectro visible, cumplen en todos los casos con la ecuación: c= λ.f

realizando los cálculos correspondientes

(aclaración: con la letra c se denomina a la velocidad de la luz y de todas las ondas electromagnéticas en el vacío. Se utiliza la letra c por la inicial de la palabra “celeridad” ya que esa velocidad es la mayor velocidad que se conoce). 3.- Para investigar: a partir de los datos que te dimos al presentar las ondas del ultravioleta, te proponemos que investigues la relación con: * los tubos fluorescentes de iluminación (averigua de qué están recubiertos interiormente) * la luz negra que se usa habitualmente en las discotecas (¿notaste que las prendas blancas parecen brillar bajo esa luz?) *la eliminación de bacterias (recuerda lo que dijimos sobre el exceso de radiación ultravioleta) 4.- Las emisoras locales transmiten en una banda de frecuencias comprendida entre 550 kHz y 1660 kHz para los ondas medias (OM). Si a una de esas emisoras se le ha asignado una frecuencia de 1200 kHz, ¿de qué longitud son las ondas que emite? (recuerda que toda onda electromagnética cumple con la ecuación v = f . λ y que 1kHz = 1000 Hz

FENÓMENOS ONDULATORIOS Reflexión – Refracción –Difracción –Interferencia – Polarización – Efecto Doppler Te ofrecemos a continuación algunos textos y diagramas para comprender estos fenómenos que se pueden apreciar cotidianamente. Trataremos luego particularmente la refracción de la luz Reflexión: Cuando una onda llega a un obstáculo que impide su propagación, se refleja, es decir, vuelve al medio en que se propagaba. Parte de la energía puede haber sido absorbida por el obstáculo, pero por lo menos una parte vuelve como una onda de igual frecuencia y velocidad. Ejemplos de la reflexión de las ondas son el eco (en el caso de una onda sonora), y la reflexión en los espejos planos y curvos de las ondas de luz. El fenómeno de reflexión que verifican las ondas es importante en las comunicaciones, ya que la ionósfera (en algunos casos) y los satélites, funcionan como “espejos” para las ondas electromagnéticas de comunicación. Refracción: En otras circunstancias, una onda puede llegar a una superficie que separa dos medios en los que se puede propagar. Por ejemplo, una onda sonora que llega desde el aire a una superficie de agua, o una onda luminosa que llega a una superficie de vidrio. Cuando una onda llega a una superficie que separa dos medios diferentes en los que se puede propagar, se dan dos procesos: parte de la energía vuelve al primer medio por reflexión, pero otra parte continúa propagándose en el segundo medio: este fenómeno se llama refracción. La onda refractada mantiene su frecuencia, ya que es característica del emisor de la onda, pero al cambiar de medio, cambia su velocidad de propagación, y su longitud de onda. Difracción: Este fenómeno se observa cuando un frente de ondas atraviesa una ranura. Al achicar la ranura, de modo que su diámetro o espesor sea de la misma medida que la longitud de la onda, se observan deformaciones de las ondas en los bordes de la ranura, y ranura parece un nuevo emisor de ondas. De esta manera, al atravesar la ranura, la onda se desvía y llega a lugares que de otra manera no hubiese alcanzado. Decimos que la onda “bordea los obstáculos”. Interferencia: “ Cuando se cruzan dos o más ondas de la misma naturaleza y de igual longitud se produce el fenómeno de interferencia. Cuando se encuentran dos ondas, se produce un efecto aditivo en el lugar del encuentro, es decir que la perturbación en esa zona es consecuencia de la acción de ambas ondas. Después del encuentro, cada onda continúa su camino sin ninguna modificación. Si no sucediera de ese modo, no se podría

sintonizar ninguna radio, ya que las ondas emitidas por todas las emisoras de una región se superponen; sin embargo, mantienen su identidad, lo que permite sintonizar y decodificar la información que transportan. Pero ¿ qué ocurre en el lugar del encuentro?. Cuando dos ondas llegan a un mismo punto, la oscilación resultante es la suma de las oscilaciones que produciría cada una de ellas.” Extraído de Física I – Rubinstein-Tignanelli – Estrada Polimodal” Hay dos casos de interferencia particulares. Cuando en el punto de encuentro de dos ondas, llegan ambas crestas, o ambos valles, la interferencia que se produce es constructiva, y el efecto se refuerza. Cuando en el punto de encuentro llega la cresta de una onda, y el valle de la otra, la interferencia es destructiva, y el efecto se anula. Responden a la descripción de interferencia destructiva las frases: LUZ + LUZ = OSCURIDAD SONIDO + SONIDO = SILENCIO. Polarización: “Este fenómeno se observa en las ondas luminosas. Las ondas electromagnéticas que constituyen la luz son transversales. Por lo tanto vibran perpendicularmente a la dirección de propagación. Cuando se considera un rayo de luz que se desplaza en determinada dirección (por ej. de izquierda a derecha) alrededor de la dirección de propagación habrá infinidad de planos. LA LUZ VIBRA EN DISTINTOS PLANOS. Si a ese rayo luminoso se lo hace pasar por una sustancia polarizadora (por ejemplo, un cristal de calcita u otro filtro apropiado) solo emergen las ondas que vibran en uno de los planos, mientras que las otras han sido absorbidas por el polarizador o filtro. A esa luz, que emerge de polarizador, y que vibra en un solo plano, se la llama LUZ POLARIZADA. Esta propiedad se utiliza en los anteojos para sol y en los vidrios polarizados de los autos.” Extraído de Física 5 – Mautino – Ed. Stella Efecto Doppler: Este efecto se verifica para todo tipo de ondas. Para comprender mejor el efecto Doppler, APLICADO AL SONIDO, investiga qué relación hay entre la frecuencia de un sonido y su altura. La altura de un sonido es una característica propia de él. Los sonidos pueden clasificarse en graves o agudos, dependiendo de su altura, que está relacionada con la frecuencia. Lo puedes encontrar en un texto. Observa el video “Efecto Doppler” y sintetiza en qué consiste el efecto, y cuándo se produce. CARACTERÍSTICAS DEL SONIDO Investiga sencillamente en cualquier texto, las características del sonido: altura, intensidad y timbre. Explica claramente, en intensidad y altura, qué características de las ondas influyen y cómo. Nos referimos concretamente a frecuencia y amplitud.

1) ¿Cuándo un sonido es más grave que otro? 2) ¿Cuándo un sonido es más fuerte que otro? 3) En un mismo esquema representa dos sonidos, A y B, de manera que el sonido A sea más débil que el B. 4) En un mismo esquema representa dos sonidos, A y B, de manera que el sonido A sea a mitad de grave que el B.