oo o c o c na cl - upo.es€¦ · para un científico: responsables del comportamiento de la...

1

Temas 4 y 5: Electricidad y Magnetismo

Tema 6: Ondas: luz, sonido, ondas mecánicas

Temas 7 y 8: Materia y Radiación: Física subatómica

Bibliografía: “Física”, Wilson y Buffa, 5ª ed., Pearson

Bases Físicas y Químicas del M.A.

Ciencias Ambientales curso 2004/05

Profesor: Bruno Martínez HayaTutorías: viernes 8:30-14:30

Despacho 2.3.19 (edif. 2 planta 3)o Vicerrectorado de Estudiantes (edif. 9)

El electromagnetismo es...

Energía Química

Radiación Biología

OH

H2e

2e

FM 92.0

NN

OO

ClNa

O O

C

OO C

2

ADN

Medio Ambientey Mecánica Cuántica �Ψ(r,t)

Seminario impartido en el Departamento de Ciencias AmbientalesUPO, 13/03/03

ejemplos: APARICIÓN ESPONTÁNEA DE VIDAEFECTO INVERNADERO AGUJERO DE OZONO

La Entropía siempre crece: El universo tiende al desorden

Dos gases se mezclan

espontáneamente

CO2

O2 N2

NH3

CH4

En la Tierra se genera vida espontáneamente: ¡disminuye la entropía!

Toda la energíaes reemitida

Baja entropía:pocos fotones

Alta entropía:muchos fotones(más desorden)

orden espontáneo(seres vivos)

Vida en la Tierra: Conservación de la energía Aumento de la entropía

3

Efecto “invernadero”: Calentamiento de la atmósfera

0630 650 670 690 710

número de onda (cm-1)

abso

rban

cia

02300 2320 2340 2360 2380

número de onda (cm-1)

abso

rban

cia

Absorción infrarroja del CO2

OO C

IR

Termalización de la atmósfera por colisiones:colisión de N2 y con CO2 excitado

Absorción de radiación UV e IR en la atmósfera

ultr

avioleta

visible

infrarrojo

Radiación solar incidente sobre la Tierra

Radiación solar al nivel del mar

Efecto “horno infrarrojo”(parecido a un horno microondas)

radiación del sol radiación devuelta al espacio

absorción de laradiación por CO2:

calentamientode la atmósfera

CO2 y Efecto Invernadero

CaCO3

CO2 (y CH4 …)

Nat

ural

eza

Solu

ble

en a

gua

Vege

taci

ón

Hom

bre

2%

CarbónHidrocarburos

4

Formación y destrucción de ozono

OO

O

O3

O2

O

20-5

0 km

estr

atos

fera

Iono

sfer

a

OOUV

+O O

OOO O

OO+

Fotólisis del O2

Formación de O3

OO

O

UV

OO

O +

0-20

km

Tr

opos

fera

Mes

osfe

ra

Fotólisis del O3

OOOO + O

O+OO

Destrucción natural de O3

Formación de la capa de ozono: Mecanismo de Chapman

Concentración

O+

O3

OOO

Cl +

OO

+O

Destrucción catalítica de la capa de ozono

Destrucción de O3Cl

O+OCl

Cl

OO

+Recuperación del

catalizador

OOO

O + OO+O

O Reacción neta

El agujero de ozono antártico

Nubes polares:Destrucción de ozono en la

superficie de cristales de hieloTemas 4, 5: Electromagnetismo

Las fuerzas fundamentales

Fuerza gravitatoriaFuerza electromagnéticaFuerza nuclear débil (radiactividad)Fuerza nuclear fuerte

Para un científico: responsables del comportamiento de la materia y, por ende, de los procesos naturales

Para un ingeniero: Fuentes de energía

5

+

-

F = G m MR2

F

F

F

F

m

M

F = k q QR2

q

Q

Electromagnetismo frente a gravitaciónLas cargas eléctricas se atraen o repelen

+

++

-

F

F F

F

Ley de Coulomb

F = k q QR2

Q : cargaR : distancia

Q q

Q q

La interacción electromagnética es responsable de la formación de las moléculas

++FN FN

Núcleos atómicos(se repelen)

La interacción electromagnética es responsable de la formación de las moléculas

++FN FN

Fuerza totalsobre cada núcleo

Electrones(enlazan los núcleos)

-Fe1 Fe2

FTOTAL= FN + Fe

(Suma de vectores)

Ley de Coulomb

F = k

constantek = 9 109 N m2 C-2

carga elementale = 1.6 10-19 C

ε0 = 8.85 10-12 N-1 m-2 C2Permitividad eléctrica del vacío

k = 14π ε0

a menudo se utiliza:

q QR2

Ley de Coulomb

F = k



ε0 = 8.85 10-12 N-1 m-2 C2Permitividad eléctrica del vacío

k = = c2 (10-7 N s2 C-2 )14π ε0

a menudo se utiliza:

Velocidad de la luzc = 2.998 108 m/s

q QR2

6

Ley de Coulomb

F = k



Ley de Newton

F = G

constanteG = 6.67 10-11 N m2 kg-2

masa electrónme = 9.11 10-31 kgmasa protónmp = 1.67 10-27 kg

q QR2

m MR2

F = k

E = k QR2

q QR2

V = k QR

U = q V

F = q E

Algunas magnitudes fundamentalesFuerza entre cargas

Campo eléctrico generado por una carga

Potencial eléctrico generado por una carga

Energía potencial depor otra carga próxima

Fuerza y campo eléctricoson vectores

Energía y Potencial eléctrico son escalares

Potencial eléctrico producido por una carga

V = k QR

QCampo escalar

Superficiesequipotenciales

V1

V2U = q V = k q QR

Energía potencial de q

q

q

R

U = q V = k q QR

Energía potencial de q

U

Q y q del mismo signo

Q y q de distinto signo

Generación de energía eléctrica

q q q q qU1

U2

q q q q q

Corrienteeléctrica

EnergíaPrimaria

Energíaeléctrica

transformación de energía primaria(combustión, nuclear orenovable) a eléctrica

transformación de energía eléctrica a calorífica, mecánica...

Vector de campo eléctrico producido por una carga

E = k uRQR2

+

EE

E

E EE

E

E

Vector radial

Carga positiva

Campo vectorial

7

Vector de campo eléctrico producido por una carga

E = k uRQR2

-

EE

E

E EE

E

E

Carga negativa

Vector radial

Campo vectorial

Fuerza producida por un campo eléctricosobre una carga

F = q E

+E

F

-E

F

Carga positiva

Carga negativa

E

E

Cargas en un campo eléctrico constante

q

q

Campo vectorial

Las líneas de campo eléctrico indican la trayectoria que seguiría una carga positiva libre en el medio

Líneas de campo: paralelas al campo eléctrico en cada punto(nunca se cruzan)

E

+

+

+ +

--

-

-

El campo eléctrico en un punto es la suma de todos los campos eléctricos presentes

=

E = E1 + E2 + E3 + . . .

EE1

E2E3

Campo eléctrico generado por dos cargas del mismo signo

++

E1 E2

Campo eléctrico generado por dos cargas del mismo signo

++

E1E2

E Los campos se suman en cada punto

8

Campo eléctrico generado por dos cargas positivas

+ +

Las líneas de campo eléctrico indican la trayectoria que seguiría una carga positiva libre en el medio

Campo eléctrico en dos cargas de distinto signo

-+

E1

E2

ELos campos se suman en cada punto

Campo eléctrico en dos cargas de distinto signo

+ -

Campo creado por una placa infinita cargada

Campo uniforme, independiente de la distancia a la placa

E++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++


E

−−−−

−−−−−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−


−−−−

−−−−−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

E+

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

E-

E+

E-

E+

E-

Dos placas de cargas opuestas

9

−−−−

−−−−−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++E = 0


E = 0

Campo uniforme entre las placasY campo nulo en el exterior

El campo de un plano infinito cargado es uniforme

++++

++++

E1

E2

E

Plan

o ca

rgad

o in

fini

to

Campo enun puntocercano ala placa

El campo de un plano infinito cargado es uniforme

++++

++++

E

Plan

o ca

rgad

o in

fini

to

Campo enun puntolejano dela placa

E1

E2

E

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++

- - - - --- - -

El modelo de placas describe las tormentas

NUBE

TIERRA

RAYOS

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++++++ ++++ ++++

El modelo de placas cargadas describe elcomportamiento eléctrico de la membrana celular

VEXT= 0 mV

Membrana celular

Interior de la célula

Exterior de la célula

VINT= -70 mV

Alta concentración de Na+

Alta concentración de K+

Na++++ K++++ATP

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++

- - - - --

Modelo sencillo de membrana celular:Placas cargadas eléctricamente

E

carga ++++Q

carga -Q

D: distancia entre placas

V = 0 mV

V = -70 mV

10


E =σ

2ε0

Densidad de cargaen la placa:carga/área

Permitividad del vacío


++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

−−−−

−−−−−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++E = 0


E = 0

E =σε0

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++

- - - - --

Condensador: Placas con cargas opuestas

E = σ/ε0

carga Q = σ A++++ Q

- Q

D

Diferencia de potencial entrelas placas

V = E ⋅ D

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++

- - - - --


E = σ/ε0


- Q

D

Capacidad delcondensador(de almacenarcarga)

C = Q / V

Unidad S.I. Faradiode capacidad 1 F = 1 C V-1

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++

- - - - --


E = σ/ε0


- Q

D U = Q2 /2C= Q V/2= C/2V2

Energía almacenada en el condensador

Conductores, semiconductores y aislantes

Material conductor: Los electrones más externos son compartidos por los átomos y moléculas y se pueden mover libremente por la Banda de conducción del material. Al aplicar un campo eléctrico externo se produce un flujo de Electrones (corriente eléctrica)

+ + + + + + + + +++++++++++En

ergí

a po

tenc

ial Banda de

conducción-

- - - - ---

- - - ---- -

---

11

Conductores, semiconductores y aislantesMaterial aislante: Los electrones de valencia se encuentran fuertemente unidos a los átomos o moléculasAl aplicar un campo eléctrico externo los electrones permanecenunidos a sus átomos y se induce un dipolo eléctrico (el material sepolariza)

+ + + + + + + + +++++++++++En

ergí

a po

tenc

ial

Banda de conducción

-

- - - --

-

- -

-- ---

-

-- --Banda de valencia

Conductores, semiconductores y aislantesMaterial semiconductor: El acceso de los electrones a la banda de conducción es posible aplicando una cantidad moderada de energía(térmica, luminosa, ...). La conductividad del material se puedecontrolar además introduciendo “defectos” en su estructura.

+ + + + + + + + +++++++++++En

ergí

a po

tenc

ial

Banda de conducción

-

- - - --

-

- -

-- ---

-

-- -- Banda de valencia

-- -

Material conductor: Electrones pueden moverse libremente en el material

++++ ++++++++ ++++ ++++

++++ ++++++++ ++++ ++++

++++ ++++++++ ++++ ++++

++++ ++++++++ ++++ ++++−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−− −−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−− −−−−

Conductor en un campo eléctrico uniforme

E E

++++−−−−

iones fijoselectroneslibres

Conductor en un campo eléctrico uniforme

E E++++ ++++++++ ++++ ++++

++++ ++++++++ ++++ ++++

++++ ++++++++ ++++ ++++

++++ ++++++++ ++++ ++++−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−−−−−−−−− −−−−−−−−

−−−− −−−−

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−− −−−−

Material conductor: Electrones pueden moverse libremente en el material ++++

−−−−iones fijoselectroneslibres

E E

Carg

a su

perf

icia

lne

gati

va

Carga superficialpositiva


Campo interior igual al exterior pero con signo contrario

E E-E

E−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−

−−−−++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++


12


En el interior de un material conductorel campo eléctrico es siempre cero

E EE = 0

−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−

−−−−++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

Cabina de protección contra camposelectromagnéticos

El material conductor hace de escudo de radiación. El interior de la cabina es siempre una región libre de campo electromagnético

E E

−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−

−−−−++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

E = 0

Material aislante en un campo eléctrico

E E

++++ ++++−−−−−−−−

moléculas ++++−−−−

núcleos electronesligados

Molécula neutra en un campo eléctrico

E E++++ ++++−−−−

−−−−


E E++++ ++++−−−−

−−−−

los electrones se desplazan y deforman la nube eletrónica de la molécula


E E++++−−−−

Carga efectivanegativa positiva

se produce un dipolo inducido

+-

µ = Q D

D

13


E E++++−−−−

Carga efectivanegativa positiva

Polarizabilidadµ = α Ese produce un dipolo inducido

+- D

Material aislante en un campo eléctrico

E E++++−−−− ++++−−−− ++++−−−−++++−−−− ++++−−−− ++++−−−−++++−−−− ++++−−−− ++++−−−−

Cargas negativas

Cargas positivas

Material polarizado

Material aislante en un campo eléctrico:constante dieléctrica de un aislante

E EEINDUCIDO

E−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−

++++

++++

++++

++++++++

++++

En valor absoluto |EINDUCIDO | < | E |

Material aislante en un campo eléctrico:constante dieléctrica de un aislante

E EEINTERIOR

−−−−

−−−−−−−−−−−−−−−−

−−−−

++++

++++

++++

++++++++

++++

constante dieléctrica= ε’ (ε’ > 1)

ej.: membrana celular ε’≈10

EEINTERIOR

++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++

- - - - --

Condensador con un aislante entre placas


- Q

DE

∆V =

E = E0ε’

ε’

C = ε’ C0

E, ∆V, C : con material aislante

E0, ∆V0, C 0 : vacío entre placas

∆V0

ε’

Constante dieléctrica y solubilidad de las sales

Cl-Na+

NaCl

precipitado

Disolvente (agua)

F -FSaldisuelta

Salprecipitada

Fuerza entre iones

14

Cl-Na+F -FSal

disuelta

Fuerza entre iones

F = k q QR2

Fuerza en el vacío con disolventeq Q

R2kε’F =

ε’ alto buen disolvente de salesconstante dieléctrica del agua ε’= 80

Constante dieléctrica y solubilidad de las salesDisolvente (agua)

Constante dieléctrica y solubilidad de las sales

ClNa

Momento dipolar de la molécula de agua

+ -

1) O es más electro-negativo que H

2) pares solitariosde electrones

H

HO

--

--

Momento dipolar

del aguaµ = Q D = 1.8 Debye (fase gas)

= 2.5 Debye (fase líquida)

carga efectivapositiva

carga efectiva negativa

1 Debye = 3.3 10-30 C m

Molécula de agua en un campo eléctrico

Na+E

+-

cargaH2O

Energía de un dipolo en un campo eléctrico

+-

dipolo

E U = - µ E = - µ E cos θθµ Mínima energía θ = 0o

+- Eµ

Orientación más estable de la molécula de agua frente a los solutos iónicos

Na+E

carga H2O

+ -dipolo

+-

Cl-E El disolvente actúa como un dieléctrico

y atenúa el campo atractivo entre los iones

Na+ Cl-

++++−−−− ++++−−−− ++++−−−−

oo o c o c na cl - upo.es€¦ · para un científico: responsables del comportamiento de la...

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