Benjamín Franklin

Benjamín Franklin

Nació en 1706, en Boston, político, científico y pensador estadounidense, fue una de las figuras políticas más importantes en la historia de los Estados Unidos. Adquirió celebridad por sus investigaciones en física experimental, sobre todo en el campo de la electricidad. Inventó el pararrayos. Desempeñó múltiples cargos, como el de miembro de la Asamblea de Pensilvania (1747), director de Comunicaciones de las Colonias (1753), representantes de las Colonias en Inglaterra (1757) y miembro del Congreso Continental (1775). Fue gobernador de Pensilvania. Muere en 1790.

Tales de Mileto

Tales de Mileto

(ca. 630 - 545 a. C.1) Fue el iniciador de la indagación racional sobre el universo. Se le considera el primer filósofo de la historia de la filosofía occidental, y fue el fundador de la escuela jónica de filosofía, según el testimonio de Aristóteles. Fue el primero y más famoso de los Siete Sabios de Grecia (el sabio astrónomo), y habría tenido, según una tradición antigua no muy segura, como discípulo y protegido a Pitágoras. Fue además uno de los más grandes matemáticos de su época, centrándose sus principales aportaciones en los fundamentos de la geometría. 

William Gilbert

William Gilbert

(Colchester, Inglaterra, 1544-Londres, 1603) Físico y médico inglés. Fue uno de los pioneros en el estudio experimental de los fenómenos magnéticos. Estudió medicina en la Universidad de Cambridge y en 1603 fue nombrado miembro del Real Colegio de Médicos. De 1601 a 1603 sirvió como médico de la reina Isabel I y del rey Jacobo I. En 1600 publicó Sobre el imán, cuerpos magnéticos, y el gran imán de la Tierra, donde se compilan sus investigaciones sobre cuerpos magnéticos y atracciones eléctricas; en él se concluye que la aguja de la brújula apunta al norte-sur y gira hacia abajo debido a que el planeta Tierra actúa como un gigantesco imán. Fue el primero en introducir los términos atracción eléctrica, fuerza eléctrica y polo magnético.

Charles Augustín Coulomb

Charles Augustín Coulomb

Es un Físico francés nacido en 1736. Su celebridad se basa sobre todo en que enunció la ley física que lleva su nombre (ley de Coulomb), que establece que la fuerza existente entre dos cargas eléctricas es proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa. Las fuerzas de Coulomb son unas de las más importantes que intervienen en las reacciones atómicas. Muriendo de sífilis en París, 1806.

Ley de gravitacion universal

Ley de Gravitación Universal. Esta ley predice la interacción atractiva entre dos cuerpos, planetas o pequeñas partículas, la cual produce un movimiento que concuerda con la descripción dada por las leyes de Kepler. El descubrimiento realizado por Newton de la Ley de Gravitación Universal implica que todos los objetos se atraen unos a otros con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Al someter a una sola ley matemática los fenómenos físicos más importantes del universo observable, Newton demostró que la física terrestre y la física celeste son una misma cosa. El objetivo es entender que la gravedad es universal.

Representación gráfica de las interacciones eléctricas

Formas de cargar un cuerpo

Formas de cargar eléctricamente un cuerpo 

A.- Electrizacion por contacto
Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva.

B.- Electrizacion por frotamiento
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.
Si frotas una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda.
Si frotas un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño a al lápiz.

C.- Electrizacion por inducción
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.
Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.
En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente
Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

En términos de movimiento de electrones, cuando...
A.- Un objeto con carga positiva se conecta a tierra:
Existe un flujo de electrones de tierra hasta la carga, carga neutra.
B.- Una esfera con carga negativa se pone en contacto con una neutra:
Existe un flujo de electrones de la carga hacia tierra.
C.- Una barra con carga positiva se acerca a una placa metálica neutra y aislada:
Se atraen los cuerpos.

Semiconductores

Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente

Los semiconductores más conocidos son el siliceo (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del siliceo es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que puden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado solido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.

Interacciones gravitaciones

La interacción gravitatoria es la interacción consecuencia del campo gravitatorio, esto es, de la deformación del espacio por la existencia de materia. Su estudio comenzó con Newton, al proclamar su célebre ley de atracción universal, siendo en la actualidad desarrolladas ideas sobre la misma a partir de la relatividad general de Einstein Desde el punto de vista clásico, la interacción gravitatoria, es la fuerza atractiva que sufren dos objetos con masa. Esta fuerza es proporcional al producto de las masas de cada uno, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separa. La constante de proporcionalidad es la constante de gravitacion universal, G: G = 6.67 × 10-11 N · m2/kg2 Esta fuerza esta presente en nuestra experiencia cotidiana ya que es la que nos mantiene unidos a la Tierra. Como la masa del planeta es muchísimo más grande que la de cualquier objeto que podemos encontrar a nuestro alrededor y la distancia al centro de la tierra de cualquier objeto humano es esencialmente constante, la aceleración, g, que sufrimos por la interacción gravitatoria con la Tierra es siempre la misma, tomando un valor de: g = 9.8 m/s2 La interacción gravitatoria es la responsable de los movimientos a gran escala en todo el universo, ya que es la que hace que los planetas sigan órbitas predeterminadas alrededor del Sol. Isaac Newton fue la primer persona en darse cuenta que la fuerza que hace que las cosas caigan con aceleración constante en la Tierra y la fuerza que mantiene en movimiento los planetas y las estrellas era la misma, y a el le debemos la primer teoría general de la gravitación.

Conductores y aisladores

Los materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de cargas eléctricas.

Conductores

Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la electricidad.

Aisladores

Los aisladores son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos conductores.

Interacciones Electricas

En física una interacción entre dos o más cuerpos, es la influencia dinámica que dichos cuerpos se ejercen mutuamente. 

Por extensión, es usual usarlo como sinónimo de fuerzas o "tipos" de fuerzas (interacciones gravitacionales, eléctricas  magnéticas, electro débiles, etc.). 

Pero también puede usarse para referirse específicamente a la segunda ley de newton en el experimento de choque elástico de dos partículas puntuales. Y pensando en el intercambio de momento lineal. 

dp / dt = M a 

Aquí, la "interacción" es "por contacto", a diferencia de las que mencioné arriba que se llaman interacciones a distancia. 

Estructura de la materia

La materia es todo lo que ocupa un lugar en el universo. Es todo aquello que se forma a partir de átomos o moléculas, con la propiedad de estar en estado sólido, líquido o gaseoso. Son ejemplos de materia las piedras, la madera, los huesos, el plástico, el vidrio, el aire y el agua. Al observar un paisaje pueden verse pájaros, árboles, un río, un caballo pastoreando, flores, etc. Todas esas cosas forman parte de la naturaleza y se pueden ver y tocar. Esa característica común (visible y palpable) que tienen todos los objetos se denomina materia. Es decir, la materia es lo que forman las cosas que tocamos y vemos.

La materia tiene volumen porque ocupa un lugar en el espacio. Además tiene masa, que es la cantidad de materia que posee un objeto y que se puede medir con una balanza. La materia, a diferencia de los objetos o cuerpos, no está limitada por la forma ni por el tamaño. A su vez, los objetos o cuerpos (por ejemplo una caja) pueden estar construidos por diferentes materiales (cartón, metal, madera, plástico). Además, un mismo objeto puede estar formado por uno o varios materiales (caja de madera con tapa de plástico y cerradura de metal). También, diferentes objetos pueden estar fabricados con el mismo tipo de material (balde, pelota y botella de plástico).En el universo, la materia suele encontrarse en tres estados diferentes de agregación: sólido (hierro, madera), líquido (agua de mar) y gaseoso (aire atmosférico). En estos tres estados de agregación se observan las siguientes características:

1) La materia está formada por pequeñas partículas.
2) Esas partículas están en constante movimiento (en los gases más que en los líquidos y sólidos).
3) Hay fuerzas de atracción entre las partículas que forman la materia (en los sólidos más que en líquidos y gases).

Esas partículas, que son pequeñísimas y que forman parte de la materia se denominan átomos.

ÁTOMO
Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos. Los átomos están formados por un núcleo que contiene dos tipos de partículas: los protones (tienen carga eléctrica positiva) y los neutrones (sin carga eléctrica). Ambas partículas tienen una masa similar. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones, que tienen carga eléctrica negativa y una masa muchísimo más pequeña que la correspondiente a los protones y neutrones. El átomo es eléctricamente neutro, ya que tiene tantos electrones como protones hay dentro del núcleo. Los electrones giran alrededor del núcleo en zonas llamadas orbitales, que se agrupan en niveles de energía. Los electrones que giran más cercanos al núcleo del átomo tienen menor energía que aquellos que lo hacen alejados del núcleo. Los electrones van llenando los orbitales desde la zona más cercana al núcleo hacia la más alejada. De esa forma, el último nivel que contenga electrones puede estar completo o incompleto.


Cuando el último nivel orbital está incompleto, el átomo es inestable y tiende a completarlo para ganar estabilidad. Para ello puede dar, recibir o compartir electrones con otros átomos. Es así como se forman agrupaciones de dos o más átomos. Un átomo puede prestarle a otro átomo uno o varios electrones. De esa forma ambos adquieren carga eléctrica. El átomo que gana electrones (queda cargado negativamente) se denomina anión. El átomo que pierde electrones (queda cargado positivamente) se llama catión. Tanto el anión como el catión reciben el nombre de "iones". Es decir, un ion es un átomo cargado eléctricamente, sea en forma positiva o negativa.

Esquema de un átomo

John Dalton propuso la denominada “Teoría Atómica” en el año 1808, donde se postula: 

1- La materia está formada por partículas indivisibles y pequeñas llamadas átomos. 

2- Un elemento químico es un tipo de materia formada por una sola clase de átomos. 

3- Cuando los átomos de dos o más elementos se combinan forman compuestos en una razón fija de números enteros.

4- Durante una reacción química, ningún átomo desaparece o se transforma en átomos de otro elemento. 

La teoría atómica dio lugar a tres leyes de la materia. 

-Ley de la conservación de la masa: durante los cambios químicos no se producen modificaciones apreciables en la masa. 

-Ley de la composición constante: un compuesto contiene siempre los mismos elementos y en igual razón por peso, independientemente de su origen. 

-Ley de las proporciones múltiples: cuando dos elementos forman dos compuestos distintos, la relación de masa de los elementos en un compuesto está asociada a la relación de masa en el otro compuesto a través de un número sencillo y entero.

MOLÉCULA 

Es la menor porción de una sustancia que puede existir en estado libre y conservar las propiedades de dicha sustancia. Por ejemplo, la menor porción de agua que puede existir en estado libre y conservar las propiedades del agua es la formada por 1 átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno. La molécula es una estructura formada a partir de la unión de dos o más átomos que comparten electrones. A temperatura ambiente hay moléculas sólidas (cloruro de sodio o sal común), líquidas (agua) y gaseosas (dióxido de carbono). En síntesis, la materia está formada por partes muy pequeñas llamadas átomos. Los átomos se reúnen para constituir moléculas. A su vez, las moléculas se unen para formar sustancias. El suelo, el aire y el agua no tienen vida. Pertenecen al mundo mineral o inorgánico. La materia que forma el agua, suelo y aire se llama materia inorgánica. El árbol, el caballo y el humano, entre otros, pertenecen al mundo de los seres vivos. La materia que los forma se llama materia orgánica. Los compuestos o sustancias orgánicas son aquellos que comprenden a los hidrocarburos y sus derivados. Los hidrocarburos son elementos formados por átomos de carbono y de hidrógeno. Las sustancias inorgánicas comprenden a los restantes compuestos químicos que, en general, se encuentran en la naturaleza como minerales.

Molécula de agua

Molécula de oxígeno

PROPIEDADES DE LA MATERIA

ESTADOS DE LA MATERIA 

El estado en que se encuentra la materia (sólido, líquido y gaseoso) depende de la energía que poseen las partículas (átomos, moléculas y iones) que constituyen la materia, y de las fuerzas de atracción que existen entre ellas. Además, también depende de las condiciones de temperatura y presión a las que están sometidas esas partículas. 

Estado sólido 

Las partículas que forman los sólidos se atraen fuertemente, están cerca unas de otras y dispuestas de manera ordenada, lo que le dan la característica de ser estructuras rígidas. Tienen poco espacio para moverse, ya que solo pueden hacerlo vibrando en posiciones fijas. Esta particularidad les da la característica de tener forma y volumen constantes. 

Estado líquido 

Las partículas que forman los líquidos se atraen parcialmente y tienen más libertad para moverse que en los sólidos, pero no llegan a separarse de las demás, por lo que conservan su volumen. Esas partículas disponen de más espacio y pueden deslizarse unas sobre otras con facilidad. Esto explica por qué los líquidos tienen forma variable, adoptando la del recipiente que los contiene. Una característica de los líquidos es la fluidez, ya que pueden trasladarse hacia otros lugares y atravesar orificios muy pequeños. Otra propiedad es la viscosidad, debido a que poseen cierta dificultad para desplazarse a raíz del rozamiento de sus partículas. 

Estado gaseoso 

En los gases prácticamente no existen fuerzas de atracción que mantengan unidas las partículas que los forman. Es por eso que sus partículas están muy separadas entre sí y existe más espacio vacío que en los líquidos o en los sólidos. Ello permite que se muevan con mayor facilidad, al azar y con bastante rapidez. Así se explica que los gases tengan una forma y un volumen variables y sean expansibles, es decir, ocupen todo el espacio disponible. 

Cambios de estado de la materia

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

La materia se clasifica en sustancias puras y mezclas. Las sustancias puras, que a su vez pueden ser simples y compuestas, se caracterizan por tener composiciones fijas y responder a propiedades constantes. Las sustancias compuestas pueden separarse mediante procedimientos químicos.


Las mezclas están formadas por dos o más sustancias puras y se dividen en homogéneas y heterogéneas. Los componentes de una mezcla se pueden separar utilizando procesos físicos.

SUSTANCIAS PURAS

Una sustancia es cualquier variedad de la materia de aspecto homogéneo que comparte determinadas propiedades, como el color, la densidad, la temperatura de ebullición y la temperatura de fusión, entre otras. 

Ley de Coulombio

Ley de Coulomb

Cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen.

La fuerza eléctrica que actúa sobre una carga puntual q₁ como resultado de la presencia de una segunda carga puntual q₂ esta dada por la ley de Coulomb:

donde ε₀ = permitividad del vacío

Note que esto satisface la tercera ley de Newton porque implica que sobre q₂, actúa exactamente la misma magnitud de la fuerza. La ley de Coulomb es una ecuación vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de unión de las cargas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen. La ley de Coulomb describe una fuerza de alcance infinito que obedece la ley del inverso del cuadrado, y es de la misma forma que la ley de la fuerza de la gravedad.

Carga Eléctrica

Como toda definición de una fuerza fundamental de la naturaleza es difícil explicar lo que es una carga eléctrica:

La carga eléctrica es una propiedad de la materia que se traduce o que provoca que los cuerpos se atraigan o se repelen (se rechacen) entre sí en función a la aparición de campos electromagnéticos generados por las mismas cargas. Se dice entonces que es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta según la convención de Benjamín Franklin en positiva y negativa, de manera que dos cargas positivas o negativas se van a repeler y dos cargas una positiva y una negativa se van a atraer. También se dice que la carga eléctrica está cuantizada, es decir que hay una carga tan pequeña que todas las demás cargas son múltiplos exactos de esta, por lo que llamada también "carga elemental". Refiriéndose a la carga de un electrón (negativa) o la carga de un protón (idéntica en magnitud pero positiva). También la carga eléctrica del universo es finita (es decir que hay un número finito de electrones y protones) y que es neutra (que hay tantos protones como electrones) pero eso es un poco especulativo. La unidad utilizada para medir la carga eléctrica es el coulomb (coulombio o colombio) cuyo símbolo es una C (mayúscula) y se le dio ese nombre en honor a Charles Coulomb el científico que encontró la ley que gobierna este tipo de fenómenos.

Electrostática

La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas. La electrostática estudia las fuerzas eléctricas producidas por distribuciones de cargas a través de conceptos tales como el campo electrostático y el potencial eléctrico, y de leyes físicas como la ley de Coulomb. 

Históricamente la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Posteriormente, las leyes de Maxwell permitieron mostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobernaban los fenómenos magnéticos pueden ser estudiados en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.