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Ese castillo de fuegos artificiales al comienzo del principio 26 noviembre 2014

Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física, Prensa , añadir un comentario

Sobre el big bang y la expansión del universo

“En el principio creó Dios el cielo y la tierra”. Con estas palabras comienza el libro del Génesis y como sucede en otras religiones representa la fascinación que ha sentido siempre el ser humano por el universo que le rodea. Basta fijarnos en el seguimiento mediático que tuvo hace unas semanas el “aterrizaje” de la sonda Rosetta sobre el cometa 67P o en el éxito de películas de aventuras cósmicas como “Gravity” o la recientemente estrenada “Interstellar”. Es seguro que todo comenzó con aquel hombre prehistórico que en las cálidas noches de verano contemplaría las estrellas, quizá con asombro y temor, y se sorprendería con sus formas y movimientos aparentemente erráticos en la bóveda celeste. Aquel antepasado de las cavernas no hizo ningún descubrimiento crucial, pero nos dejó como herencia la inquietud y la curiosidad que habían nacido en él. Está claro que aquellos hombres primitivos no eran capaces de darse cuenta de un hecho con una importancia clave en cosmología y que, sin embargo, fue descubierto hace 85 años. En 1929, cuando la bolsa se desplomaba en Wall Street dando lugar a la Gran Depresión, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble provocaba el desplome de las ideas de Newton y Einstein de un universo estático, al descubrir que las distancias entre galaxias aumentan continuamente, lo que significa que el universo está en expansión. La bóveda celeste va aumentando de tamaño y las estrellas se alejan unas de otras y las más alejadas lo hacen con mayor velocidad.

¿Cómo pudo Hubble descubrir este hecho? El fundamento es el mismo por el cual los radares de las autovías nos multan si superamos una velocidad establecida o por qué el silbido del tren es más agudo cuando se acerca hacia nosotros y más grave cuando se aleja. Se trata del efecto Doppler que describe el cambio de longitud de onda que experimenta una onda cuando su foco emisor se acerca o se aleja de nosotros y cuya medida permite averiguar la velocidad con la que se desplaza este foco. En el caso de la luz, si la longitud de onda disminuye ha habido un desplazamiento hacia el azul debido a que el objeto se acerca. Si la longitud de onda aumenta, el desplazamiento ha sido hacia el rojo y el objeto se aleja de nosotros. Hubble comprobó el desplazamiento hacia el rojo de las galaxias, todas se alejan de nosotros, y concluyó que el universo estaba en expansión. Para el astrónomo John Huchra, de la universidad de Harvard, “éste es el descubrimiento cosmológico más importante de todos los tiempos”.

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George Lemaître entre Robert Millikan y Albert Einstein en 1933. (Fotografía: Georges Lemaître Centre for Earth and Climate Research)

Tema 6. Campo eléctrico (II) 24 noviembre 2014

Publicado por Augusto en Asignatura, Temas , añadir un comentario

La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales está dirigida a lo largo de la línea que une las dos cargas y depende de la inversa del cuadrado de su separación, lo mismo que la fuerza gravitatoria entre dos masas. Como la fuerza gravitatoria la fuerza eléctrica entre cargas en reposo es conservativa y existe una función energía potencial asociada con la fuerza eléctrica, siendo la energía potencial proporcional a la carga. Se comprueba como la circulación del campo electrostático creado por una carga puntual a lo largo de una trayectoria cerrada es nula, lo que implica que el campo es conservativo. La energía potencial por unidad de carga se denomina potencial eléctrico, y a kontinuación se obtiene el potencial debido tanto a una carga puntual como a diversas distribuciones continuas de carga. Conviene destacar que sólo es posible determinar diferencias entre los potenciales en dos puntos diferentes. No se puede hablar, por tanto, de potencial absoluto en un punto del espacio, sino sólo de diferencia de potencial entre dos puntos. Si deseamos hablar de potencial eléctrico en un punto dado tenemos que tomar arbitrariamente, como valor de referencia, el potencial en un punto determinado. Normalmente es conveniente elegir como origen el potencial del infinito, pero es importante señalar que esto no siempre es posible, basta citar como ejemplos los casos de la línea infinita cargada o del plano cargado. A partir de la relación del campo eléctrico y el potencial se indica como se puede calcular uno de ellos si se conoce el otro. Conocido el campo eléctrico puede calcularse el potencial calculando la circulación del campo, es decir, mediante una integral. Sin embargo, si el potencial eléctrico es el dato puede determinarse el campo eléctrico mediante el gradiente, es decir, derivando. Asimismo se introducen las superficies equipotenciales como aquellas superficies que tienen el mismo potencial en todos sus puntos. Por ejemplo, las superficies equipotenciales alrededor de una carga puntual son superficies esféricas concéntricas estando la carga situada en el centro de las mismas. Se comprueba como en cada punto de una superficie equipotencial el campo eléctrico es perpendicular a la superficie, esto es, las líneas del campo eléctrico son perpendiculares a las superficies equipotenciales. A continuación se introduce el concepto de flujo del campo eléctrico y se discute la ley de Gauss que relaciona el campo eléctrico que existe en los puntos de una superficie cerrada con la carga neta encerrada dentro de la misma. La ley de Gauss se deduce de la ley de Coulomb y es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell del Electromagnetismo. Esta ley proporciona un método práctico para el cálculo del campo eléctrico correspondiente a distribuciones de carga sencillas que posean una cierta simetría (esferas, cilindros, líneas, planos, etc.), haciendo uso del concepto de superficie gaussiana.

A partir de los conceptos anteriormente expuestos, en el tema  se estudian los conductores en equilibrio electrostático. Se puede definir un conductor como un material en el que las cargas eléctricas se pueden mover libremente. Haciendo uso de la ley de Gauss se deduce que la carga y el campo eléctrico en el interior de un conductor en equilibrio electrostático son nulos de modo que si el conductor está cargado su carga debe estar en la superficie. También utilizando la ley de Gauss se obtiene el valor del campo eléctrico en puntos exteriores próximos a la superficie del conductor, expresión conocida como teorema de Coulomb, comprobándose que en la superficie del conductor el campo eléctrico es normal a la misma. También se muestra como el potencial eléctrico es constante en todos los puntos de un conductor en equilibrio electrostático y, por tanto, que su superficie es una superficie equipotencial. De especial interés resulta el estudio del comportamiento de un conductor cuando se sitúa en un campo eléctrico externo, señalando que se producirá un movimiento transitorio de cargas dentro del conductor, dando lugar a un nuevo campo que, añadido al exterior, provoca un campo eléctrico interior resultante nulo. así como la discusión de la presión electrostática sobre la superficie de un conductor cargado, el poder de las puntas (campo eléctrico más intenso cerca de los puntos del conductor de menor radio de curvatura, como en los bordes o zonas puntiagudas) o el concepto de ruptura dieléctrica, es decir, el fenómeno por el cual muchos materiales no conductores se ionizan en campos eléctricos muy altos y se convierten en conductores. La magnitud del campo eléctrico para el cual tiene lugar la ruptura dieléctrica en un material se conoce como resistencia dieléctrica. Finalmente resulta interesante estudiar algunos sistemas de conductores, sobre todo aquéllos que contienen huecos en los que hay colocados otros conductores analizando el concepto de pantalla eléctrica.

Cuando el núcleo atómico saltó en pedazos 17 noviembre 2014

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Este año se conmemora el 75 aniversario del final de la Guerra Civil Española y del inicio de la Segunda Guerra Mundial, una auténtica apocalipsis en la que fallecieron, entre militares y civiles, más de sesenta millones de personas. En ese aciago año de 1939 los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann publicaron un artículo anunciando la fisión del uranio que habían descubierto en diciembre del año anterior. También en 1939 la física austríaca de ascendencia judía, Lise Meitner, junto con su sobrino, el también físico Otto Frish, explicaron teóricamente la fisión nuclear. Fueron precisamente Meitner y Frish los que, en un artículo de apenas dos páginas publicado en 1939 en la prestigiosa revista Nature, acuñaron el término “fisión nuclear” para describir este tipo de reacción nuclear en la que un núcleo atómico pesado, como el del uranio, se divide en dos o más núcleos pequeños al ser bombardeado con neutrones.

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Lise Meitner (1878-1968)

Tema 6. Campo eléctrico (I) 15 noviembre 2014

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Este tema está dedicado a la Electrostática, es decir, al estudio del campo y el potencial eléctricos originados por cargas eléctricas o distribuciones continuas de cargas en reposo. El tema comienza con el análisis de la electricidad con una breve discusión sobre el concepto de carga eléctrica y la naturaleza eléctrica de la materia, incidiendo especialmente en la conservación y cuantización de la carga, para pasar a la presentación de la ley de Coulomb, ley experimental que describe la fuerza entre dos carga eléctricas fijas puntuales. Posteriormente se introduce el concepto de campo eléctrico y se ve cómo puede describirse mediante líneas de campo o líneas de fuerza que tiene su origen en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas, siendo el vector campo eléctrico tangente en cada punto a estas líneas de fuerza y su intensidad viene indicada por la densidad de las líneas de fuerza. El principio de superposición se deduce de la observación de que cada carga produce su propio campo eléctrico, independientemente de todas las otras cargas presentes a su alrededor, y que el campo resultante es la suma vectorial de los campos individuales. Aunque la carga está cuantizada, con frecuencia se presentan situaciones en las que un gran número de cargas están tan próximas que la carga total puede considerarse distribuida continuamente en el espacio, siendo necesario utilizar una densidad de carga para describir una distribución de un gran número de cargas discretas. Se introducen las densidades volumétrica, superficial y lineal de carga. En este contexto se muestran algunos ejemplos de cómo se calcula el campo eléctrico debido a diversos tipos de distribuciones continuas de carga (segmento rectilíneo, anillo y disco). Posteriormente se analiza el movimiento de cargas puntuales en campos eléctricos, en particular en campos uniformes, considerando las situaciones en las que la carga incide con una velocidad tanto paralela como perpendicular a la dirección del campo.

125 años del metro y del kilogramo 4 noviembre 2014

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Hace 125 años Francia celebró una Exposición Universal en París para conmemorar el centenario del inicio de la Revolución Francesa, la toma de la Bastilla. La puerta de entrada a la Exposición era la Torre Eiffel, erigida en 1889, que es el símbolo más representativo de toda Francia. En septiembre de ese mismo año se reunió en París la “1ª Conferencia General de Pesas y Medidas” para poner orden en el auténtico laberinto de unidades utilizadas para medir masas y distancias. Ese año puede decirse que nacieron en París el metro (m) y el kilogramo (kg) como patrones internacionales de longitud y masa, respectivamente, aunque ambos ya habían sido adoptados en Francia durante la Revolución Francesa, cuando la Asamblea Nacional creó el sistema métrico decimal.

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Web de experiencias de Física 1 noviembre 2014

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En la web de “Experiencias de Física” realizada por profesores del área de Física Aplicada del Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante, tenéis disponibles 18 vídeos de prácticas y demostraciones de física que son de interés para el desarrollo de la asignatura. Siempre podréis acceder desde la sección Enlaces: Recursos didácticos.

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