Motor electromagnético

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Las distintas partes de la Física

La Física, al igual que, naturalmente, muchas otras disciplinas, abarca diferentes campos o especialidades. Es muy difícil preparar una tabla que incluya todas las ramas de la Física. Más que difícil, es imposible, si se aspira a una clasificación definida y no problemática. Esto es así porque algunas “especialidades” en que se podría pensar se superponen en mayor o menor medida, como ocurre, por ejemplo, con la Física del Estado Sólido y la Física de los Materiales; la Astrofísica y la Relatividad General tienen asimismo muchos puntos en común; la Optoelectrónica es parte tanto de la Óptica como de la Electrónica; la Física Aplicada puede ser muchas cosas al mismo tiempo. Para evitar algunos de estos problemas, me voy a limitar a mencionar las principales, y más básicas, áreas de la Física, considerando, las denominadas por muchos ramas clásicas y ramas modernas.

El hombre, poseedor de una mente investigadora, ha tenido siempre una gran curiosidad respecto a cómo funciona la Naturaleza. Al principio sus únicas fuentes de información fueron sus sentidos y por ello clasificó los fenómenos observados de acuerdo a la manera en que los percibía. La “luz” fue relacionada con la visión y la Óptica se desarrolló como una Ciencia más o menos independiente asociada a aquélla. El “sonido” fue relacionado con la audición y la Acústica se desarrolló como una Ciencia relativa a este sentido. El “calor” fue relacionado a otra clase de sensación física, y por muchos años el estudio del calor (denominado Termodinámica) fue otra parte autónoma de la Física. El “movimiento”, evidentemente, es el más común de todos los fenómenos observados directamente, y la Ciencia del movimiento, la Mecánica, se desarrolló más temprano que cualquier otra rama de la Física. El movimiento de los planetas causado por sus interacciones gravitatorias, así como la caída libre de los cuerpos, fue satisfactoriamente explicado haciendo uso de la leyes de la Mecánica; por ello, la Gravitación se consideró tradicionalmente como una parte de la Mecánica. El Electromagnetismo, no estando relacionado directamente con ninguna experiencia sensorial –a pesar de ser responsable de la mayoría de ellas–, no apareció como una rama organizada de la Física sino hasta el siglo XIX.

Onda electromagnética. Créditos: Wikipedia.

De esta manera en el siglo XIX la Física aparecía dividida en una serie de ramas (llamadas clásicas): Mecánica, Acústica, Termodinámica, Electromagnetismo y Óptica, con muy poca o ninguna conexión entre ellas, aunque la Mecánica fue, con toda propiedad, el principio guía para todas ellas. De este modo se ha venido enseñando la Física y los cursos de Física General suelen abordar, con mayor o menor profundidad, cuestiones relacionadas con estas ramas. La razón de esto es que las ramas “clásicas” de la Física son, y seguirán siendo, campos muy importantes de especialización y actividad profesional. Incluso estos son los contenidos de la materias de “Fundamentos Físicos” que aparecen en las Directrices Generales Propias de las Nuevos Planes de Estudio de las Titulaciones Técnicas aprobadas por el Consejo de Universidades.

A finales del siglo XIX, los científicos creían haber descubierto y analizado casi todo lo que había que saber de Física. Sin embargo, a principios del siglo XX, se produjo una verdadera revolución que conmocionó al mundo de la Física. En el año 1900 Planck introdujo las ideas básicas que llevaron a la formulación de la teoría cuántica, y en 1905 Einstein formuló su teoría especial de la Relatividad. Estas dos teorías tuvieron un efecto profundo en el entendimiento de la Naturaleza y han dado lugar a nuevos descubrimientos y teorías en los campos de la Física Atómica, la Física Nuclear y de Partículas Elementales, la Física del Estado Sólido, así como de la Gravitación y la Cosmología. Todas ellas forman parte de lo que muchos denominan “Física Moderna”, y que cubre, aproximadamente, los desarrollos de la Física durante el siglo XX.

Ecuación de Schrödinger. Créditos: Wikipedia.

Sin embargo, es importante tener en cuenta hoy en día que existe una relación entre los fenómenos incluidos en las ramas “clásicas” y en las ramas “modernas”. Esta relación ha dado lugar a una nueva tendencia en el pensamiento, que mira a los fenómenos físicos desde un punto de vista unificado y, hasta cierto punto, más lógico. Ésta es, quizás, una de las grandes proezas de la Física del siglo XX. Así, por ejemplo, existen aspectos cuánticos dentro de la Óptica, en lo que se conoce como Óptica Cuántica, un ejemplo de ello es el láser. Algo similar ocurre con el Electromagnetismo, pues también existe una Electrodinámica Cuántica. Incluso en la Termodinámica existen efectos cuánticos, como el comportamiento del helio a bajas temperaturas y su superfluidez, o teorías cuánticas como las de los calores específicos.

Bibliografía

M. Alonso y E. J. Finn, Física. Vol. I: Mecánica. Addison-Wesley Iberoamericana. México (1986).

R. Feynman, R. B. Leighton y M. Sands, Física. Vol. I: Mecánica, Radiación y Calor. Addison-Wesley. México (1987).

G. Holton y S. G. Brush, Introducción a los conceptos y teorías de las Ciencias Físicas. Reverté. Barcelona (1988).

J. M. Sánchez Ron, Profesiones con futuro: Físico. Grijalbo. Barcelona (1994).

Profesiones: La Física. Hablando con Juan Rojo. Acento Editorial. Madrid (1994).

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Física y Ciencias Experimentales

Un objetivo de la Física es la comprensión de los componentes básicos de la materia y la búsqueda de las leyes universales que rigen los fenómenos naturales. Se trata, pues, de una Ciencia fundamental porque trata cuestiones del Universo tales como el tiempo, el espacio, la materia, el calor, la luz, el sonido, la electricidad, el magnetismo, etc. Todo suceso que ocurre en la Naturaleza posee algunas características que podrán apreciarse en función de las cuestiones citadas.

La Física ha proporcionado una base conceptual y una estructura teórica sobre la cual se han fundado otras ciencias experimentales y porque desde el punto de vista práctico, ha proporcionado técnicas que pueden utilizarse casi en cualquier área de investigación pura y aplicada. Por ello, es difícil encontrar una ciencia que no utilice técnicas físicas en su desarrollo. Como soy físico de formación (y de profesión), y por ello se me puede decir que parte demasiado interesada, que no soy un observador imparcial, pero puedo afirmar sin riesgo a equivocarme que la Física es posiblemente una de las ciencias más básicas y más fundamentales de todas las que existen, pues es la base de otros muchos campos científicos. Es difícil encontrar una actividad de investigación que no utilice conceptos, teorías y técnicas físicas en su desarrollo, incluyendo campos aparentemente tan alejados como la Arqueología, la Paleontología, la Música, etc. Esto da a la Física el carácter de ciencia fundamental.

Las concepciones de Newton, por ejemplo, pusieron en conexión la Mecánica y la Óptica con el Álgebra, la Geometría y el Cálculo Infinitesimal, vinculándose así, definitivamente la Física y las MATEMÁTICAS.

La ASTRONOMÍA, la Ciencia que explica los movimientos del Sol, de la Luna, de los planetas y de las estrellas, se basa en la Física. Los astrónomos utilizan cada vez más técnicas ópticas, espectroscópicas y de radiocomunicación. El uso de los radiotelescopios y la exploración del Universo con vehículos espaciales, equipados con aparatos automáticos de detección y transmisión, han contribuido extraordinariamente en los últimos años a un mejor conocimiento del Universo.

Telescopio de la Facultad de Ciencias Astrónomicas y Geofísicas de La Plata (Argentina). Créditos: Wikipedia.

En la GEOLOGÍA se utilizan métodos gravimétricos, acústicos, mecánicos y nucleares. La introducción de técnicas radiactivas (geocronología) ha permitido determinar más exactamente la edad y origen de los yacimientos geológicos. Lo mismo podemos decir de la OCEANOGRAFÍA, de la METEOROLOGÍA y de la SISMOLOGÍA.

En el campo de la BIOLOGÍA y de la MEDICINA, el estudio de las estructuras biológicas mediante métodos físicos como los Rayos X, los isótopos radiactivos y el microscopio electrónico son de gran valor en el descubrimiento de los secretos de las proteínas y genes. Los hospitales modernos están equipados con laboratorios en los cuales se utilizan abundantemente las técnicas físicas (ultrasonidos, bombas de cobalto, resonancia magnética nuclear, fibras ópticas, etc.).

La QUÍMICA, por su parte, a partir de Dalton y Lavoisier inicia una cierta dependencia conceptual con la Física. Puede decirse que el desarrollo de las dos Ciencias, ahora como en el pasado, presenta una gran interdependencia. De hecho, las fronteras entre la Química y la Física no siempre están claras.

Bibliografía

M. Alondo y E. J. Finn, Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995).

Profesiones: La Física. Hablando con Juan Rojo (Acento Editorial. Madrid, 1994).

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Tema 8. Corriente eléctrica

Este tema está dedicado al estudio de la corriente eléctrica, es decir, al estudio del movimiento de la carga eléctrica de una región a otra. El tema comienza con una descripción de la naturaleza de la corriente eléctrica, introduciendo los conceptos de intensidad y densidad de corriente. La intensidad de corriente es una magnitud escalar que representa la carga que fluye a través de la sección de un conductor por unidad de tiempo, mientras que la densidad de corriente es una magnitud vectorial cuyo flujo a través de una determinada superficie es precisamente la intensidad de la corriente. Un aspecto importante es la expresión que relaciona la densidad de corriente con magnitudes microscópicas de ésta como son el número de portadores de carga por unidad de volumen, la carga de cada portador y su velocidad de arrastre o desplazamiento.

Seguidamente se estudia la ley de Ohm y se introduce el concepto de resistencia y las expresiones para la resistencia equivalente de resistencias en serie y en paralelo. Utilizando la expresión del vector densidad de corriente se llega a una ecuación vectorial para la ley de Ohm que relaciona los vectores densidad de corriente y campo eléctrico aplicado mediante la conductividad o su inversa la resistividad. Es importante presentar algunos valores numéricos de la conductividad (o de la resistividad) para conductores, semiconductores y aislantes, así como señalar que mientras que la resistividad de un conductor metálico aumenta con la temperatura, la de un semiconductor disminuye cuando aquélla se incrementa.

La existencia de una corriente eléctrica a través de conductores que constituyen un circuito eléctrico implica una disipación de energía en forma de calor por efecto Joule, por lo que para mantener una corriente son necesarios otros elementos que aporten energía eléctrica al circuito. Ésta es la función de los generadores, dispositivos capaces de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica, y que vienen caracterizados por su fuerza electromotriz.

Finalmente, se describe brevemente la utilización de los amperímetros y voltímetros como instrumentos de medida de intensidades y diferencias de potencial en diferentes montajes.

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Tema 6 (Ampliación de Física): Dinámica tridimensional del sólido rígido

El estudio de la dinámica tridimensional de un sólido rígido es más complejo que el estudio de la dinámica plana del sólido rígido. Una cuestión importante a tener en cuenta es que en el caso tridimensional no sólo puede cambiar el módulo de los vectores velocidad angular ω, aceleración angular α y momento angular L, sino que también pueden cambiar sus orientaciones en el espacio. Recordemos que en la dinámica plana los vectores ω, α y L siempre se mantienen perpendiculares al plano del movimiento, de modo que si consideramos éste como el plano xy, entonces estos tres vectores tienen la dirección del eje z siendo, por tanto, paralelos entre sí.

Una vez familiarizados en temas anteriores con las técnicas utilizadas para determinar momentos de inercia y para analizar el movimiento de traslación y rotación de un sólido rígido en movimiento plano, se van a determinar las ecuaciones que describen el movimiento tridimensional de un sólido rígido que, en el caso en el que los ejes xyz solidarios con el sólido rígido tengan como origen el centro de masa G del sólido y además sean ejes principales de inercia, se reducen a las ecuaciones de Euler.

Se verá como, en el caso más general, los vectores ω y L  no serán colineales, a diferencia de lo que sucede en el caso del movimiento plano.

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