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
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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
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 = = 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
constantek = 9 109 N m2 C-2
carga elementale = 1.6 10-19 C
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++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
Campo uniforme, independiente de la distancia a la placa
E
−−−−
−−−−−−−−
−−−−−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
Campo creado por una placa infinita cargada
−−−−
−−−−−−−−
−−−−−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
E+
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
E-
E+
E-
E+
E-
Dos placas de cargas opuestas
9
−−−−
−−−−−−−−
−−−−−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++E = 0
Dos placas de cargas opuestas
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
Campo uniforme, independiente de la distancia a la placa
E =σ
2ε0
Densidad de cargaen la placa:carga/área
Permitividad del vacío
Campo creado por una placa infinita cargada
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
−−−−
−−−−−−−−
−−−−−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
−−−−
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++E = 0
Dos placas de cargas opuestas
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
++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++
- - - - --
Condensador: Placas con cargas opuestas
E = σ/ε0
carga Q = σ A++++ Q
- Q
D
Capacidad delcondensador(de almacenarcarga)
C = Q / V
Unidad S.I. Faradiode capacidad 1 F = 1 C V-1
++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++
- - - - --
Condensador: Placas con cargas opuestas
E = σ/ε0
carga Q = σ A++++ Q
- 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
Material conductor: Electrones pueden moverse libremente en el material
Campo interior igual al exterior pero con signo contrario
E E-E
E−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−
−−−−++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
Material conductor: Electrones pueden moverse libremente en el material
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Material conductor: Electrones pueden moverse libremente en el material
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++++ ++++−−−−
−−−−
Molécula neutra en un campo eléctrico
E E++++ ++++−−−−
−−−−
los electrones se desplazan y deforman la nube eletrónica de la molécula
Molécula neutra en un campo eléctrico
E E++++−−−−
Carga efectivanegativa positiva
se produce un dipolo inducido
+-
µ = Q D
D
13
Molécula neutra en un campo eléctrico
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
carga Q = σ A++++ Q
- 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-
++++−−−− ++++−−−− ++++−−−−