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FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO - TEMAS J Feb 2010 -



Este documento es una compilación de los temas que se han presentado en clase y puede considerarse un guía de estudio. El detalle de las respuestas, los valores de las constantes e información adicional son responsabilidad de cada estudiante complementar según su propia iniciativa y expectativas del curso. Cada estudiante debe de "terminar o completar" el problema asignandole valores a los parámetros y finalmente reflexionar sobre la respuesta.

La materia en el Universo se manifiesta en 3 variedades denominadas: 1. Positivo 2. Negativo 3. Neutro
Esa observación la hizo Charles Agustín Coulomb por los años de 1785. Su agudeza y perspicacia superaron las limitaciones técnicas de su época
El átomo de H, He, Li, etc., todos los elementos de la Tabla Periódica están compuestos de esas variedades

Definición: Éxtasis = Intenso sentimiento de admiración.

Al contemplar un fenómeno de la naturaleza no debemos sentir menos que éxtasis,… siempre!.
Fenómenos: una aurora boreal, la salida del Sol, la lluvia, la luz, el sonido, ….

0.
Observar o contemplar un fenómeno
1. Preguntarse qué es eso, por qué, su origen, cómo ocurre
2. Qué ley lo explica
3. Identificar el nombre de la ley
4. Identificar el texto de la ley
5. Aplicaciones

Cadenas de conceptos: q, E, Fuerza, Movimiento; I, B; q, v, B, FL.

Los fenómenos de la naturaleza relacionados con el electromagnetismo se explican con las Ecuaciones de Maxwell y la Ley de Lorentz.

Ecuaciones de Maxwell y Ley de Lorentz

1. Ley de Coulomb: (q, E), Ɛo, Existencia monopolos eléctricos
2. Ley de Gauss: (B),
μo, inexistencia de monopolos magnéticos
3. Ley de Ampere: (I, B), I (corriente eléctrica) ~Nqv
4. Ley de Faraday: (dB/dt, Ein, Vin), (dE/dt, Ides)
5. Ley de Lorentz: (interacción Vq, B)
6. Principio de Superposición


Trabajos para la casa:
1. un electroscopio
2. un motor eléctrico Torque, Momento de Inercia


Ejercicios:

1. Átomo de Hidrógeno
2. Viento solar
3. Visualizar y Calcular el campo eléctrico para algunas configuraciones de carga eléctrica


Ejemplo de una aplicación que se puede comprender con los conceptos discutidos en clase es el caso de la radiodifusión.
Este ejemplo se puede desglosar sistemáticamente en los siguientes escenarios:
Configuración del campo eléctrico de un dipolo (antena transmisora)
Variación del campo eléctrico introduciendo un oscilador de la polaridad
Energía de un campo eléctrico variando con el tiempo, E
a frecuencia
Transmisión de un campo eléctrico por el fenómeno de Inducción en un dipolo remoto (antena receptora)
Transmisión de variaciones de campo eléctrico,
Transmisión de información codificada
Transmisión de energía (el campo eléctrico es portador de energía)
Variación del campo eléctrico implica variación del campo magnético (Ley de Faraday)
Transmisión de energía …… concepto de onda electromagnética
Codificación de una señal: AM, FM
Circuitos electrónicos basados en capacitores e inductancias (bobinas) configuran:
Amplificadores y filtros decodificadores
Campo Eléctrico variando con el tiempo, baja frecuencia, alta frecuencia, f
~10E15 Hz Luz
Espectro Electromagnético Recurso Natural
Radio emisoras UN Frecuencia 98,5 MHz


24 de Feb 2010

Ejercicios:
1. Ejercite su imaginación cavilando en la siguiente definición que nos da el número de electrones que contiene un Coulomb.
Definición: 1 electrón = 1,6 10E-19 C entonces 1 C
~ 70 10E6 10E6 10E6 electrones (70 millones de millones de millones de electrones)
2. Cálculo del campo eléctrico a dos cm de una carga de 2 C. Respuesta: E
~10E13 V/m
3. Cálculo del Campo eléctrico producido al conectar una batería de 9 V a dos placas metálicas a) separadas 2 cm y b) por el espesor de una hoja
de cuaderno.
4. Ejemplo de un fenómeno que ocurre permanentemente en la alta atmósfera y que se puede comprender con los conceptos discutidos en clase es el caso de la interacción del viento solar con la magnetosfera (campo geomagnético):
Partículas procedentes del Sol impactan con gran velocidad en el Ecuador perpendiculares al campo geomagnético que tiene dirección sur norte. Esto las desvía hacia el oriente produciendo una corriente de oeste a este. La densidad de corriente implica un campo eléctrico zonal. Así la relación de proporcionalidad entre estas dos magnitudes implica la constante de proporcionalidad que es la conductividad del medio. Esto es la Ley de Ohm.
Ley de Ohm: (E, J) J =
σE

Cadena de conceptos

Velocidad implica Energía y esta a su vez implica Temperatura así ... ½ m v2 = Ec 3/2 kBT, donde kB es la constante de Boltzman

Ejercicios:
1. Calcular la velocidad cinética de un protón (un átomo de Oxígeno y Nitrógeno) a temperatura ambiente (T=300K). Esta es la velocidad de las partículas
en la superficie de la Tierra. (considere otros elementos y temperaturas y diseñe una Tabla)
2. Averiguar la velocidad (o rango) de las partículas entrantes del viento solar. (consulte en libros o Google)
3. Compare las velocidades de las partículas del viento solar con las de la superficie terrestre.
4. Estimar las temperaturas que las partículas del viento solar producirían si no fueran detenidas por el campo geomagnético.


Marzo 3 2010
TEMA PARADIGMAS. Hoy fue día de paro de transporte y faltó la mitad de los estudiantes así que hoy fue muy informal y lo aprovechamos para discutir acerca del propósito de esta página que fundamentalmente es compartir entre todos la experiencia individual. El objetivo es aprender como sea pero aprender. También se discutió lo que es un paradigma. En la ciencia desde su historia ha evolucionado a punta de paradigmas, cuando las ideas y conceptos se estructuran y formalizan se establece el paradigma y todo marcha fácilmente. Todo se vuelve una costumbre y la humanidad se acomoda a esa manera de hacer las cosas. Esto funciona bien por una época pero luego se torna en una barrera que represa las ideas. El paradigma establecido se ha instalado en la cultura y la mente de las personas y no las deja evolucionar. Se necesita una ó unas mentes brillantes, osadas, atrevidas, irreverentes, inteligentes que no le tienen miedo a hacer planteamientos alternativos al paradigma establecido trazando así nuevos horizontes. Entonces se plantea una ruptura del paradigma y se va estableciendo uno nuevo que cuando cumpla su ciclo deberá también cambiar.

No es fácil cambiar, nos da pereza, nos produce miedo, no creemos, pero hay que hacerlo. Porque si no lo hacemos otros lo harán y escalarán más alto. Nos da miedo porque no sabemos qué pasará en muchos posibles y nuevos escenarios. Pero no hay que temerle a esa incertidumbre, el ser humano es inteligente y sabe cómo adaptarse a las nuevas situaciones, esa es nuestra naturaleza. Recuerden cualquier problema hay que verlo como una oportunidad y es un reto que hay que superar. Piensen que ninguno de nosotros tomó un curso para aprender a hablar español ni para aprender a andar y esas son cosas muy dificiles. Los problemas nuevos realmente pueden ser dificiles pero no imposibles, a menos que lo creamos así.

Finalmente, nunca le temamos a los cambios y a la incomodidad y la incertidumbre que produce enfrentarse a un nuevo paradigma. Tengamos la confianza de aceptar el reto. Es más como profesionales de éxito les aconsejo que siempre esten a la caza de nuevos paradigmas para crear y busquen los procesos de ruptura. Eso hará la diferencia de unos profesionales de éxito con unos profesionales del promedio.

EJEMPLOS DE PARADIGMAS FAMOSOS: Un caso de paradigma en las concepciones cosmológicas fue el del modelo geocéntrico del universo que duró varios cientos de años. La ruptura la plantearon Galileo de Itália y el sacerdote Copérnico de Alemania. Aquí la Iglesia, que era minoría, protestaba por un cambio porque, por muchas razones, le convenía que la gente fuera ignorante de la verdad. La oposición era muy agresiva a pesar de que a la humanidad le convenía saber la verdad puesto que eso implicaría avances en el conocimiento. La luz considerada durante varios siglos como una onda fue otro famoso paradigma cuya ruptura la concibió Albert Einstein planteando la propuesta de la naturaleza dual onda-partícula de la Luz. Otro paradigma fue el concepto de la existencia eter que fue derrumbado por la interpretación que A. Einstein dió a los resultados del experimento de Michelson y Morley. En el siglo antepasado, ó incluso desde mucho antes, se creía que ningún cuerpo más pesado que el aire podría volar, la mente brillante de Leonardo Da Vinci tuvo la osadía de pensar diferente pero la tecnología de la época no le permitió acabar con ese paradigma. A comienzos del siglo pasado los hermanos Wright si pudieron acabar con el. Julio Verne en 1865 planteo la posibilidad de lo imposible para su época, la de viajar a la Luna.

Los paradigmas no solo estan en la ciencia sino en todos los campos de nuestra vida. La moda impone paradigmas la falda para la mujer era el paradigma de mediados del siglo pasado y la mujer que se atreviera a usar pantalones sería dúramente criticada. Otros ejemplos son la novela "Yo soy Betty la Fea", la serie "El Chapulín Colorado" que "mató" a Superman. Otros paradigmas que están evolucionando son: el niño que fuma se siente fuerte y la niña que fuma se cree y siente irresistiblemente sexy (a pesar del espantoso aliento que exala expulsa ó irradia). Nuestro presidente A. Uribe estaba consolidando un paradigma en la forma de gobernar. Los pueblos inteligentes deciden que paradigmas merecen. El sistema de transporte Transmilenio que reemplazó la cadena de miles de tiestos mal llamados buses produjo una imagen nueva en Bogotá. Me pregunto quién votaría por volver al sistema o paradigma anterior?. A pesar de todo, el actual sistema de transporte en Bogotá sigue siendo caótico extremo y debe cambiarse. Y cuando se plantean cambios llueven los argumentos en contra, cualquiera que sean las propuestas. En particular siempre protestan quienes no entienden y a quienes les interesa mantener el actual paradigma. En el caso del transporte a quienes les interesa son los dueños de la estructura que conforma ese paradigma. En nuestra Universidad hay cambios que hacemos, a veces son tan fuertes que se consideran rupturas y se establecen nuevos paradigmas que se consideran referentes en otras universidades. Nos gustaría que se instalaran modelos de hace 50 años en nuestra Universidad? Vemos con claridad que esos sistemas, aunque pudieron ser buenos en su época, son obsoletos ahora y se hizo bien al cambiarlos. Pero antes los directivos y estudiantes no lo veian con claridad, solo las mentes más abiertas y con visiones más claras pudieron diseñar e implementar cambios.

FINALMENTE. Los paradigmas nuevos son buenos pero cuando se consolidan demasiado tiempo se convierten en dañinos porque bloquean las mentes de las personas, la dinámica de cambio (y oxigenación) y por ende el progreso. Hay que pensar que si siempre hay algo mejor entonces busquémoslo. El establecimiento de un paradigma por demasiado tiempo fomenta la comodidad de que otros piensen por nosotros, la pereza y el status quo ó statu quo. No le tengan miedo a los cambios. Busquen rupturas, cambien paradigmas. No se comporten como gallinas porque Ustedes en el fondo no lo son. Sean osados al pensar y atrevidos al decir lo que piensan. Tarea para la casa, "hagan el ejercicio de pensar contra la corriente y reflexionen sobre la experiencia".


Marzo 16 de 2010. A continuación un resumen, presentado en la última clase magistral, de los principales temas vistos hasta ahora



Energía Potencial. Propiedad que depende de la posición respecto a un sistema de cargas eléctricas.
Cuando se hable de Energía Potencial de un sistema siempre hay que preguntarse dónde esta la Referencia ó la posición de la Energía Potencial cero.
Todos los cuerpos tienden a buscar niveles de energía potencial más bajos. Por eso caen en la Tierra.

Dispositivos RLC que almacenan energía y manipulan carga eléctrica.
Los capacitores, C, son dispositivos que almacenan campo eléctrico. Se puede calcular la energía almacenada en el campo eléctrico.
Los inductores, L, son dispositivos que almacenan la energía en un campo magnético.
Los Resistores, R, no almacenan energía por el contrario la disipan en forma de calor. Ley de Joule
Estructura de sistemas con dispositivos

Hoy se hizo énfasis en la definiciones de corriente y densidad de corriente.
Se mencionó la Ley de Biot & Savart y la Ley de Ampere.
Configuración de resistencias en serie y paralelo.
Las presentaciones que proyecté hoy en clase fueron que Ustedes puestas en la wiki por Ustedes mismos, así que todos tienen acceso a ellas.
Se acordó que el primer examen parcial se hiciera el 7 de abril.
Miércoles marzo 24 de 2010.

Leyes de Kirchoff