Viaje a los limites del universo.2008 (Documental Ciencia N.G.Channel)

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Biografias Universales : René Descartes

Relatividad y Mecánica Cuántica

Relatividad

La teoría de la relatividad está compuesta a grandes rasgos por dos grandes teorías (la de larelatividad especial y la de la relatividad general) formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y elelectromagnetismo.

La primera teoría, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwelldel electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento. La segunda, de 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana pero coincide numéricamente con ella en campos gravitatorios débiles. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.

No fue hasta el 7 de marzo de 2010 cuando fueron mostrados públicamente los manuscritos originales de Einstein por parte de la Academia Israelí de Ciencias, aunque la teoría se había publicado en 1905. El manuscrito tiene 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas redactadas a mano, y fue donado por Einstein a la Universidad Hebrea de Jerusalén en 1925 con motivo de su inauguración.

Relatividad Especial 

La teoría de la relatividad especial, también llamada teoría de la relatividad restringida, publicada por Albert Einstein en 1905, describe la física del movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano, describe correctamente el movimiento de los cuerpos incluso a grandes velocidades y sus interacciones electromagnéticas y se usa básicamente para estudiar sistemas de referencia inerciales. Estos conceptos fueron presentados anteriormente por Poincaré y Lorentz, que son considerados como originadores de la teoría. Si bien la teoría resolvía un buen número de problemas del electromagnetismo y daba una explicación del experimento de Michelson-Morley, esta teoría no proporciona una descripción relativista del campo gravitatorio.

Tras la publicación del artículo de Einstein, la nueva teoría de la relatividad especial fue aceptada en unos pocos años por la práctica totalidad de los físicos y los matemáticos, de hecho personas como Poincaré o Lorentz habían estado muy cerca de llegar al mismo resultado que Einstein. La forma geométrica definitiva de la teoría se debe a Hermann Minkowski, antiguo profesor de Einstein en la Politécnica de Zürich; acuñó el término "espacio-tiempo" (Raumzeit) y le dio la forma matemática adecuada.4 El espacio-tiempo de Minkowski es una variedad tetradimensional en la que se entrelazaban de una manera insoluble las tres dimensiones espaciales y el tiempo. En este espacio-tiempo de Minkowski, el movimiento de una partícula se representa mediante su línea de universo (Weltlinie), una curva cuyos puntos vienen determinados por cuatro variables distintas: las tres dimensiones espaciales (,,) y el tiempo (). El nuevo esquema de Minkowski obligó a reinterpretar los conceptos de la métrica existentes hasta entonces. El concepto tridimensional de punto fue sustituido por el de evento. La magnitud de distancia se reemplaza por la magnitud de intervalo.

Relatividad General

Einstein expresó el propósito de la teoría de la relatividad general para aplicar plenamente el programa de Ernst Mach de la relativización de todos los efectos de inercia, incluso añadiendo la llamada constante cosmológica a sus ecuaciones de campo 5 para este propósito. Este punto de contacto real de la influencia de Ernst Mach fue claramente identificado en 1918, cuando Einstein distingue lo que él bautizó como el principio de Mach (los efectos inerciales se derivan de la interacción de los cuerpos) del principio de la relatividad general, que se interpreta ahora como el principio de covarianza general.Debe notarse que el matemático alemán David Hilbert escribió e hizo públicas las ecuaciones de la covarianza antes que Einstein. Ello resultó en no pocas acusaciones de plagio contra Einstein, pero probablemente sea más, porque es una teoría (o perspectiva) geométrica. La misma postula que la presencia de masa o energía «curva» al espacio-tiempo, y esta curvatura afecta la trayectoria de los cuerpos móviles e incluso la trayectoria de la luz.

Mecánica Cuántica

La mecánica cuántica (también conocida como la física cuántica o la teoría cuántica) es una rama de la física que se ocupa de los fenómenos físicos a escalas microscópicas, donde la acción es del orden de la constante de Planck. Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías, como por ejemplo lostransistores, componentes ampliamente utilizados en casi todos los aparatos que tengan alguna parte funcional electrónica.

La mecánica cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo en cualquier sistema físico –y por tanto, en todo el universo– existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede explicar debidamente la física clásica o más propiamente la mecánica clásica.

De forma específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma que no incorpora la relatividad en su formalismo, tan sólo como añadido mediante la teoría de perturbaciones. La parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas, es la mecánica cuántica relativista o ya, de forma más exacta y potente, la teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar)4 y más generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción que no se ha podido cuantificar ha sido lainteracción gravitatoria.

La mecánica cuántica es el fundamento de los estudios del átomo, su núcleo y las partículas elementales (siendo necesario el enfoque relativista). También en teoría de la información, criptografía y química.

Videos (vínvulos)

http://www.youtube.com/watch?v=OPxhSRYBTNc (Relatividad)

http://www.youtube.com/watch?v=XbnjTKC0Has (Mecáninca Cuántica)

Hoyos Negros

¿Qué es?

Un hoyo negro es uno de los objetos más extraños en el espacio. Es un área en el espacio donde la gravedad es tan fuerte que incluso la luz no puede escapar de él. Como la luz no puede escapar de un hoyo negro, éste aparece negro. La luz puede viajar más rápido que cualquier cosa que conozcamos, a una velocidad de 186,000 millas (300,000 kilómetros) por segundo. Si la luz no puede escapar de un hoyo negro, nada más que conozcamos puede. Un hoyo negro no es realmente un hoyo y no está vacío. Está lleno con una gran cantidad de material comprimido en un espacio extremadamente pequeño. Esto es lo que le da a un hoyo negro su gravedad tan fuerte. El término "hoyo negro" es usado porque estos objetos se observan como hoyos negros en el espacio ya que ellos no irradian luz.

Formación

Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking entre otros. Hawking, en su libro divulgativo Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988), repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros.

Dicho proceso comienza posteriormente a la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa), llámese muerte a la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose en una enana blanca. En este punto dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la auto atracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en éste.

En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso:




Por lo que este proceso comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos. El resultado final, una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos. Las partículas de neutrones implotan, aplastándose más, logrando como resultado un agujero negro, que es una región del espacio-tiempo limitada por el llamado horizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia que cae más allá de este horizonte dentro de un agujero negro no se conocen porque para escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente con dicha teoría.

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Ley de Coulomb

Coul.......quién?

Charles-Augustin de Coulomb (Angulema, Francia, 14 de junio de 1736 - París, 23 de agosto de 1806) fue un físico e ingeniero francés. Se recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor la unidad decarga eléctrica lleva el nombre de coulomb (C). Entre otras teorías y estudios se le debe la teoría de la torsión recta y un análisis del fallo del terreno dentro de la Mecánica de suelos.
Fue el primer científico en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas investigaciones sobre: magnetismo, fricción y electricidad. Sus investigaciones científicas están recogidas en siete memorias, en las que expone teóricamente los fundamentos del magnetismo y de la electrostática. En 1777 inventó labalanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre sí dos cargas eléctricas, y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo establecer el principio, que rige la interacción entre las cargas eléctricas, actualmente conocido como ley de Coulomb: .

Qué es un Coulomb?

El culombio o coulomb (símbolo C) es la unidad derivada del sistema internacionalpara la medida de la magnitud física cantidad de electricidad (carga eléctrica). Nombrada en honor del físico francés Charles-Augustin de Coulomb.

Se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.

En principio, el culombio sería definido en términos de cantidad de veces la carga elemental. El culombio puede ser negativo o positivo. El culombio negativo equivale a 6,241 509 629 152 650×1018 veces la carga de un electrón.1 2 El culombio positivo se obtiene de tener un defecto de electrones alrededor a 6,241 509 629 152 650×1018, o una acumulación equivalente de cargas positivas.

También puede expresarse en términos de capacidad y voltaje, según la relación:

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

La ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.

Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.

Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos.

La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario".

Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:

a) cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática);

Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección y sentido.

b) las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, pero de sentido contrario:

Fq1 → q2 = −Fq2 → q1 ;

Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.




En términos matemáticos, esta ley se refiere a la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia r y se expresa en forma de ecuación como:



k es una constante conocida como constante Coulomb y las barras denotan valor absoluto.

F es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (en función de que las cargas sean positivas o negativas).

- Si las cargas son de signo opuesto (+ y –), la fuerza "F" será negativa, lo que indica atracción

- Si las cargas son del mismo signo (– y – ó + y +), la fuerza "F" será positiva, lo que indica repulsión.




En el gráfico vemos que, independiente del signo que ellas posean, las fuerzas se ejercen siempre en la misma dirección (paralela a la línea que representa r), tienen siempre igual módulo o valor (q1 x q2 = q2 x q1) y siempre se ejercen en sentido contrario entre ellas.

Recordemos que la unidad por carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Coulomb.

c) hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.

Electricidad: Electromagnetismo, Campo Eléctrico, Potencial Eléctrico y Capacitancia.

Electricidad

(del griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.

Magnetismo

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro,cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.

Electromagnetismo

Como bien lo dice su nombre, es la unificación de ambos fenómenos físicos, y se puede estudiar como uno sólo. El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo como se conoce en la actualidad.

La naturaleza de las ondas electromagnéticas consiste en la propiedad que tienen el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambian en el tiempo. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio. La cantidad de energía transportada por una onda electromagnética depende de su frecuencia (longitud de onda) entre mayor su frecuencia mayor es la energía:

W = h f, 

-Donde W es la energía

-h es una constante (la constante de Plank) 

-f es la frecuencia.

El plano de oscilación del campo eléctrico (rayas rojas en el diagrama superior) define la dirección de polarización de la onda . Se dice que una fuente de luz produce luz polarizada cuando la radiación emitida viene con el campo eléctrico alineado preferencialmente en una dirección.

El electromagnetismo estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos que se unen en una sola teoría aportada por Faraday, que se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y magnéticos conocidas como las ecuaciones de Maxwell . Gracias a la invención de la pila de limón, se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conductor. De esta manera es la parte de la Física que estudia los campos electromagnéticos y los campos eléctricos , sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad y el magnetismo y las partículas subatómicas que generan flujo de carga eléctrica; el electromagnetismo, por ende se comprende que estudia conjuntamente los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

Campo Eléctrico

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modeloque describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.1 se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

(1)

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con elcampo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como encampos magnéticos variables.

Potencial Eléctrico

Este es definido como potencial eléctrico es el trabajo realizado en un punto específico por un campo electrostático, para poder trasladar una carga q positiva desde el punto de referencia mencionado, este se encuentra dividido por una carga de prueba.

Mas precisamente se puede definir lo anterior como el trabajo necesario de hacer por cierta fuerza externa para poder mover o atraer alguna carga unitaria q desde su punto de referencia hasta un punto determinado que se manifiesta en contra de la fuerza eléctrica, se debe considerar que el potencial eléctrico solo es válido en un campo estático creado por algunas cargas que pertenecen a una zona finita dentro de un espacio.

La unidad de potencial eléctrico en el sistema internacional es el volt (V), si se encuentra que cualquier punto en un campo eléctrico tienen un mismo potencial eléctrico, se dice que estos puntos forman una superficie potencial. Cuando se encuentra una carga dentro de un campo eléctrico, a esta carga se le ejerce una fuerza eléctrica, la cual es descrita por la siguiente expresión:



Para entender el potencial eléctrico es necesario hacer la siguiente simulación, digamos que se tienen dos placas en forma paralela una con respecto a otra, una placa se encuentra cargada positivamente mientras que la otra presenta una carga negativa, eta placas presenta una separación de d, se contempla una carga q que se encuentra entre las dos placas(A y B), esta carga se le ejerce una fuerza dada por la formula mencionada anteriormente, de forma que se puede obtener el trabajo que lleva a cabo el campo eléctrico debido a esta fuerza para mover la carga de la placa A hacia la placa B, de manera que tenemos:



O también:



De forma que la energía potencial eléctrica que es obtenida por esta carga en la placa B con cierta relación con la placa A, y se expone lo anterior mediante la siguiente expresión:



Cuando se aplica el concepto de potencial eléctrico en la industria o en lugares donde comúnmente se aplica, lo que se busca es el trabajo que se necesita para trasladar una carga unitaria de algún punto a otro diferente, aquí es donde entra la siguiente relación, ya que el trabajo que se emplea en contra de alguna fuerza eléctrica para trasladar una carga en un punto/placa A hacia un punto/placa B es equivalente a una diferencia de energía potencial entre estas posiciones (punto A y punto B), de forma que se puede definir la diferencia de potencia de la siguiente forma;

Una diferencia de potencia V en algún punto es equivalente al trabajo por unidad de carga, e cual se ejecuta en forma contraria a una fuerza eléctrica cundo se mueve alguna carga considerada de prueba, desde un punto hacia otro, esto se expresa matemáticamente de la siguiente manera:



Como expresa la formula anterior, la diferencia de potencia que está presente entre dos placas o puntos cargadas de forma opuesta (una positiva y otra negativa) es equivalente a la multiplicación de la distancia que separa a las dos placas o puntos por la intensidad del campo.

Capacitancia

Se le denomina capacitancia a la capacidad presente en ciertos cuerpos para almacenar o mantener una carga eléctrica, además también es empleada como una medida de una cantidad de energía eléctrica que se encuentra almacenada en un potencial eléctrico definido, la capacitancia es relacionada directamente con el capacitor o también denominado condensador, debido a que este tiene la propiedad de almacenar energía.

Esta capacitancia presente en un capacitor o condensador, depende estrictamente de ciertas características físicas de este, tales como:

El capacitor tiene dos placas que están frente a frente, si el área de esta placas es grande, la capacitancia del condensador aumenta.

Si las placas antes mencionadas, si la distancia entre ellas incrementa, la capacitancia del condensador disminuye.

La capacitancia de un condensador o capacitor es afectada por el material dieléctrico que se encuentra la placas, algunos materiales dieléctricos aumentan la capacitancia otro la disminuye.

Por último si llegase a ver un aumento de voltaje, loricadamente, también aumenta la carga almacenada.

Entre más voltaje de le aplique a un capacitor, habrá un incremento en el voltaje entre sus placas, de forma que el aumento de la carga Q es proporcional al voltaje, donde se tiene una constante de proporcionalidad denominada capacitancia (C.), de manera que se tiene la siguiente expresión:



Despejamos la constante de proporcionalidad (capacitancia) y se tiene:



En el sistema internacional, la capacitancia tiene como unidad de medida el farad (F), o faradio, en homenaje al físico Michael Faraday.

Como información adicional, se debe tomar en cuenta que un capacitor (condenador) tendrá una faradio de capacitancia si cuando recibe una carga de un Coulomb, el voltaje del capacitos incrementa a un voltaje de un volt.

Casi la mayoría de las veces (en especial en electrónica), al ser el valor de a capacitancia muy grande, se utilizan submúltiplos del mismo valor, es decir:

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