Potencial eléctrico

En un punto en el espacio, potencial eléctrico es energía potencial por unidad decarga eso se asocia a un estático (tiempo-invariante) campo eléctrico. Se mide típicamente adentro voltios, y es a Escalar de Lorentz cantidad. La diferencia en potencial eléctrico entre dos puntos se conoce como voltaje.

Hay también un eléctrico generalizado potencial escalar eso se utiliza adentro electrodinámica al tiempo-variar los campos electromagnéticos están presentes. Este potencial eléctrico generalizado no se puede interpretar simplemente como energía potencial, sin embargo.

El potencial eléctrico se puede concebir de como “eléctrico presión". Donde está uniforme esta “presión”, ninguna corriente fluye y nada sucede. Esto es similar a porqué la gente no siente la presión de aire atmosférica normal: no hay diferencia entre la presión dentro del cuerpo y el exterior, así que nada es fieltro. Sin embargo, donde esta presión eléctrica varía, un campo eléctrico existe, que creará a fuerza en partículas cargadas.

Matemáticamente, es potencial φ (a campo escalar) asociado a conservador campo eléctrico () que ocurre cuando campo magnético es el tiempo invariante (de modo que de Ley de Faraday de la inducción).

Como cualquier función potencial, solamente diferencia potencial (voltaje) entre dos puntos es físicamente significativo (descuidando quántum Efectos de Aharonov-Bohm), puesto que la constante se puede agregar al φ sin afectar (invariación de la galga).

El φ potencial eléctrico por lo tanto se mide en unidades de energía por unidad de la carga eléctrica. En SI las unidades, ésta son:

julio/culombio = voltio.

El potencial eléctrico se puede también generalizar para manejar situaciones con tiempo-variar campos potenciales, en este caso el campo eléctrico no es conservador y una función potencial no se puede definir por todas partes en espacio. Allí, una gota potencial eficaz es incluida, asociado coninductancia del circuito. Esta diferencia potencial generalizada también se llama fuerza electromotriz (emf).

Ejemplos de potencial eléctrico asociados a diferentes distribuciones de carga

Potencial debido a dos cargas puntuales

El potencial en un punto P debido a dos cargas es la suma de los potenciales debido a cada carga individual en dicho punto.

Potencial eléctrico generado por una distribución discreta de cargas

El potencial en un punto cualquier debido a un grupo de cargas punto se obtiene calculando el potencial debido a cada carga, como si las otras cargas no existieran, y sumando las cantidades así obtenidas.

En esto estriba la ventaja de cálculo del potencial sobre la de intensidad del campo eléctrico. Las superficies equipotenciales cortan perpendicularmente a las líneas de campo. En el gráfico se representa la intersección de las superficies equipotenciales con el plano XY.

Potencial eléctrico generado por un plano infinito

Un plano infinito con densidad de carga de superficie crea un potencial eléctrico saliente en la dirección perpendicular al plano de valor constante

Esfera conductora cargada

Sea Q/2 la carga total almacenada en la esfera conductora. Por tratarse de un material conductor las cargas están situadas en la superficie de la esfera siendo neutro su interior.

Potencial en el exterior de la corteza: El potencial en el exterior de la corteza es equivalente al creado por una carga puntual de carga Q en el centro de la esfera

Leyes de Gay-Lussac y Avogadro

Ley de Avogadro
Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión. Recuerda que la cantidad de gas la medimos en moles.
El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas:

¿Por qué ocurre esto?
Vamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que al haber mayor número de moléculas aumentará la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir, mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original.
Según hemos visto en la animación anterior, también podemos expresar la ley de Avogadro así:

(El cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante)

Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen V1 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá:

Que es otra manera de expresar la ley de Avogadro.

Ejemplo:
Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de gas hasta 1.40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión constantes)
Solución: Usamos la ecuación de la ley de Avogadro : V1n2 = V2n1
(3.50 L) (1.40 mol) = (V2) (0.875 mol)
Comprueba que si despejamos V2 obtenemos un valor de 5.60 L

Ley de Gay-Lussac
Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800. Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:
•Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.•Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.
¿Por qué ocurre esto?
Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.
Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor:

(el cociente entre la presión y la temperatura es constante)

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac.

Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en Kelvin.
Ejemplo:
Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg?
Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin:
T1 = (25 + 273) K= 298 K
Ahora sustituimos los datos en la ecuación:

Si despejas T2 obtendrás que la nueva temperatura deberá ser 233.5 K o lo que es lo mismo -39.5 °C.

Compresión

Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto.

Por otro lado, cada partícula de un frente de onda cualquiera oscila en dirección de la propagación, esto es, inicialmente es empujada en la dirección de propagación por efecto del incremento de presión provocado por el foco, retornando a su posición anterior por efecto de la disminución de presión provocada por su desplazamiento. De este modo, las consecutivas capas de aire (frentes) se van empujando unas a otras transmitiendo el sonido.

Resonancia, infrasonico, ultrasonico.

Resonancia
En física, resonancia está la tendencia de un sistema a oscile en el máximo amplitud en seguro frecuencias, conocido como el sistema frecuencias de la resonancia (o frecuencias resonantes). En estas frecuencias, pequeño uniforme periódico las fuerzas impulsoras pueden producir vibraciones grandes de la amplitud, porque el sistema almacena energía vibratoria. Cuando el humedecer es pequeño, la frecuencia de la resonancia es aproximadamente igual a frecuencia natural del sistema, que es la frecuencia de vibraciones libres. Los fenómenos resonantes ocurren con todo el tipo de vibraciones o de ondas; mecánico (acústico), electromagnético, y quantum funciones de la onda. Los sistemas resonantes se pueden utilizar para generar vibraciones de una frecuencia específica, o seleccione las frecuencias específicas de una vibración compleja que contiene muchas frecuencias.
La resonancia fue descubierta cerca Galileo Galilei con sus investigaciones de péndulos el comenzar en 1602.
La resonancia ocurre extensamente en naturaleza, y se explota en muchos dispositivos artificiales. Las ondas sinusoidales son generadas generalmente por la resonancia. Muchos sonidos que oímos, por ejemplo cuando los objetos duros del metal, del cristal, o de la madera se pulsan, son causados por breve vibraciones resonantes en el objeto. La luz y la otra longitud de onda corta radiación electromagnética es producido por la resonancia en una escala atómica, tal como electrones en átomos. Otros ejemplos son:
• resonancias acústicas de instrumentos musicales y nuestro cuerdas vocales
• las oscilaciones del rueda de balance en un mecánico reloj
• resonancia de marea de Bahía de Fundy
• resonancia orbital según lo ejemplificado por alguno lunas de Sistema Solar gigantes del gas
• la resonancia de la membrana basilar en cóclea del oído, que permite a la gente distinguir diversas frecuencias o tonos en los sonidos ella oye.
• resonancia eléctrica de circuitos templados en radios eso permite que las estaciones individuales sean tomadas
• creación de coherente luz por resonancia óptica en “láser" cavidad
• el romper de los cristales cristalinos cuando está expuesto a un tono musical de la echada derecha (su frecuencia de la resonancia).

Resonador
Un resonador es cualquier dispositivo o sistema que es capaz de entrar en resonancia o que tiene la capacidad de comportarse de manera resonante, lo cual quiere decir que oscila a unas determinadas frecuencias con una amplitud más grande que a las otras. Sin embargo, habitualmente el término se utiliza para referirse a los objetos físicos que oscilan a una determinada frecuencia debido a que sus dimensiones son una integral múltiple de la longitud de onda a aquellas frecuencias. Las oscilaciones u ondas a un resonador pueden ser electromagnéticas o mecánicas. Los resonadores se utilizan tanto para generar ondas de frecuencias determinadas o para seleccionar frecuencias específicas de una señal. Los instrumentos musicales utilizan resonadores acústicos que producen ondas sonoras de tonos específicos.
Una cavidad resonante es un resonador electromagnético, es un dispositivo formado por un cierto espacio limitado por superficies dieléctricas, que utiliza la resonancia para seleccionar determinadas frecuencias del conjunto de ondas electromagnéticas que lo atraviesan. Las cavidades resonantes acústicas en las que los sonidos se producen por el aire que vibra en una cavidad con una apertura suelen recibir el nombre de resonadores de Helmholtz.

Infrasonidos
Un infrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por debajo del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20 Hz).
El infrasonido es utilizado por animales grandes como el elefante para comunicarse en amplias distancias (sonidos de 100 dB SPL [Nivel de Presión de Sonido] a unos pocos kilómetros a la redonda) sin problema alguno. La clave de que estos animales puedan oír a dichas distancias es la separación de sus oídos, ya que esta es directamente proporcional a la frecuencia de onda que pueden captar (en diferencia con los animales de cabezas pequeñas).
La principal aplicación de los infrasonidos es la detección de objetos. Esto se hace debido a la escasa absorción de estas ondas en el medio, a diferencia de los ultrasonidos. Por ejemplo una onda plana de 10 Hz se absorbe cuatro veces menos que una onda de 1000 Hz en el agua. El inconveniente es que los objetos a detectar deben ser bastante grandes ya que, a tales frecuencias, la longitud de la onda es muy grande lo cual limita el mínimo diámetro del objeto. Como ejemplo diremos que un infrasonido de 10 Hz tiene una longitud de onda de 34 m en el aire, luego los objetos a detectar deben tener un tamaño del orden de 20 m en el aire y 100 m en el agua.

Ultrasonidos
Un ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20.000 Hz).
Algunos animales como los delfines y los murciélagos lo utilizan de forma parecida al radar en su orientación. A este fenómeno se lo conoce como eco localización. Se trata de que las ondas emitidas por estos animales sean tan altas que “rebotan” fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, esto hace que creen una “imagen” y se orienten en donde se encuentran.
Los ultrasonidos, son utilizados para tanto en aplicaciones industriales (medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros), como en medicina (ver por ejemplo ecografía, fisioterapia, ultrasonoterapia).
En el campo médico se les llama a equipos de ultrasonido a dispositivos tales como el Doppler fetal, el cual utiliza ondas de ultrasonido de entre 2 a 3 MHz para detectar la frecuencia cardíaca fetal dentro del vientre materno.
También son utilizados como repelentes para insectos. Hay varias aplicaciones para computadoras y celulares, las cuales reproducen una onda acústica como fue explicado anteriormente, la cual molesta a los insectos, en especial a los mosquitos.

Caracteristicas del sonido

Cualquier sonido sencillo, como una nota musical, puede describirse en su totalidad especificando tres características de su percepción: el tono, la intensidad y el timbre. Estas características corresponden exactamente a tres características físicas: la frecuencia, la amplitud y la composición armónica o forma de onda.

INTENSIDAD: La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción. Por ejemplo, en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo que generalmente la ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la intensidad del sonido.



ALTURA O TONO: Cada sonido se caracteriza por su velocidad específica de vibración, que impresiona de manera peculiar al sentido auditivo. Esta propiedad recibe el nombre de tono.
Los sonidos de mayor o menor frecuencia se denominan respectivamente, agudos o graves; términos relativos, ya que entre los tonos diferentes un de ellos será siempre más agudo que el otro y a la inversa.

TIMBRE: Si se toca el situado sobre el do central en un violín, un piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 hz. Debido a las propiedades acústicas del oído y las propiedades de resonancia de su membrana vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del oído sin sufrir cambios. La componente principal de la nota producida por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 hz. Sin embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son múltiplos exactos de 440 hz, los llamados tonos secundarios, como 880, 1.320 o 1.760 hz. Las intensidades concretas de esas otras componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de la nota

Fuentes sonoras

Se denomina fuente sonora al proceso mediante el cual un sonido es manipulado para generar en el oyente la sensación de estar moviéndose en un espacio real o virtual.

El sonido puede ser producido por distintos tipos de fuentes y procesos. Estos son:

1. Cuerpos en vibración. Un ejemplo de este tipo de fuentes es un diapasón, el cual al ponerse en vibración genera un cierto tipo de onda sonora. Al estar la fuente vibrando, causa un desplazamiento en el aire cercano, lo que produce cambios locales en la presión de aire. Estas fluctuaciones de presión viajan en forma de una onda. Los cuerpos en vibración son las fuentes sonoras más comunes.
2. Cambios en flujos de aire. Un ejemplo de este tipo de fuentes es lo que sucede cuando hablamos. Las cuerdas vocales se abren y cierran en forma alternada, produciendo cambios en la tasa del flujo de aire, lo que a su vez se traduce en una onda sonora. Este mismo principio se aplica a los instrumentos de viento como el clarinete u oboe. Otro ejemplo de este tipo de fuentes es una sirena, la cual produce sonido a través de una placa rotatoria bloquea en forma alternada el flujo proveniente de un compresor de aire.
3. Fuentes de calor. Una chispa eléctrica produce un sonido, tal como lo produce un trueno. En estos casos, el sonido se produce por un brusco cambio en la temperatura, el cual produce una veloz expansión del aire circundante.
4. Flujo supersónico. En el caso de un avión supersónico se producen ondas de choque que fuerzan al aire a viajar más rápido que la velocidad del sonido.

Ondas sonoras

El sonido empieza con vibraciones en el aire, como las que producen las cuerdas de una guitarra, las cuerdas vocales o un altavoz. Estas vibraciones fuerzan la unión de las moléculas cercanas de aire, lo que eleva ligeramente la presión de aire. Las moléculas de aire sometidas a presión empujan a las otras moléculas de aire que las rodean, que empujan a las moléculas colindantes, y así sucesivamente. A medida que las zonas de alta presión se desplazan por el aire, dejan áreas de baja presión tras ellas. Cuando estas oleadas de cambios de presión llegan hasta nosotros, vibran en los receptores de nuestros oídos y escuchamos las vibraciones en forma de sonido.

Cuando se observa formas de onda visuales que representan audio, lo que reflejan son estas ondas de presión de aire. La línea cero de la forma de onda es la presión del aire en reposo. Cuando la línea sube a un pico, representa una presión más elevada; si baja a un valle, representa una presión más baja.

Onda de sonido representada como forma de onda visual

A. Línea cero

B. Zona de baja presión

C. Zona de alta presión

Medidas de la forma de onda

Varias medidas describen las formas de las ondas de sonido:

Amplitud: Refleja el cambio de presión desde el pico de la forma de onda hasta el punto más bajo. Las formas de onda de alta amplitud son altas; las de baja amplitud son más silenciosas.

Ciclo: Describe una única secuencia repetida de cambios de presión, desde presión cero a alta presión, a baja presión y de nuevo a cero.

Frecuencia: Se mide en hertzios (Hz) y describe el número de ciclos por segundo. (Por ejemplo, una forma de onda de 1.000 Hz tiene 1.000 ciclos por segundo.) Cuanto mayor sea la frecuencia, más alto será el tono musical.

Fase: Se mide en 360 grados e indica la posición de una forma de onda en un ciclo. Cero grados es el punto de inicio, seguido de 90º a alta presión, 180º en el punto central, 270º a baja presión y 360º en el punto final.

Longitud de onda: Se mide en unidades, como pulgadas o centímetros, y es la distancia entre dos puntos con el mismo grado de fase. A medida que aumenta la frecuencia, disminuye la longitud de onda.

Un ciclo único a la izquierda y una forma de onda completa de 20 Hz a la derecha

A. Longitud de onda

B. Grado de fase

C. Amplitud

D. Un segundo