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Electricidad
por es.wikibooks.org

Sumario


Electricidad

La electricidad es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos, además de una tecnología que aprovecha los efectos eléctricos.

La electricidad como fenómeno físico, esta arraigado a la propia estructura de la materia, dado que es el movimiento de los electrones que constituyen la corteza atómica lo que realmente forma la corriente eléctrica.

Veamos un tratado sobre electricidad.
Ejemplo de terrella activa.

Índice ----------------- Texto completo - Versión para imprimir

Historia

Antigüedad

Hacia el año 600 adC, el filósofo griego Tales de Mileto observo que frotando una varilla de ámbar con una piel o con lana podía atraer cuerpos pequeños. También había observado que si la frotaban mucho tiempo podrían causar el salto de una chispa.

Magnetita

Cerca de Mileto, (en la actualidad Turquía), se encuentra un sitio arqueológico llamado Magnesia, donde en la antigüedad se encontraron trozos de magnetita. Los antiguos griegos observaron que los trozos de este material se atraían entre sí, y también a pequeños objetos de hierro. La palabra magneto (en español, imán) proviene del lugar donde se descubrió.

Un objeto fue encontrado en Iraq en 1938, fechado alrededor de 250 adC, llamado la Batería de Bagdad, se asemeja a una celda electroquímica. No se han encontrado documentos que evidencien su utilización, aunque hay otras descripciones anacrónicas de dispositivos eléctricos en muros egipcios y escritos antiguos.

Edad Moderna

En 1600 el científico inglés William Gilbert publicó su libro De Magnete, en donde utiliza la palabra latina «electricus» derivada del griego elektron, que significa ámbar, para describir los fenómenos descubiertos por los griegos. También estableció las diferencias entre el magnetismo y la electricidad.

Estas investigaciones fueron continuadas en 1660 por Otto von Guericke quien inventó un generador electrostático. Robert Boyle afirmó en 1675 que la atracción y repulsión pueden producirse en el vacío. Stephen Gray en 1729 clasificó los materiales como conductores y aislantes. C.F. Du Fay fue el primero en identificar los dos tipos de carga eléctrica que más tarde se llamarían positiva y negativa. Pieter van Musschenbroek inventó en 1745 la botella de Leyden, un tipo de capacitor para almacenar cargas eléctricas en gran cantidad. William Watson experimentó con la botella Leyden, descubriendo en 1747 que una descarga de electricidad estática es equivalente a una corriente eléctrica.

Corte de una botella de Leyden

Benjamin Franklin en 1752 experimentó con la electricidad haciendo volar una cometa durante una tormenta. Demostró que el relámpago es debido a la electricidad. Como consecuencia de estas experimentaciones inventó el pararrayos y formuló una teoría sobre un fluido que explicara la presencia de cargas positivas y negativas.

Charles-Augustin de Coulomb en 1777 inventó una balanza de torsión para medir la fuerza de repulsión y atracción eléctrica. Por este procedimiento formuló el principio de interacción de cargas eléctricas (ley de Coulomb).

Edad Contemporánea

Hans Christian Oersted en 1819 observó que una aguja imantada se orientaba colocándose perpendicularmente a un conductor al cual se le hacia pasar una corriente eléctrica. Siguiendo estas investigaciones, Michael Faraday en 1831 descubrió que se generaba una corriente eléctrica en un conductor que se exponía a un campo magnético variable.

Pila de Volta. a) Disco de cobre. b) Disco de cinc. c) Capa intermedia humedecida.
Anillo utilizado por Faraday en el descubrimiento de la inducción magnética

Luigi Galvani en 1790 descubrió accidentalmente que se producen contracciones en los músculos de una rana en contacto con metales cargados eléctricamente. Alessandro Volta descubrió que las reacciones químicas podían generar cargas positivas (cationes) y negativas (aniones). Cuando un conductor une estas cargas, la diferencia de potencial eléctrico (también conocido como voltaje) impulsa una corriente eléctrica a través del conductor. La diferencia de potencial entre dos puntos se mide en unidades de voltio, en reconocimiento al trabajo de Volta. Humphry Davy en 1807 trabajó con la electrólisis y aisló de esta forma los metales alcalinos.

En 1821 el físico alemán Thomas Seebeck descubrió que se producía una corriente eléctrica por la aplicación de calor a la unión de dos metales diferentes. Jean Peltier en 1834 observó el fenómeno opuesto, la absorción de calor mediante el paso de corriente en una unión de materiales.

Georg Simon Ohm en 1827 dio una relación (Ley de Ohm) que liga la tensión entre dos puntos de un circuito y la intensidad de corriente que pasa por él, definiendo la resistencia eléctrica. El físico alemán Gustav Kirchoff expuso dos reglas, llamadas Leyes de Kirchoff con respecto a la distribución de corriente eléctrica en un circuito eléctrico con derivaciones.

James Prescott Joule en 1841 desarrolló una ley que establece la cantidad de calor que se produce en un conductor por el paso de una corriente eléctrica. Wheatstone en 1844 ideó su puente para medir resistencias eléctricas.

En 1878, Thomas Alva Edison construyó la primera lámpara incandescente con filamentos de bambú carbonizado. En 1901 Peter Hewitt inventa la lámpara de vapor de mercurio.

Bombilla de Edison

En 1873, el físico británico James Clerk Maxwell publicó su obra Tratado sobre electricidad y magnetismo, en donde, por primera vez, reúne en cuatro ecuaciones la descripción de la naturaleza de los campos electromagnéticos. Heinrich Hertz extendió esta teoría y demostró que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnéticas, como la luz. Estas investigaciones posibilitaron la invención del telégrafo sin cables y la radio.

Nikola Tesla experimentó con alto voltaje y corriente alterna polifásica de esa manera inventó el alternador y el primer motor de inducción en 1882.

Por medio de los trabajos de Johann Wilhelm Hittorf, Williams Crookes inventó en 1872 el tubo de rayos catódicos. Utilizando un tubo de Crookes el físico alemán Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X. Joseph John Thomson investigando el flujo de rayos catódicos descubrió el electrón. En 1906 el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de "la gota de aceite", determinó la carga del electrón.

Actualmente, la comprensión y control del fenómeno eléctrico ha posibilitado la implantación de la electricidad en todos los tipos de aplicaciones industriales del ser humano e incluso en medicina (fisioterapia, electroterapia, etc)

Carácter eléctrico de la materia

Fundamentos

Para comprender los principios básicos en que se funda la electricidad debemos tener en claro ciertos conceptos que desarrollaremos a continuación:

Materia es todo aquello que tiene masa y conserva un lugar en el espacio; a su vez, la misma se encuentra formada por partículas llamadas átomos.

Según estudios realizados a principio del siglo veinte se ha observado que el átomo a su vez se encuentra formado por partículas subatómicas, a saber;

  • Electrones, los mismos poseen carga eléctrica negativa (-) y se desplazan en una orbita elíptica al núcleo del átomo.
  • Protones, estos se encuentran en el núcleo del átomo y poseen una carga eléctrica positiva (+).
  • Neutrones, también se encuentran en el núcleo del átomo, y como su nombre lo indica posee carga neutra.

En su estado natural un átomo posee la misma cantidad de electrones que protones, obteniendo un átomo “neutro”. Sin embargo si el mismo poseyera mas protones que electrones se lo denominaría Ion positivo, caso contrario seria un Ion negativo.

Teniendo en claro estos conceptos básicos podemos comprender el carácter eléctrico de la materia:

Imaginemos por un instante que poseemos un átomo en un conductor metálico, supongamos que ese átomo A posee un electrón que se ha movido hacia la órbita exterior del átomo, la atracción producida por los protones a ese electrón es mínima, mediante lo cual si a este le proporcionamos suficiente energía, este electrón que se encuentra en la órbita o capa exterior (también llamado electrón de valencia) abandonara este átomo, pasando a llamarse electrón libre. Este electrón “libre” luego es adquirido por otro átomo (supongamos B), el cual previamente ha perdido un electrón, y así sucesivamente. Este proceso se denomina de “Ionizacion”.

Este movimiento es el causante de la corriente eléctrica.

Electrostática

Introducción al Fenómeno Eléctrico

Todos de alguna manera estamos familiarizados con la electricidad.

La utilizamos a diario para hacer funcionar nuestras herramientas, desde artículos de tocador hasta complicadas herramientas laborales. Necesitamos de la electricidad hasta tal punto que no concebimos una vida sin ella y cuando por alguna razón nos falta tratamos igualmente de encender la llave de luz o prender el televisor, dando muestra de lo asumido que tenemos su uso.

¿Pero qué es esa extraña fuerza que no ocupa espacio y que sabemos que puede ser hasta peligrosa?

Cuando nos ponemos a pensar realmente qué es, raramente llegamos a buen puerto.

Sin duda podemos decir que la electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas estáticas o en movimiento y por su interacción. Esto nos dice que existe un "ente" físico que denominaremos, por ahora, carga eléctrica que se desplaza o no por el espacio que nos rodea y, estando en reposo o en movimiento, interacciona con otras cargas eléctricas originando así las fuerzas que nosotros percibimos.

Ahora bien, sabemos que toda la materia que nos rodea está formada de alguna forma, por "pequeñas partículas", que juntas dan forma a nuestro mundo conocido. Pero... ¿Cómo es que esas partículas interaccionan entre sí para unirse o separarse?

Es en este punto donde la electricidad empieza a tomar interés.

Primero comenzaremos por definir que son esas "pequeñas partículas" que forman la materia.

Átomos

Llamamos átomos a la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la Física nuclear en el siglo XX se comprobó que de hecho el átomo se puede subdividir en partículas más pequeñas.

La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo, formado por protones y neutrones, alrededor del cual se encuentran una nube de electrones.

¿Pero por qué los electrones se quedan "dando vueltas" alrededor del núcleo y no se escapan libres por el espacio?

Fue C.F. Du Fay quien demostró que existían "dos tipos de electricidad" una se llamó positiva y la otra negativa.

El hecho es que dos objetos que están cargados positiva y negativamente se atraen, mientras que si los dos están cargados con el mismo tipo (o signo) de electricidad se repelen.

Ahora podemos decir que los protones del núcleo tienen carga positiva, mientras que los electrones negativa. Los neutrones son precisamente neutros, es decir, que no se ven afectados por los fenómenos eléctricos.

Es por ésto que los átomos pueden interaccionar con otros átomos, uniéndose y separándose, formando nuevas substancias, y así ensamblar el mundo que nos rodea.

Cargas positivas y negativas

Si se toma una varilla de vidrio y se la frota con seda colgándola de un hilo largo, también de seda se observa que al aproximar una segunda varilla (frotada con seda) se produce repulsión mutua.

Sin embargo, si se aproxima una varilla de ebonita, previamente frotada con una piel, se observa que atrae a la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen entre sí. Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí.

Los efectos eléctricos no se limitan a vidrio frotado con seda o a ebonita frotada con piel. Cualquier sustancia frotada con cualquier otra, en condiciones apropiadas, recibe carga en cierto grado. Sea cual sea la sustancia a la que se le comunicó carga eléctrica se verá que, si repele al vidrio, atraerá a la ebonita y viceversa.

No existen cuerpos electrificados que muestren comportamientos de otro tipo. Es decir, no se observan cuerpos electrificados que atraigan o repelan a las barras de vidrio y de ebonita simultáneamente: si el cuerpo sujeto a observación atrae al vidrio, repelerá a la barra de ebonita y si atrae a la barra de ebonita, repelerá a la de vidrio.

La conclusión de tales experiencias es que sólo hay dos tipos de carga y que cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Benjamín Franklin denominó positivas a las que aparecen en el vidrio y negativas a las que aparecen en la ebonita.

Origen de las cargas

Franklin, después de numerosas observaciones experimentales, descubrió que cuando se frotan dos cuerpos, si uno de ellos se electrifica positivamente, el otro adquiere, necesariamente, carga negativa. Así, cuando se frota vidrio con seda, además de adquirir aquél carga eléctrica positiva, la seda se electrifica negativamente.

Buscando una explicación que justificara este hecho, formuló la teoría de que estos fenómenos se producen debido a la existencia de un "fluido eléctrico" que se transfiere de un cuerpo a otro. Un cuerpo no electrizado tendría una "cantidad normal" de fluido. El frotamiento sería la causa de la transferencia y el cuerpo que recibiera más fluido quedaría electrizado positivamente mientras que el que lo perdiera quedaría electrizado negativamente. Así, conforme a estas ideas, no habría creación ni destrucción de carga eléctrica, sino únicamente una transferencia de electricidad de un cuerpo hacia otro.

En la actualidad se sabe que la teoría estaba parcialmente acertada. El proceso de electrización consiste en transferencia de carga eléctrica, pero no debido al fluido imaginado por Franklin, sino por el paso de electrones de un cuerpo hacia otro.

Como ya hemos mencionado, la teoría atómica moderna afirma que toda materia está constituida, básicamente, por partículas: protones, electrones y neutrones. Los primeros poseen carga positiva (el tipo de carga con que se electrifica el vidrio), los segundos, carga negativa (el tipo de carga con que se electrifica la ebonita) y los neutrones carecen de carga eléctrica.

Un cuerpo no electrizado posee el mismo número de electrones que de protones. Cuando se frotan dos cuerpos hay una transferencia de electrones de uno hacia otro y el cuerpo que presenta exceso de electrones queda cargado negativamente, mientras que el que los perdió presenta un exceso de protones provocando la existencia de carga eléctrica positiva.

Los que se desplazan son los electrones debido a la posición que ocupa en el átomo y por ende en la molécula que forma el material. Así los protones se quedan fijos en los núcleos atómicos, mientras que los electrones, más libres que los componentes nucleares, se desplazan de un lugar a otro.

Obsérvese que los electrones y protones no poseen en su seno nada positivo ni negativo, esto sólo es una denominación que se aplica a una propiedad intrínseca de la materia que se manifiesta mediante repulsiones y atracciones.

El electrón

La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la Electroquímica. Trataremos ahora de echar un poco de luz sobre esta partícula por considerarla la más importante para la materia que queremos estudiar.

Clasificación de los electrones

El electrón es un tipo de partícula subatómica denominada leptón, que se cree que es una de las partículas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes más pequeños) de acuerdo con el modelo estándar de partículas.

Como toda partícula subatómica la Mecánica cuántica predice el comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el más famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda-partícula.

Propiedades, comportamiento y otros datos de los electrones

El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1.6 × 10−19 culombios (unidad que definiremos más adelante) y una masa de 9.10 × 10−31 kg (0.51 MeV/c²), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón.

El electrón tiene un spin , lo que implica que es un fermión, es decir, que se le puede aplicar la estadística de Fermi-Dirac.

Aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vacío. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja.

Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón.

Como dijimos anteriormente, el electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial. Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.

Hay una constante física llamada radio clásico del electrón, con un valor de 28.179 × 10−15 metros. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la Electrodinámica clásica, no de la Mecánica cuántica. Por esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.

Los científicos creen que el número de electrones existentes en el universo conocido es de al menos 1079. Este número asciende a una densidad media de alrededor de un electrón por metro cúbico de espacio.

Basándose en el radio clásico del electrón y asumiendo un empaquetado esférico denso, se puede calcular que el número de electrones que cabrían en el universo observable es del orden de 10130. Por supuesto, este número es incluso menos significativo que el propio radio clásico del electrón.

En la Mecánica cuántica, el electrón es descrito por la ecuación de Fermi-Dirac. En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interacciónan de forma débil. El electrón tiene dos patrones masivos adicionales, el muón y el tauón.

El equivalente al electrón en la antimateria, su antipartícula, es el positrón, que tiene la misma cantidad de carga eléctrica que el electrón pero positiva. El spin y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, tiene lugar la aniquilación mutua, originándose dos fotones de rayos gamma con una energía de 0,500 MeV cada uno.

Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos.

Aislantes y conductores

Conductores

Cable de cobre, buen conductor
Aislante de vidrio, usado en torres de conducción

Una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, es posible cargarla si se la provee de un mango de vidrio o de ebonita y el metal no se toca con las manos al frotarlo.

La explicación es que las cargas se pueden mover libremente en los metales y el cuerpo humano, mientras que en el vidrio y la ebonita no pueden hacerlo.

Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléctrica. Estas sustancias se denominan conductores.

Aislantes

Oblea de arseniuro de galio, un semiconductor
Levitación de un imán sobre un superconductor de tipo cuprato YBa2Cu3O7 enfriado a -196 ° C.

En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos.

En consecuencia, esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su seno depende de la naturaleza de los átomos que las componen.

Semiconductores

Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras pueden ser alteradas con cierta facilidad mejorando su conductividad en forma prodigiosa ya sea mediante pequeños cambios en su composición, sometiéndolos a temperaturas elevadas o a intensa iluminación.

Superconductores

A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

Es de relevancia tener en cuenta, y puede verificarse experimentalmente, que solamente la carga negativa se puede mover. La carga positiva es inmóvil y únicamente los electrones libres son los responsables del transporte de carga.

Será una resistencia cero o muy cercana al límite de cero? Respuesta, R=0 ohms. Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfecto Al contrario de lo que se podría pensar en principio, un superconductor se comporta de un modo muy distinto a los conductores normales: no se trata de un conductor cuya resistencia es cercana a cero, sino que la resistencia es exactamente igual a cero. Esto no se puede explicar mediante los modelos empleados para los conductores habituales, como por ejemplo el modelo de Drude.

Para demostrar esto vamos a suponer la hipótesis opuesta: imaginemos por un momento que un superconductor se comporta como un conductor normal. En tal caso, tendríamos que los electrones son esparcidos de alguna manera y su ecuación del movimiento sería:


donde es la velocidad media de los electrones, m su masa, e su carga y el campo eléctrico en el que se mueven. Suponiendo que dicho campo varía suavemente, al resolverla llegaríamos a la ley de Ohm:


donde es la densidad de corriente, \sigma la conductividad eléctrica, \tau el tiempo entre colisiones, y n la densidad de electrones.

Ahora bien, si suponemos que la resistencia tiende a cero, tendríamos que la conductividad tiende a infinito y por lo tanto el tiempo entre colisiones, tendería a infinito. Dicho de otra manera, no habría colisiones en absoluto. Esta es la idea de cómo se comportaría un conductor normal que tuviera resistencia nula. Sin embargo, esto significaría que, puesto que la densidad de corriente no puede ser infinita, la única posibilidad es que el campo eléctrico sea nulo:


No obstante, teniendo en cuenta la ley de Faraday, un campo eléctrico nulo implica que el campo magnético ha de ser constante:


pero esto entra en contradicción con el efecto Meissner, de modo que la superconductividad es un fenómeno muy diferente a la que implicaría una "conductividad perfecta", y requiere una teoría diferente que los explique.

Formas de cargar un cuerpo

Electrización por contacto

Consiste en cargar los cuerpos poniéndolo en contacto con otro previamente electrizado. En este caso, ambos quedarán cargados con carga del mismo signo (+ o -).

Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

Electrización por fricción

Se caracteriza por producir cuerpos electrizados con cargas opuestas. Esto ocurre debido a que los materiales frotados tienen diferente capacidad para *retener y entregar* electrones y cada vez que se tocan algunos electrones saltan de una superficie a otra.

Electrización por inducción

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Esto es justamente lo que pasa cuando atraemos pequeños trozos de papel mediante un objeto cargado por frotamiento.

Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro.

Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro.

En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente.

Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

El diagrama de abajo muestra el procedimiento para electrificar un cuerpo por inducción. Es importante tener en cuenta que la carga obtenida por este método es de signo opuesto a la carga del inductor.

Induccion.PNG

La aparición de cargas inducidas se produce tanto en conductores como en dieléctricos, aunque el mecanismo por el cual se produce esta aparición en unos y en otros es bien distinto.

En el caso de conductores, los responsables son los electrones libres capaces de moverse en el seno del conductor cuando son afectados por influencias debidas a la presencia del inductor produciendo los efectos mostrados en el diagrama.

Cuando una barra cargada es acercada a un dieléctrico no hay electrones libres que puedan desplazarse por el material aislante; lo que ocurre es un reordenamiento de las posiciones de las cargas dentro de los propios átomos y moléculas.

Por inducción, un lado del átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado.

Si, por ejemplo, la barra es negativa, entonces el lado positivo del átomo o molécula se orienta hacia la barra y el lado negativo queda orientado en sentido contrario. Las cargas inducidas se hacen presentes debido al fenómeno de polarización eléctrica.

Ley de Coulomb

Diversos experimentos nos muestran como podemos producir fenómenos eléctricos. Uno de estos muy conocido es frotar vidrio, plastico u otros materiales no metálicos en pieles, franelas etc. Lo que ocurre cuando hacemos esto es que una vez "cargado" el no metal, podemos atraer con él pequeños trozos de papel u otros objetos livianos.

Lo que está sucediendo cuando hacemos estos tipos de experimentos, es que por alguna razón hacemos que los electrones que componen el material no metálico entren o salgan de él, y cuando terminamos el "cargado" vuelven al reposo pero el material se queda con un exceso o defecto de electrones.

Para ser más generalistas, y dado que los electrones no son las únicas partículas cargadas, diremos que el materia queda con un desequilibrio de cargas eléctricas. Estas cargas se reparten de manera más o menos regular en el material y atraen (o repelen) a las cargas de otros materiales no metálicos1.

Claro que para poder entender cómo intercaccionan entre si distribuciones de carga, hay que entender primero las leyes que gobiernan a una carga puntual y cómo interaccionan entre si una cantidad determinadas de cargas puntuales. Claro está que luego de ésto podremos desarrollar las leyes para distribuciones complejas amplíando la formulación matemática de estas leyes más simples.

Muchos fueron las personas que se vieron atraidas por el fenómeno eléctrico a lo largo de la historia, pero uno que produjo un gran avance fue Charles-Augustin de Coulomb, que desarrolló un metodo practico para poder medir las fuerzas que roducían las cargas eléctricas.

La ley de Coulomb lleva el nombre de este notable físico francés por que fue uno de sus descubridores y el primero en publicarlo. No obstante, Henry Cavendish obtuvo la expresión correcta de la ley, con mayor precisión que Coulomb, si bien ésto no se supo hasta después de su muerte.

Coulomb efectuó mediciones muy cuidadosas de las fuerzas existentes entre cargas puntuales utilizando una balanza de torsión similar a la usada por Cavendish para evaluar la ley de la gravitación universal.

La balanza de torsión consiste en una barra que cuelga de una fibra. Esta fibra es capaz de torcerse, y si la barra gira la fibra tiende a regresarla a su posición original. Si se conoce la fuerza de torsión que la fibra ejerce sobre la barra, se logra un método sensible para medir fuerzas.

En la barra de la balanza, Coulomb, colocó una pequeña esfera cargada y, a continuación, a diferentes distancias, posicionó otra esferita con carga de igual magnitud. Luego midió la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.

Dichas mediciones permitieron determinar que:

1) La fuerza de interacción entre dos cargas y duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:

    y    

en consecuencia:


2) Si la distancia entre las cargas es , al duplicarla, la fuerza de interacción disminuye en un factor de 4; al triplicarla, disminuye en un factor de 9 y al cuadriplicar , la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16. En consecuencia, la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

Variación de la Fuerza de Coulomb en función de la distancia

Asociando las relaciones obtenidas en 1) y 2):

Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relación anterior en una igualdad:

La creencia en la ley de Coulomb, no descansa cuantitativamente en los experimentos del mismo. Las medidas con la balanza de torsión son difíciles de hacer con una precisión de más de unos cuantos centésimos. Esas medidas no son lo suficientemente precisas como para determinar que el exponente de la ecuación de Coulomb es 2 y no fuera, por ejemplo, 2.01. El hecho es que la ley de Coulomb puede deducirse mediante experimentos indirectos que ponen de manifiesto que el exponente en cuestión debe estar comprendido entre 2.000000002 y 1.999999998. No es raro, entonces, que se considere que el exponente sea exactamente 2.

Enunciado de la ley

El enunciado que describe la ley de Coulomb es el siguiente:

"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."

En términos matemáticos, la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:

Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud esta dada por:

La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:

donde es un vector unitario que va en la dirección de la recta que une las cargas, siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga que la experimenta.

El exponente (de la distancia r) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy en día, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la forma , entonces .

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

Obsérvese que esto satisface la tercera del ley de Newton debido a que implica que fuerzas de igual magnitud actúan sobre y . La ley de Coulomb es una ecuación vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de unión entre las cargas.

Constante de Coulomb

La constante es la constante de Coulomb y su valor es .

A su vez la constante donde es la permitividad relativa, , y N/ es la permitividad del medio en el vacío.

Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en cuenta la constante dieléctrica y la permitividad del material.

Algunos valores son:

Material Material
Vacío 1 Aire 1,0006
Parafina 2, 1-2,2 Mármol 7,5-10
Mica 6-7 Ebonita 2,5-3
Papel parafinado 2,2 Porcelana 5,5-6,5
Poliestireno 1,05 Micalex 7-9
Baquelita 3,8-5 Micarta A y B 7-8
C-irbolito 3-5 Batista barnizada 3,5-5
Vidrio orgánico 3,2-3,6 Goma en hojas 2,6-3,5
Vidrio 5,5-10 Poliestireno 2,7

Considerando que la permitividad relativa en el vacío es igual a la unidad entonces la ecuación de la ley de Coulomb queda expresada de la siguiente manera:

Principio de superposición y la Ley de Coulomb

Como ley básica adicional, no deducible de la ley de Coulomb, se encuentra el Principio de Superposición:

"La fuerza total ejercida sobre una carga eléctrica q por un conjunto de cargas será igual a la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada carga sobre la carga q."

Representación gráfica del principio de superposición

Conjuntamente, la Ley de Coulomb y el Principio de Superposición constituyen los pilares de la electrostática.

Verificación experimental de la Ley de Coulomb

Es posible verificar la ley de Coulomb mediante un experimento sencillo.

Considérense dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica en la figura.

Pendulo2.png

Sobre cada esfera actúan tres fuerzas: el peso mg, la tensión de la cuerda T y la fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas .

En el equilibrio: (1) y (2).

Dividiendo (1) entre (2) miembro a miembro, se obtiene:

Siendo la separación de equilibrio entre las esferas cargadas, la fuerza de repulsión entre ellas, vale, de acuerdo con la ley de Coulomb: y, por lo tanto, se cumple la siguiente igualdad: (3)

Al descargar una de las esferas y ponerla, a continuación, en contacto con la esfera cargada , cada una de ellas adquiere una carga q/2, en el equilibrio su separación será y la fuerza de repulsíón entre las mismas estará dada por:

Por estar en equilibrio, tal como se dedujo más arriba: .

Y de modo similar se obtiene: (4)

Dividiendo (3) entre (4), miembro a miembro, se llega a la siguiente igualdad:

(5)

Midiendo los ángulos y y las separaciones entre las cargas y es posible verificar que la igualdad se cumple dentro del error experimental.

En la práctica, los ángulos pueden resultar difíciles de medir, así que si la longitud de los hilos que sostienen las esferas son lo suficientemente largos, los ángulos resultarán lo bastante pequeños como para hacer la siguiente aproximación:

Con esta aproximación, la relación (5) se transforma en otra mucho más simple:

De esta forma, la verificación se reduce a medir la separación entre cargas y comprobar que su cociente se aproxima al valor indicado.

Comparación entre la Ley de Coulomb y la Ley de la Gravitación Universal

Esta comparación es relevante ya que ambas leyes dictan el comportamiento de dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza mediante expresiones matemáticas cuya similitud es notoria.

La ley de la gravitación universal establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Expresándolo matemáticamente: siendo G la constante de gravitación universal, y las masas de los cuerpos en cuestión y r la la distancia entre los centros de las masas. G vale

A pesar del chocante parecido en las expresiones de ambas leyes se encuentran dos diferencias insoslayables.

La primera es que en el caso de la gravedad no se han podido observar masas de diferente signo como sucede en el caso de las cargas eléctricas, y por tanto, la fuerza entre masas siempre es atractiva.

La segunda tiene que ver con los órdenes de magnitud de la fuerza de gravedad y de la fuerza eléctrica. Para aclararlo analizaremos como actúan ambas entre un protón y un electrón en el núcleo de hidrógeno.

La separación promedio entre el electrón y el protón es: m.

La carga del electrón y la del protón valen y respectivamente y sus masas son y .

Sustituyendo los datos:

.

Al comparar resultados se observa que la fuerza eléctrica es de unos 39 órdenes de magnitud superior a la fuerza gravitacional.

Lo que esto representa puede ser ilustrado mediante un ejemplo muy llamativo.

1 C representa la carga transportada durante 1 segundo por una lámpara convencional de 120 watt de las utilizadas en las casas para suministrar iluminación.

Si fuera posible concentrar la mencionada carga en dos puntos con una separación de 1 metro, la fuerza de interacción sería:

o sea ¡1,01 millones de toneladas!

Si tales cargas se pudieran concentrar de la forma indicada más arriba, se alejarían bajo la influencia de esta enorme fuerza, ¡aunque tuvieran que arrancarse del acero sólido para hacerlo!

Si de esta hipotética disposición de cargas resultan fuerzas tan enormes, ¿porqué no se observan despliegues dramáticos debidos a las fuerzas eléctricas? La respuesta general es que en un punto dado de cualquier conductor nunca hay demasiado alejamiento de la neutralidad eléctrica. La naturaleza nunca acumula un Coulomb de carga en un punto.

Propiedades de la carga

Principio de conservación de la carga

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso eléctromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva, tal como pensó Franklin.

Hemos visto que cuando se frota una barra de vidrio con seda, aparece en la barra una carga positiva. Las medidas muestran que aparece en la seda una carga negativa de igual magnitud. Esto hace pensar que el frotamiento no crea la carga sino que simplemente la transporta de un objeto al otro, alterando la neutralidad eléctrica de ambos. Así, en un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva, tal como pensó Franklin.

Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.

Cuantización de la carga

La experiencia ha demostrado que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que lo valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima. Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista físicamente puede escribirse como N x e siendo N un número entero, positivo o negativo.

Vale la pena destacar que para el electrón la carga es -e, para el protón vale +e y para el neutrón, 0.

Se cree que la carga de los quarks, partículas que componen los núcleos atómicos, toma valores fraccionarios de esta cantidad fundamental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres.

Unidad de medida de la carga eléctrica

El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto.

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina Culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de N.

Un culombio corresponde a 6,24 ×  electrones.

En consecuencia, la carga del electrón es:

  • =


Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos:

  • 1 miliculombio =
  • 1 microculombio =

Campo Eléctrico

El concepto de campo se refiere a la realización de un modelo de una magnitud física que presenta cierta variación sobre una región del espacio. En ocasiones campo se refiere a una abstracción matemática para estudiar la variación de una cierta magnitud física; en este sentido el campo puede ser un ente no visible pero sí medible. Históricamente fue introducido para explicar la acción a distancia de las fuerzas de gravedad, eléctrica y magnética, aunque con el tiempo su significado se ha extendido substancialmente.

En física el concepto surge ante la necesidad de explicar la forma de interacción entre cuerpos en ausencia de contacto físico y sin medios de sustentación para las posibles interacciones.

La acción a distancia se explica, entonces, mediante efectos provocados por la entidad causante de la interacción, sobre el espacio mismo que la rodea, permitiendo asignar a dicho espacio propiedades medibles. Así, será posible hacer corresponder a cada punto del espacio valores que dependerán de la magnitud del cuerpo que provoca la interacción y de la ubicación del punto que se considera.

Los campos más conocidos en física clásica son el campo electromagnético, superposición, de los campos electrostático y magnético, y el campo gravitatorio.

Por tipo de magnitud, atendiendo a la forma matemática de los campos pueden ser clasificados de la siguiente forma:

  • Campo escalar: aquel en el que cada punto del espacio lleva asociada una magnitud escalar. (campo de temperaturas de un sólido, campo de presiones atmosféricas...)
  • Campo vectorial: aquel en que cada punto del espacio lleva asociado una magnitud vectorial (campos de fuerzas,...).
  • Campo tensorial: aquel en que cada punto del espacio lleva asociado un tensor (campo electromagnético en electrodinámica clásica, campo gravitatorio en teoría de la relatividad general, campo de tensiones de un sólido, etc.)

El campo eléctrico representa, en cada punto del espacio afectado por la carga, una propiedad local asociada al mismo. Una vez conocido el campo en un punto no es necesario saber qué lo origina para calcular la fuerza sobre una carga u otra propiedad relacionada con él.

Así, si se coloca una carga de prueba en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico, se observará la aparición de atracciones o de repulsiones sobre ella. Una forma de describir las propiedades de este campo sería indicar la fuerza que se ejercería sobre una carga determinada si se trasladara de un punto a otro del espacio. Al utilizar la misma carga de prueba es posible comparar la intensidad de las atracciones o repulsiones en los distintos puntos del campo. La carga de referencia más simple, a efectos de operaciones, es la carga unidad positiva. La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza, la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido.

Interacciones entre dos cargas Q y q

Interacciones entre Q y q.

Considérese una carga Q fija en una determinada posición (ver figura). Si se coloca otra carga q en un punto , a cierta distancia de Q, aparecerá una fuerza eléctrica actuando sobre q.

Si la carga q se ubica en otros puntos cualesquiera, tales como , etc., evidentemente, en cada uno de ellos, también estaría actuando sobre q una fuerza eléctrica, producida por Q. Para describir este hecho, se dice que en cualquier punto del espacio en torno a Q existe un campo eléctrico originado por esta carga.

Obsérvese en la figura que el campo eléctrico es originado en los puntos , , etc., por Q, la cual, naturalmente, podrá ser tanto positiva (la de la figura) como negativa. La carga q que es trasladada de un punto a otro, para verificar si en ellos existe, o no, un campo eléctrico, se denomina carga de prueba.

El campo eléctrico puede representarse, en cada punto del espacio, por un vector, usualmente simbolizado por y que se denomina vector campo eléctrico.

El módulo del vector en un punto dado se denomina intensidad del campo eléctrico en ese punto. Para definir este módulo, considérese la carga Q de la figura, generando un campo eléctrico en el espacio que la rodea. Colocando una carga de prueba q en un punto , se verá que sobre ella actúa una fuerza eléctrica. La intensidad del campo eléctrico en estará dada, por definición, por la expresión:

La expresión anterior permite determinar la intensidad del campo eléctrico en cualquier otro punto, tales como , , etc. El valor de E será diferente para cada uno de ellos.

De obtemos , lo cual significa que si se conoce la intensidad del campo eléctrico en un punto, es posible calcular, usando la expresión anterior, el módulo de la fuerza que actúa sobre una carga cualquiera ubicada en aquél punto.

Campo eléctrico creado por una carga puntual

El campo que crea una carga puntual se deduce a partir de la ley de Coulomb.

Consideremos una carga de prueba , colocada a una distancia r de una carga punto . La fuerza entre ambas cargas estará dada por:

La intensidad del campo eléctrico en el sitio en que se coloca la carga de prueba está dada por:

y por lo tanto resulta:

=

donde es un vector unitario en la dirección radial, = es la llamada permitividad del vacío y es la constante de Coulomb cuyo valor es . La unidad de intensidad de campo eléctrico es (newton por culombio) o (voltio por metro).

Representación gráfica del campo eléctrico

Una forma muy útil de esquematizar gráficamente un campo es trazar líneas que vayan en la misma dirección que dicho campo en varios puntos. Esto se realiza a través de las líneas de fuerza, líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.

La relación entre las líneas de fuerza (imaginarias) y el vector intensidad de campo, es la siguiente:

  1. La tangente a una línea de fuerza en un punto cualquiera da la dirección de E en ese punto.
  2. El número de líneas de fuerza por unidad de área de sección transversal es proporcional a la magnitud de E. Cuanto más cercanas estén las líneas, mayor será la magnitud de E.

No es obvio que sea posible dibujar un conjunto continuo de líneas que cumplan estos requisitos. De hecho, se encuentra que si la ley de Coulomb no fuera cierta, no sería posible hacerlo.

Si un elemento de superficie de área es atravesado por líneas y si la intensidad del campo eléctrico en el centro del elemento de superficie es E, se tiene que:

EL subíndice n indica que es normal a E. Para convertir esta proporcionalidad en ecuación se elige como constante de proporcionalidad. Así, se espacian arbitrariamente las líneas de fuerza de modo que, en cualquier punto, el número de líneas por unidad de superficie y la intensidad del campo eléctrico esté ligado por la relación:

Considérense, ahora, las líneas de fuerza que salen de una carga puntual positiva q y una esfera de radio r arbitrario rodeando la carga y de modo que ésta se encuentre en el centro. La intensidad del campo eléctrico en todos los puntos de la superficie de esta esfera es:

En consecuencia, el número de líneas por unidad de superficie es el mismo en todos los puntos de la superficie y está dado por:

Las líneas de fuerza atraviesan la superficie perpendicularmente puesto que E tiene una dirección radial. El área de la esfera es ,lo que implica que el número de líneas que atraviesan la superficie es:

Esto demuestra que si el valor del exponente de r, en la ley de Coulomb, no fuera 2, el número de líneas de fuerza no solo estaria dado por el valor de q, también sería inversamente proporcional a alguna potencia de r y por ello seria imposible dibujar un conjunto continuo de líneas que cumplan los requisitos indicados más arriba.

Para la construcción de líneas de fuerza se debe tener en cuenta lo siguiente:

  • A.- Por convención, las líneas deben partir de cargas positivas y terminar en cargas negativas y en ausencia de unas u otras deben partir o terminar en el infinito.
Representación de campos eléctricos creados por cargas puntuales negativa y positiva.

Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque una carga de prueba positiva se desplazaría en ese sentido. En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia ella ya que ese sería el sentido en que se desplazaría la carga positiva de prueba. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas, las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y por ello son denominadas manantiales y mueren en las negativas por lo que se les llama sumideros.

  • B.- Las líneas de fuerza jamás pueden cruzarse.

Las líneas de fuerza o de campo salen de una carga positiva o entran a una negativa. De lo anterior se desprende que de cada punto de la superficie de una esfera, suponiendo forma esférica para una carga, puede salir o entrar solo una línea de fuerza, en consecuencia entre dos cargas que interactúan solo puede relacionarse un punto de su superficie con solo un punto de la otra superficie, y ello es a través de una línea, y esa línea es la línea de fuerza.

Si se admitiera que dos líneas de fuerza se interceptan, entonces se podría extender la superficie de la otra carga hacia el lugar donde se interceptan las líneas que se mencionan y se podría concluir que dos líneas entran o salen de una superficie de una carga eléctrica. Con esto se está contradiciendo lo postulado inicialmente. En consecuencia, es imposible que dos líneas de fuerza se intercepten.

Por otra parte, si las líneas de fuerza se cortaran, significaría que en dicho punto E poseería dos direcciones distintas, lo que contradice la definición de que a cada punto sólo le corresponde un valor único de intensidad de campo.

  • C.- El número de líneas fuerza que parten de una carga positiva o llegan a una carga negativa es proporcional a la cantidad de carga respectiva.
  • D.- La líneas de fuerza deben ser perpendiculares a las superficies de los objetos en los lugares donde conectan con ellas.

Esto se debe a que en las superficies de cualquier objeto, sin importar la forma, nunca se encuentran componentes de la fuerza eléctrica que sean paralelas a la superficie del mismo. Si fuera de otra manera, cualquier exceso de carga residente en la superficie comenzaría a acelerar. Esto conduciría a la aparición de un flujo de carga en el objeto, lo cual nunca se observa en la electricidad estática.

Representación del campo eléctrico creado por dos cargas positivas de igual magnitud y por un dipolo eléctrico.

Las representaciones anteriores reflejan el principio de superposición. Ya sea que las cargas ostenten el mismo signo o signo opuesto, las líneas de fuerza se verán distorsionadas respecto de la forma radial que tendrían si las cargas estuvieran aisladas, de forma tal, que la distorsión es máxima en la zona central, o sea, en la región más cercana a ambas. Si las cargas tienen la misma magnitud, la representación resulta simétrica respecto de la línea media que las separa. En el caso opuesto, predominará la influencia de una de ellas dando lugar a una distribución asimétrica de líneas de fuerza.

Ecuación de las líneas de fuerza

Ecuacion.PNG

Siendo el campo tangente a las líneas de fuerza, se cumple:

donde la función describe la forma de la línea de fuerza.

Si tenemos una sola carga puntual, todas las líneas de fuerza son líneas rectas que parten de la carga. En este caso la razón entre y es una constante, por lo tanto:

que la ecuación de una recta que pasa por el origen, como era de esperar.

El Campo Electrico producido por una distribución discreta de cargas

Caso general

Para determinar el campo eléctrico producido por un conjunto de cargas puntuales se calcula el campo debido a cada carga en el punto dado como si fuera la única carga que existiera y se suman vectorialmente los mismos para encontar el campo resultante en el punto. En forma de ecuación:


Campo electrico varias cargas punto.PNG

Campo eléctrico creado por un dipolo eléctrico

A continuación se analiza el campo eléctrico creado por una distribución de dos cargas de igual magnitud y de signo opuesto conocida como Dipolo eléctrico.

A. Campo eléctrico en los puntos de la bisectriz del eje del dipolo

Dipolo1.png

Según el principio de superposición, el campo eléctrico en el punto es la suma vectorial de los dos campos creados por ambas cargas:

Por el teorema de Pitágoras se cumple que la distancia entre cualquiera de las cargas y el punto es:

Y como ambas cargas son de igual magnitud se cumple:

Las componentes y poseen la misma magnitud pero apuntan en sentidos opuestos, por lo tanto:

En consecuencia, para efectuar la suma vectorial, sólo se deberán tener en cuenta a las componentes , es decir, la suma vectorial de y apuntan verticalmente hacia abajo, y siendo , se cumplirá que:

Teniendo en cuenta que:

y sustituyendo esta expresión y la de en la expresión de se obtiene:

Si >> se puede omitir a en el denominador y la ecuación se reduce a:

El producto se denomina momento del dipolo eléctrico. Entonces, se puede volver a escribir la ecuación de como:

Y si r>>a, es decir, para puntos distantes a lo largo de la bisectriz del eje del dipolo como:

B. Campo eléctrico en los puntos del eje del dipolo

Ejedipolo1.PNG
Puntos fuera de la línea de unión de las cargas

Como en el caso anterior, según el principio de superposición, el campo eléctrico en el punto es la suma vectorial de los campos creados por ambas cargas.

Se observa que, al estar ambos vectores sobre el eje , se cumple:

Por tanto, a efectos de calcular la suma vectorial, solo deben tenerse en cuenta las componentes y .

En consecuencia las magnitudes del campo debidas a y serán respectivamente:

Como ambas componentes, y , apuntan en sentidos contrarios:

O sea:

Siendo el momento del dipolo eléctrico:

Y si >> :

Puntos sobre la línea de unión de las cargas

La magnitud de para puntos ubicados entre las cargas, tales como el punto , puede deducirse mediante un razonamiento similar al anterior. La diferencia estriba en que las componentes, y , apuntan en el mismo sentido y por ello se suman en lugar de restarse:

Siendo:

Por tanto:

Siendo el momento del dipolo eléctrico:

C. Otros puntos

Considérese un dipolo eléctrico y un punto de coordenadas tal como el representado en la figura.

Ejedipolo.PNG

Se cumple que:

En base a lo anterior, los campos generados por cada carga serán:

Para determinar el campo en se aplica el principio de superposición por lo cual se debe efectuar la suma vectorial de los campos creados por ambas cargas.

Se calculan, entonces, las componentes :

Las componentes serán:

Sumando se obtiene para la componente total:

Y para la componente total:

Campo generado por un cuadrupolo eléctrico lineal en su bisectriz

Cuadrupolo electrico.PNG

Un cuadrupolo eléctrico lineal es una distribución de cargas formada por dos dipolos alineados de forma opuesta de forma tal que sus cargas positivas se encuentran superpuestas (Ver figura).

Para determinar el campo eléctrico producido por el cuadrupolo sobre los puntos pertenecientes a su bisectriz, de acuerdo al principio de superposición, se deben sumar las contribuciones debidas a las cargas positivas y las producidas por las negativas.

El campo producido por cada carga positiva será:

Obsérvese que las componentes paralelas al cuadrupolo serán nulas, por lo tanto el campo total producido por ambas cargas positivas será:

El campo producido por cada carga negativa será:

Por simetría, las componentes paralelas al cuadrupolo, se cancelan, por lo tanto, sólo deben ser tenidas en cuanta las componentes colineales con la bisectriz.

Teniendo en cuenta que , el valor de cada componente colineal con la bisectriz será:

y el aporte total correspondiente a ambas cargas negativas será:

Por lo tanto, el campo total será:

O sea:

El Campo Electrico poducido por una distribución continua de cargas

Caso general

Si se dispone de una distribución lineal continua de carga, el campo producido en un punto cualquiera puede calcularse dividiendo la carga en elementos infinitesimales dq. Entonces, se calcula el campo d E que produce cada elemento en el punto en cuestión, tratándolos como si fueran cargas. La magnitud de d E está dada por:

El campo resultante en el punto se encuentra, entonces, sumando; esto es, integrando; las contribuciones debidas a todos los elementos de carga, o sea,

Si la distribución continua de carga que se considera tiene una densidad lineal de carga , entonces .

Por lo tanto,

Campo eléctrico generado por una línea infinita de carga y densidad lineal de carga λ constante

Campo eléctrico creado por un elemento dx de una línea infinita de carga.

La figura muestra una porción de una línea infinita de carga de densidad lineal de carga uniforme .

La magnitud de la contribución de campo eléctrico sobre el punto P debida al elemento de carga está dada por:

(1)

El vector tiene las componentes:

y

El signo menos delante de indica que apunta en la dirección negativa de las x.

Por tanto, las componentes x e y de en el punto P, están dadas por:

y

En estas expresiones debe ser cero porque todo elemento de carga a la izquierda de la perpendicular que une P con la línea de carga tiene un elemento correspondiente a la derecha, de modo que sus contribuciones al campo en la dirección de las x se anulan mutuamente. Así pues, apunta exactamente en la dirección de las y. Como las contribuciones a de la mitad derecha y de la mitad izquierda de la línea de carga son iguales, se puede escribir:

sustituyendo la expresión (1) en esta ecuación, se tiene:

(2)

Siendo , se tiene , diferenciando esta expresión resulta: y sustituyendo en (2) se obtiene:

   (3)

Si se tiene en cuenta que: ,        y    ,     se puede establecer que:

Sustituyendo en la expresión (3) se obtiene

Obsérvese que cuando , y cuando , , por lo tanto:

Por lo tanto:

Campo eléctrico generado por dos hilos paralelos, infinitos y de densidad de carga uniforme

Dibujo.PNG

Campo eléctrico en un punto B exterior

El campo eléctrico en el exterior de los hilos es la suma de los campos eléctricos que generan ambos, como apuntan en sentido opuesto, se restan.

Sea el campo debido al hilo cargado positivamente y el generado por el hilo con carga negativa. Se tiene, entonces:


Operando, la expresión anterior se reduce a:

Campo eléctrico en un punto A entre los hilos

El campo eléctrico entre los hilos es la suma de los campos eléctricos respectivos, como ambos campos apuntan en el mismo sentido, se suman.

Sea el campo debido al hilo cargado positivamente y el generado por el hilo con carga negativa. Se tiene, entonces:

Operando, la expresión anterior se reduce a:


Campo eléctrico generado por un anillo de densidad de carga uniforme sobre los puntos de su eje

Anillo.PNG

La figura muestra un anillo de carga q y radio a. Considérese un elemento diferencial del anillo de longitud ds, localizado en la parte superior. Este elemento contiene una carga dada por:

siendo la circunferencia del anillo. Este elemento produce un campo eléctrico diferencial dE en el punto P. El campo resultante E se encuentra integrnado los efectos de todos los elementos que constituyen el anillo. Por simetría, este campo resultante debe estar en el eje del anillo. Así pues, solamente la componente dE paralela a este eje contribuye al resultado final. La componente perpendicular al eje se anula por una componente igual y opuesta que produce el elemento de carga situado en el lado opuesto del anillo. Así la integral general de vector se transforma en una integral escalar .

La cantidad dE será:

Según la figura, se tiene:

Como para un punto P, x tiene el mismo valor para todos los elementos de carga y, por tanto, no es una variable, se obtiene:

La integral es simplemente la circunferencia del anillo y, en consecuencia, se obtiene:

Esta expresión de E se reduce E=0 para x =0 ya que, en tal caso, cada componente perpendicular al eje se anula, como antes, con una componente iguale y opuesta que produce el elemento de carga situado en el lado opuesto del anillo y la componente paralela al eje vale cero.

Para x >> a, se puede omitir a en el denominador de esta ecuación, dando:

Este es un resultado esperado porque a distancias suficientemente grandes el anillo se comporta como una carga punto q.

La Ley de Gauss

En física y en análisis matemático, la ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada y la carga eléctrica encerrada en esta superficie. De esta misma forma, también relaciona la divergencia del campo eléctrico con la densidad de carga.

Véase el articulo de Wikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Gauss)

El Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico en un punto se mide por el trabajo eléctrico (w) efectuado al transportarse la carga eléctrica positiva (qo) desde ese punto hasta el infinito

Véase el articulo de Wikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9ctrico)

Recomiendo que quien use este material, preste especial atención a kas variables en el anillo de carga, que pueden ser, acorde a la zona explorada, derivadas de una parte anterior a la examinada en este articulo

Circuito eléctrico

Electricidad/Circuito eléctrico


Apéndice 1: Vectores

El concepto matemático de vector se utiliza en Física para describir magnitudes tales como posición, velocidades, aceleraciones, fuerzas, momento lineal, etc. En las cuales es importante considerar no sólo el valor sino también la dirección y el sentido.

Se representa por un segmento orientado para denotar su sentido (el de la flecha) su magnitud (la longitud de la flecha) y el punto de donde parte. Para este tipo de vectores (generalmente bidimencionales o tridimensionales) se definen módulo, dirección y sentido.

Representación vectorial

Un vector físico, corresponde a la estructura matemática llamada Espacio vectorial, pero por razones practicas, y para simplificar las operaciones, se toma siempre una base ortonormal, esto es un espacio euclídeo.

Cualquier vector que consideremos es siempre una combinación lineal de unos vectores unitarios perpendiculares entre si, que forman la base del espacio vectorial en cuestión.

Estos vertores unitarios se suelen llamar versores, y en el espacio tridimensional se representan por , , , si bien es también usual representarlos como , , , siendo el vector unitario según el eje de la x, el vector unitario en el eje de las y, y en el de las z. En el espacio de dos dimensiones se tomas dos de estos versores los que correspondan a los ejes de coordenadas adoptados.

Este sistema de referencia es un sistema de coordenadas cartesianas a todos los efectos.

Convenio de representación

Vector normalization.png

Por convenio representaremos las variables escalares con una letra: a, x, l, ..., y los vectores con una flecha encima: , , , ..., las coordenadas del vector en el sistema de referencia entre paréntesis y separadas con comas:

o como combinación de los versores:

Estas dos representaciones son equivalentes entre sí, y los valores x, y, z, son las coordenadas del vector, que salvo que se indique lo contrario consideraremos siempre como números reales.

Propiedades de un vector

- Punto de aplicación, es el origen del segmento.

- Módulo, expresa el valor numérico de la magnitud vectorial. Se representa por la longitud del segmento, siempre en valor absoluto. Por ejemplo, si se quiere expresar que el módulo de vale 5 unidades, se hace así: .

- Dirección, que es la del segmento. A la recta que contiene el vector se le llama línea de acción.

- Sentido, distinguiéndose dos sentidos sobre la recta de aplicación del vector.

Se dice que dos vectores son concurrentes cuando tienen el mismo punto de aplicación.

Un vector opuesto a otro es el que tiene el mismo punto de aplicación, módulo y dirección pero sentido contrario. Así el vector opuesto a es .

Expresado con fórmulas, dado un vector de coordenadas (x, y, z) () su módulo es . Su dirección está dada por la recta que contiene a dicho vector, y su sentido puede ser "hacia un lado" o "hacia el otro".

Operaciones con vectores

Suma de vectores

Suma de vectores

La suma y la resta de vectores tiene en cuenta, además de la magnitud escalar o módulo, el sentido de las magnitudes intervinientes.

Partiendo de la representación gráfica de dos vectores, la suma de ambos se consigue colocando el punto de aplicación del segundo vector, a continuación de la flecha del primero, el vector resultante es el que parte del punto de aplicación del primero hasta el final de la flecha del segundo.

Analíticamente, partiendo de las coordenadas de los dos vectores:

El vector suma será:

agrupando:

Representando los vectores como combinación lineal de versores tenemos:

El resultado de la suma es:

ordenando los componentes:

Pongamos un ejemplo numérico:

el resultado:

agrupando términos:

esto es:

Producto por un escalar

Producto por un escalar

Multiplicar un vector por un escalar es tomar el vector tantas veces como indique el escalar, esto es valido también en los casos en los que el escalar es fraccionario o negativo.

Si partimos de la representación gráfica del vector, y sobre la misma línea de su dirección tomamos tantas veces el modulo de vector como marque el escalar, el resultado es el producto del vector por este escalar, si el signo del escales es negativo, es sentido del vector será el opuesto al original.

Partiendo de un escalar y de un vector , el producto de por es , es el producto de cada una de las coordenadas del vector por el escalar, representando el vector por sus coordenadas:

si lo multiplicamos por el escalar n:

esto es:

Representando el vector como combinación lineal de los versores:

y multiplicándolo por un escalar n:

esto es:

Hagamos un ejemplo con valores numéricos, partimos del vector:

y multiplicamos el vector por 2,5:

esto es:

haciendo las operaciones:

Producto escalar

Definición simplificada para espacios euclídeos reales

El producto escalar en el caso particular de dos vectores en el plano, o en un espacio euclídeo N-dimensional se define como el producto de sus módulos multiplicado por el coseno del ángulo que forman. El resultado es siempre una magnitud escalar.

Se representa por un punto, para distinguirlo del producto vectorial que se representa por un aspa. Por esta razón también se lo denomina producto punto.

El producto escalar, también puede calcularse a partir de las coordenadas cartesianas de ambos vectores, en una base ortonormal (ortogonal y unitaria, es decir, con vectores del mismo tamaño y que forman ángulos rectos entre sí):

Propiedades del producto escalar en un espacio euclídeo real

Conmutativa:

Asociativa:

Distribuitiva:

Si los vectores son ortogonales, su producto escalar es nulo (cos 90º = 0).

Producto vectorial

Con el producto escalar de vectores se encuentra que se pueden definir ángulos y distancias de una forma fácil y directa. Con el producto vectorial, también llamado producto cruz (por representarse con una cruz), encontraremos otra manera también de definir ángulos y áreas de paralelogramos definidos por dos vectores de una forma tal que permitirá expresar volúmenes fácil y sencillamente con el producto mixto.

El producto vectorial da como resultado un vector a partir de otros dos, pero no tiene por qué ser en el mismo espacio vectorial; pues en el plano definido por los dos vectores que se operan, el producto vectorial es una operación externa ya que su resultado es un vector perpendicular a dicho plano. Pero en el espacio afín tridimensional, , el producto vectorial es una operación interna.

Por ello el producto vectorial está definido en .

Definición

Producto vectorial 2.png

Sean y dos vectores concurrentes de , el espacio afín tridimensional, segun la base anterior.

Se define el producto , y se escribe , como el vector:


En el que

, es el determinante de orden 2.

O usando una notación más compacta, mediante el desarrollo de un determinante de orden 3 por la primera fila, también decimos:

Que da origen a la llamada regla del tirabuzón: girando el primer vector hacia el segundo por el ángulo más pequeño, el sentido de es el de un sacacorchos que gire en el mismo sentido.

Propiedades principales

Cualesquiera que sean los vectores , y en :

  1. ,
  2. (el producto vectorial es perpendicular a cualquiera de los factores),
  3. Si y entonces (el producto cruz de dos vectores paralelos es cero).
  4. ,

Otras propiedades

Continuando con los vectores del apartado anterior y con el operador norma habitual:

  • .
  • , siendo el ángulo menor definido por los factores; esta expresión relaciona al producto vectorial con el área del paralelogramo que definen ambos vectores.
  • El vector es el vector director del plano que definen los vectores del producto.


Derivada de un vector

Dado un vector que es función de una variable independiente

Podemos calcular la derivada de a respecto de t, para cada una de sus componentes, como si de un escalar se tratara, siendo el vector de las derivadas:

Para calcular esta derivación hay que tener en cuenta que los versores son constantes en modulo dirección y sentido, cuando se deriva sobre un sistema de referencia en movimiento este punto tiene que ser tenido en cuenta. Veamos un ejemplo de derivación de un vector, partamos de una función vectorial:

Esta función representa una espiral que su eje es el eje z, y de radio 1, en el plano xy, como el de la figura, partamos de la base que esta es la trayectoria de una partícula y la función determina el vector de posición en función del tiempo. Si derivamos, tendremos:

Realizando la derivada:

La derivada de la posición respecto al tiempo, es la velocidad, esta segunda función determina el vector velocidad de la partícula en función del tiempo, podemos decir:

Este vector velocidad, tiene su origen en el centro de coordenadas, y determina las componentes de la velocidad en cada instante, la velocidad de la partícula es un vector paralelo a este, en el punto donde se encuentra la partícula en ese mismo momento. Si derivásemos de nuevo obtendríamos el vector aceleración, como era fácil de suponer.

Otras operaciones

Módulo resultante

Dados dos vectores y , de módulos conocidos y que forman el ángulo entre sí, se puede obtener el módulo con la siguiente fórmula:

Deducción de la expresión

Sean dos vectores y que forman un ángulo entre sí:

Imagen de vectores colocados

La fórmula para calcular se deduce observando los triángulos rectángulos que se forman, OCB y ACB, y aplicando el Teorema de Pitágoras. En el triángulo OCB:

Resultando:

En el triángulo ACB :

Sustituyendo esto en la igualdad de antes resulta:

Obtención de la Dirección

Para obtener los ángulos directores en el anterior ejemplo tenemos que conocer el ángulo y tener calculado .

Podemos usar esta fórmula:

Con la fórmula obtendremos los senos, después para hallar el ángulo a partir del seno tenemos que tener en cuenta que:

Angulo entre dos vectores

Angulo entre 2 vectores en un plano

Para calcular el angulo entre dos vectores se usa la siguiente formula:

El cual se puede generalizar a cualquier dimensión:

Cuando se trata algebraicamente en un espacio vectorial el angulo entre dos vectores esta dado por

Siendo <,> el producto interno definido dentro de dicho espacio vectorial

Apéndice 2: Tabla Periódica

Antecedentes de la Tabla periódica

Orígenes

Aunque algunos elementos como el oro, plata, estaño, cobre, plomo y mercurio ya eran conocidos desde la antigüedad, el primer descubrimiento científico de un elemento ocurrió en 1669 cuando Henning Brand descubrió el fósforo.

Un requisito previo necesario a la construcción de la tabla periódica era el descubrimiento de un número suficiente de elementos individuales, que hiciera posible encontrar alguna pauta en comportamiento químico y sus propiedades. Durante las siguientes 2 centurias, se fue adquiriendo un gran conocimiento sobre estas propiedades así como descubriendo muchos nuevos elementos.


El concepto actual de elemento químico según la idea expresada por Boyle en su famosa obra The Sceptical Chymist, "ciertos cuerpos primitivos y simples que no están formados por otros cuerpos, ni unos de otros, y que son los ingredientes de que se componen inmediatamente y en que se resuelven en último término todos los cuerpos perfectamente mixtos", desarrollado posteriormente por Lavoisier en su obra Tratado elemental de Química, condujo a diferenciar en primer lugar qué sustancias de las conocidas hasta ese momento eran elementos químicos, cuáles eran sus propiedades y cómo aislarlos.

El descubrimiento de un gran número de nuevos elementos, así como el estudio de sus propiedades pusieron de manifiesto algunas semejanzas entre ellos, lo que aumentó el interés de los químicos por buscar algún tipo de clasificación.

Triadas de Döbereiner

Uno de los primeros intentos para agrupar los elementos de propiedades análogas se debe a J. W. Döbereiner quien en 1817 puso de manifiesto el notable parecido que existía entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos, con una variación gradual del primero al último. Posteriormente (1827) señaló la existencia de otros grupos de tres elementos en los que se daba la misma relación (cloro, bromo y yodo; azufre, selenio y teluro; litio, sodio y potasio).

Triadas de Döbereiner
Litio LiCl
LiOH
Calcio CaCl2
CaSO4
Azufre H2S
SO2
Sodio NaCl
NaOH
Estroncio SrCl2
SrSO4
Selenio H2Se
SeO2
Potasio KCl
KOH
Bario BaCl2
BaSO4
Teluro H2Te
TeO2

A estos grupos de tres elementos se les denominó triadas y hacia 1850 ya se habían encontrado unas 20, lo que indicaba una cierta regularidad entre los elementos químicos.

Döbereiner intentó relacionar las propiedades químicas de estos elementos (y de sus compuestos) con los pesos atómicos, observando una gran analogía entre ellos, y una variación gradual del primero al último.

Vis tellurique de Chancourtois

En 1864, Chancourtois construyó una hélice de papel, en la que se estaban ordenados por pesos atómicos los elementos conocidos, arrollada sobre un cilindro vertical. Se encontraba que los puntos correspondientes estaban separados unas 16 unidades. Los elementos similares estaban prácticamente sobre la misma generatriz, lo que indicaba una cierta periodicidad, pero su diagrama pareció muy complicado y recibió poca atención.

Ley de las octavas de Newlands

En 1864, el químico inglés Newlands comunicó a la Real Sociedad Inglesa de Química su observación de que al ordenar los elementos en orden creciente de sus pesos atómicos (prescindiendo del hidrógeno), el octavo elemento a partir de cualquier otro tenía unas propiedades muy similares al primero. En esta época, los llamados gases nobles no habían sido aún descubiertos.

Ley de las octavas de Newlans
1 2 3 4 5 6 7
Li
6,9

Na
23,0

K
39,0
Be
9,0

Mg
24,3

Ca
40,0
B
10,8

Al
27,0



C
12,0

Si
28,1



N
14,0

P
31,0



O
16,0

S
32,1



F
19,0

Cl
35,5



Esta ley mostraba una cierta ordenación de los elementos en familias (grupos), con propiedades muy parecidas entre sí y en Periodos, formados por ocho elementos cuyas propiedades iban variando progresivamente.

El nombre de octavas se basa en la intención de Newlands de relacionar estas propiedades con la que existe en la escala de las notas musicales, por lo que dio a su descubrimiento el nombre de ley de las octavas.

Como a partir del calcio dejaba de cumplirse esta regla, esta ordenación no fue apreciada por la comunidad científica que lo menospreció y ridiculizó, hasta que 23 años más tarde fue reconocido por la Royal Society, que concedió a Newlands su más alta condecoración, la medalla Davy.

La Tabla Periódica de Mendeleyev de los elementos, fue propuesta por Dimitri Mendeleyev y Meyer quienes, trabajando por separado, prepararon una ordenación de todos los elementos conocidos, basándose en las variación sistemática con la masa atómica de las propiedades químicas (Mendeleyev) y físicas (Meyer). A diferencia de lo que había supuesto Newlands, en la Tabla Periódica de Mendeleyev los periodos (filas horizontales) no tenían siempre la misma longitud, pero a lo largo de los mismos había una variación gradual de las propiedades, de tal forma que los elementos de un mismo grupo o familia (columnas verticales) se correspondían en los diferentes periodos. Esta tabla fue publicada en 1869, sobre la base de que las propiedades de los elementos son función periódica de sus pesos atómicos.

Tabla Periódica

Tabla periódica de los elementos
Grupo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
I II III IV V VI VII VIII
Periodo
1 1
H
2
He
2 3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
3 11
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
4 19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6 55
Cs
56
Ba
* 71
Lu
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
7 87
Fr
88
Ra
** 103
Lr
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
El| Uus
118
Uuo
Lantánidos * 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
Actínidos ** 89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No


Alcalinos Alcalinotérreos Lantánidos Actínidos Metales de transición
Metales del bloque p Metaloides No metales Halógenos Gases nobles

Lista de elementos y sus propiedades

símbolo nombre número
  atómico
Masa atómica Densidad a 20°C Punto de fusión °C Punto de ebullición °C Descubrimiento Descubridor
Ac Actinio 89 227,0278 g/mol 10,07 g/cm³ 1047 °C 3197 °C 1899 Debierne
Ag Plata 47 107,8682 g/mol 10,49 g/cm³ 961,9 °C 2212 °C prehistórico desconocido
Al Aluminio 13 26,981539 g/mol 2,70 g/cm³ 660,5 °C 2467 °C 1825 Oersted
Am Americio 95 243,0614 g/mol 13,67 g/cm³ 994 °C 2607 °C 1944 Seaborg
Ar Argón 18 39,948 g/mol 1,66 g/l -189,4 °C -185,9 °C 1894 Ramsay y Rayleigh
As Arsénico 33 74,92159 g/mol 5,72 g/cm³ 613 °C 613 (sublimiert) °C ca. 1250 Albertus Magnus
At Astato 85 209,9871 g/mol 302 °C 337 °C 1940 Corson y MacKenzie
Au Oro 79 196,96654 g/mol 19,32 g/cm³ 1064,4 °C 2940 °C prehistórico desconocido
B Boro 5 10,811 g/mol 2,46 g/cm³ 2300 °C 2550 °C 1808 Davy y Gay-Lussac
Ba Bario 56 137,327 g/mol 3,65 g/cm³ 725 °C 1640 °C 1808 Davy
Be Berilio 4 9,012182 g/mol 1,85 g/cm³ 1278 °C 2970 °C 1797 Vauquelin
Bh Bohrio 107 262,1229 g/mol 1976 Oganessian
Bi Bismuto 83 208,98037 g/mol 9,80 g/cm³ 271,4 °C 1560 °C 1540 Agricola
Bk Berkelio 97 247,0703 g/mol 13,25 g/cm³ 986 °C 1949 Seaborg
Br Bromo 35 79,904 g/mol 3,14 g/cm³ -7,3 °C 58,8 °C 1826 Balard
C Carbono 6 12,011 g/mol 3,51 g/cm³ 3550 °C 4827 °C prehistórico desconocido
Ca Calcio 20 40,078 g/mol 1,54 g/cm³ 839 °C 1487 °C 1808 Davy
Cd Cadmio 48 112,411 g/mol 8,64 g/cm³ 321 °C 765 °C 1817 Stromeyer y Hermann
Ce Cerio 58 140,115 g/mol 6,77 g/cm³ 798 °C 3257 °C 1803 von Hisinger y Berzelius
Cf Californio 98 251,0796 g/mol 15,1 g/cm³ 900 °C 1950 Seaborg
Cl Cloro 17 35,4527 g/mol 2,95 g/l -34,6 °C -101 °C 1774 Scheele
Cm Curio 96 247,0703 g/mol 13,51 g/cm³ 1340 °C 1944 Seaborg
Co Cobalto 27 58,9332 g/mol 8,89 g/cm³ 1495 °C 2870 °C 1735 Brandt
Cr Cromo 24 51,9961 g/mol 7,14 g/cm³ 1857 °C 2482 °C 1797 Vauquelin
Cs Cesio 55 132,90543 g/mol 1,90 g/cm³ 28,4 °C 690 °C 1860 Kirchhoff y Bunsen
Cu Cobre 29 63,546 g/mol 8,92 g/cm³ 1083,5 °C 2595 °C prehistórico desconocido
Db Dubnio 105 262,1138 g/mol 1967/70 Flerow oder Ghiorso
Ds Darmstadtio 110 269 g/mol 1994 Society for Heavy Ion Research
Dy Disprosio 66 162,5 g/mol 8,56 g/cm³ 1409 °C 2335 °C 1886 Lecoq de Boisbaudran
Er Erbio 68 167,26 g/mol 9,05 g/cm³ 1522 °C 2510 °C 1842 Mosander
Es Einsteinio 99 252,0829 g/mol 860 °C 1952 Seaborg
Eu Europio 63 151,965 g/mol 5,25 g/cm³ 822 °C 1597 °C 1901 Demaçay
F Flúor 9 18,9984032 g/mol 1,58 g/l -219,6 °C -188,1 °C 1886 Moissan
Fe Hierro 26 55,847 g/mol 7,87 g/cm³ 1535 °C 2750 °C prehistórico desconocido
Fm Fermio 100 257,0951 g/mol 1952 Seaborg
Fr Francio 87 223,0197 g/mol 27 °C 677 °C 1939 Perey
Ga Galio 31 69,723 g/mol 5,91 g/cm³ 29,8 °C 2403 °C 1875 Lecoq de Boiskaudran
Gd Gadolinio 64 157,25 g/mol 7,89 g/cm³ 1311 °C 3233 °C 1880 de Marignac
Ge Germanio 32 72,61 g/mol 5,32 g/cm³ 937,4 °C 2830 °C 1886 Winkler
H Hidrógeno 1 1,00794 g/mol 0,084 g/l -259,1 °C -252,9 °C 1766 Cavendish
He Helio 2 4,002602 g/mol 0,17 g/l -272,2 °C -268,9 °C 1895 Ramsay y Cleve
Hf Hafnio 72 178,49 g/mol 13,31 g/cm³ 2150 °C 5400 °C 1923 Coster y vón Hevesy
Hg Mercurio 80 200,59 g/mol 13,55 g/cm³ -38,9 °C 356,6 °C prehistórico desconocido
Ho Holmio 67 164,93032 g/mol 8,78 g/cm³ 1470 °C 2720 °C 1878 Soret
Hs Hassio 108 265 g/mol 1984 Society for Heavy Ion Research
I Yodo 53 126,90447 g/mol 4,94 g/cm³ 113,5 °C 184,4 °C 1811 Courtois
In Indio 49 114,82 g/mol 7,31 g/cm³ 156,2 °C 2080 °C 1863 Reich y Richter
Ir Iridio 77 192,22 g/mol 22,65 g/cm³ 2410 °C 4130 °C 1803 Tenant y andere
K Potasio 19 39,0983 g/mol 0,86 g/cm³ 63,7 °C 774 °C 1807 Davy
Kr Kriptón 36 83,8 g/mol 3,48 g/l -156,6 °C -152,3 °C 1898 Ramsay y Travers
La Lantano 57 138,9055 g/mol 6,16 g/cm³ 920 °C 3454 °C 1839 Mosander
Li Litio 3 6,941 g/mol 0,53 g/cm³ 180,5 °C 1317 °C 1817 Arfvedson
Lr Lawrencio 103 260,1053 g/mol 1961 Ghiorso
Lu Lutecio 71 174,967 g/mol 9,84 g/cm³ 1656 °C 3315 °C 1907 Urbain
Md Mendelevio 101 258,0986 g/mol 1955 Seaborg
Mg Magnesio 12 24,305 g/mol 1,74 g/cm³ 648,8 °C 1107 °C 1755 Black
Mn Manganeso 25 54,93805 g/mol 7,44 g/cm³ 1244 °C 2097 °C 1774 Gahn
Mo Molibdeno 42 95,94 g/mol 10,28 g/cm³ 2617 °C 5560 °C 1778 Scheele
Mt Meitnerio 109 266 g/mol 1982 Society for Heavy Ion Research
N Nitrógeno 7 14,00674 g/mol 1,17 g/l -209,9 °C -195,8 °C 1772 Rutherford
Na Sodio 11 22,989768 g/mol 0,97 g/cm³ 97,8 °C 892 °C 1807 Davy
Nb Niobio 41 92,90638 g/mol 8,58 g/cm³ 2468 °C 4927 °C 1801 Hatchet
Nd Neodimio 60 144,24 g/mol 7,00 g/cm³ 1010 °C 3127 °C 1895 von Welsbach
Ne Neón 10 20,1797 g/mol 0,84 g/l -248,7 °C -246,1 °C 1898 Ramsay y Travers
Ni Niquel 28 58,69 g/mol 8,91 g/cm³ 1453 °C 2732 °C 1751 Cronstedt
No Nobelio 102 259,1009 g/mol 1958 Seaborg
Np Neptunio 93 237,0482 g/mol 20,48 g/cm³ 640 °C 3902 °C 1940 McMillan y Abelson
O Oxígeno 8 15,9994 g/mol 1,33 g/l -218,4 °C -182,9 °C 1774 Priestley y Scheele
Os Osmio 76 190,2 g/mol 22,61 g/cm³ 3045 °C 5027 °C 1803 Tenant
P Fósforo 15 30,973762 g/mol 1,82 g/cm³ 44 (P4) °C 280 (P4) °C 1669 Brandt
Pa Protactinio 91 231,0359 g/mol 15,37 g/cm³ 1554 °C 4030 °C 1917 Soddy, Cranston y Hahn
Pb Plomo 82 207,2 g/mol 11,34 g/cm³ 327,5 °C 1740 °C prehistórico desconocido
Pd Paladio 46 106,42 g/mol 12,02 g/cm³ 1552 °C 3140 °C 1803 Wollaston
Pm Prometio 61 146,9151 g/mol 7,22 g/cm³ 1080 °C 2730 °C 1945 Marinsky y Glendenin
Po Polonio 84 208,9824 g/mol 9,20 g/cm³ 254 °C 962 °C 1898 Marie y Pierre Curie
Pr Praseodimio 59 140,90765 g/mol 6,48 g/cm³ 931 °C 3212 °C 1895 von Welsbach
Pt Platino 78 195,08 g/mol 21,45 g/cm³ 1772 °C 3827 °C 1557 Scaliger
Pu Plutonio 94 244,0642 g/mol 19,74 g/cm³ 641 °C 3327 °C 1940 Seaborg
Ra Radio 88 226,0254 g/mol 5,50 g/cm³ 700 °C 1140 °C 1898 Marie y Pierre Curie
Rb Rubidio 37 85,4678 g/mol 1,53 g/cm³ 39 °C 688 °C 1861 Bunsen y Kirchhoff
Re Renio 75 186,207 g/mol 21,03 g/cm³ 3180 °C 5627 °C 1925 Noddack, Tacke y Berg
Rf Rutherfordio 104 261,1087 g/mol 1964/69 Flerow oder Ghiorso
Rg Roentgenio 111 272 g/mol 1994 Society for Heavy Ion Research
Rh Rodio 45 102,9055 g/mol 12,41 g/cm³ 1966 °C 3727 °C 1803 Wollaston
Rn Radón 86 222,0176 g/mol 9,23 g/l -71 °C -61,8 °C 1900 Dorn
Ru Rutenio 44 101,07 g/mol 12,45 g/cm³ 2310 °C 3900 °C 1844 Claus
S Azufre 16 32,066 g/mol 2,06 g/cm³ 113 °C 444,7 °C prehistórico desconocido
Sb Antimonio 51 121,75 g/mol 6,69 g/cm³ 630,7 °C 1750 °C prehistórico desconocido
Sc Escandio 21 44,95591 g/mol 2,99 g/cm³ 1539 °C 2832 °C 1879 Nilson
Se Selenio 34 78,96 g/mol 4,82 g/cm³ 217 °C 685 °C 1817 Berzelius
Sg Seaborgio 106 263,1182 g/mol 1974 Oganessian
Si Silicio 14 28,0855 g/mol 2,33 g/cm³ 1410 °C 2355 °C 1824 Berzelius
Sm Samario 62 150,36 g/mol 7,54 g/cm³ 1072 °C 1778 °C 1879 Lecoq de Boisbaudran
Sn Estaño 50 118,71 g/mol 7,29 g/cm³ 232 °C 2270 °C prehistórico desconocido
Sr Estroncio 38 87,62 g/mol 2,63 g/cm³ 769 °C 1384 °C 1790 Crawford
Ta Tantalio 73 180,9479 g/mol 16,68 g/cm³ 2996 °C 5425 °C 1802 Ekeberg
Tb Terbio 65 158,92534 g/mol 8,25 g/cm³ 1360 °C 3041 °C 1843 Mosander
Tc Tecnecio 43 98,9063 g/mol 11,49 g/cm³ 2172 °C 5030 °C 1937 Perrier y Segrè
Te Telurio 52 127,6 g/mol 6,25 g/cm³ 449,6 °C 990 °C 1782 von Reichenstein
Th Torio 90 232,0381 g/mol 11,72 g/cm³ 1750 °C 4787 °C 1829 Berzelius
Ti Titanio 22 47,88 g/mol 4,51 g/cm³ 1660 °C 3260 °C 1791 Gregor y Klaproth
Tl Talio 81 204,3833 g/mol 11,85 g/cm³ 303,6 °C 1457 °C 1861 Crookes
Tm Tulio 69 168,93421 g/mol 9,32 g/cm³ 1545 °C 1727 °C 1879 Cleve
U Uranio 92 238,0289 g/mol 18,97 g/cm³ 1132,4 °C 3818 °C 1789 Klaproth
Uub Ununbio 112 277 g/mol 1996 Society for Heavy Ion Research
Uuh Ununhexio 116
Uuo Ununoctio 118
Uup Ununpentio 115
Uug Ununquadio 114
Uus Ununseptio 117
Uut Ununtrio 113
V Vanadio 23 50,9415 g/mol 6,09 g/cm³ 1890 °C 3380 °C 1801 del Rio
W Wolframio 74 183,85 g/mol 19,26 g/cm³ 3407 °C 5927 °C 1783 Hermanos Elhuyar
Xe Xenón 54 131,29 g/mol 4,49 g/l -111,9 °C -107 °C 1898 Ramsay y Travers
Y Itrio 39 88,90585 g/mol 4,47 g/cm³ 1523 °C 3337 °C 1794 Gadolin
Yb Iterbio 70 173,04 g/mol 6,97 g/cm³ 824 °C 1193 °C 1878 de Marignac
Zn Zinc 30 65,39 g/mol 7,14 g/cm³ 419,6 °C 907 °C prehistórico desconocido
Zr Circonio 40 91,224 g/mol 6,51 g/cm³ 1852 °C 4377 °C 1789 Klaproth

Apéndice 3: El Sistema Internacional de Unidades (SI)

Sistema Internacional de Unidades, abreviado SI (en francés, Système International d'Unités) es el sistema de unidades más extensamente usado. Junto con el antiguo sistema métrico decimal, que es su antecedente y que ha mejorado, el SI también es conocido como sistema métrico, especialmente en las naciones en las que aún no se ha implantado para su uso cotidiano. Fue creado en 1960 por la Conferencia General de Pesas y Medidas, que inicialmente definió seis unidades físicas básicas o fundamentales. En 1971, fue añadida la séptima unidad básica, el mol.

Una de las principales características y que constituye a su vez la gran ventaja del SI es que sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales. La única excepción la constituye la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, que está definida como “la masa del prototipo internacional del kilogramo” o aquel cilindro de platinio e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite alcanzar la equivalencia de las medidas realizadas por instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares apartados y por ende asegurar, sin la necesidad de ensayos y mediciones duplicadas, el cumplimiento de las características de los objetos que circulan en el comercio internacional y su intercambiabilidad.

El Sistema Internacional de Unidades (SI) define siete unidades básicas o unidades físicas fundamentales, las cuales son descritas por una definición operacional.

Unidades Fundamentales

Todas las demás unidades para expresar magnitudes físicas se pueden derivar de estas unidades básicas y se conocen como unidades derivadas del SI. La derivación se lleva a cabo por medio del análisis dimensional. Se usan prefijos para abreviar números muy grandes o muy pequeños.

Magnitud física que se toma como fundamental Unidad básica o fundamental Símbolo
Longitud (l) metro m
Masa (m) kilogramo kg
Tiempo (t) segundo s
Intensidad de corriente eléctrica (I) amperio A
Temperatura (T) kelvin K
Cantidad de sustancia (n) mol mol
Intensidad luminosa (I) candela cd

Magnitudes

Longitud

Metro patrón en platino iridiado

Unidad: metro (m)

Un metro se define como la distancia que viaja la luz en el vacío en 1/299.792.458 segundos. Esta norma fue adoptada en 1983 cuando la velocidad de la luz en el vacío fue definida exactamente como 299.792.458 m/s.

Masa

Unidad: kilogramo (kg)

Un kilogramo se define como la masa del Kilogramo Patrón, cilindro compuesto de una aleación de platino-iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, cerca de París. Actualmente es la única que se define por un objeto patrón.

Tiempo

Unidad: segundo (s)

Un segundo es el tiempo requerido por 9.192.631.770 ciclos de una transición hiperfina en el cesio 133. Esta definición fue adoptada en 1967.

Intensidad de corriente eléctrica

Unidad: ampere (A)

El ampere es la intensidad de una corriente eléctrica constante que, mantenida en dos conductores paralelos de longitud infinita, de sección circular despreciable y ubicados a una distancia de 1 metro en el vacío, produce una fuerza entre ellos igual a 2×10-7 newtons por metro.

Temperatura

Unidad: kelvin (K)

Cantidad de sustancia

Unidad: mol (mol)

Un mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12.

Cuando se usa el mol, las entidades elementales deben ser especificadas y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de tales partículas.

Intensidad luminosa

Unidad: candela (cd)

Una candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática con frecuencia de 540 × 1012 Hz de forma que la intensidad de radiación emitida, en la dirección indicada, es de 1/683 W por estereorradián.

Unidades Derivadas

Con esta denominación se hace referencia a las unidades utilizadas para expresar magnitudes físicas que son resultado de combinar magnitudes físicas tomadas como fundamentales.

En cualquier caso, siempre es posible establecer una relación entre las unidades derivadas y las básicas o fundamentales mediante las correspondientes ecuaciones dimensionales.

El concepto no debe confundirse con los múltiplos y sub-múltiplos, los que son utilizados tanto en las unidades fundamentales como en las unidades derivadas, sino que debe relacionarse siempre a las magnitudes que se expresan. Si estas son longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia o intensidad luminosa, se trata de una magnitud fundamental, y todas las demás son derivadas.

Unidades derivadas que tienen nombre propio

Magnitud física Nombre de la unidad Símbolo de la unidad Expresada en unidades derivadas Expresada en unidades básicas
Frecuencia hertz Hz   s-1
Fuerza newton N   m·kg·s-2
Presión pascal Pa N·m-2 m-1·kg·s-2
Energía, trabajo, calor joule J N·m m2·kg·s-2
Potencia watt W J·s-1 m2·kg·s-3
Carga eléctrica coulomb C   A·s
Potencial eléctrico, fuerza electromotriz volt V J·C-1 m2·kg·s-3·A-1
Resistencia eléctrica ohm Ω V·A-1 m2·kg·s-3·A-2
Conductancia eléctrica siemens S A·V-1 m-2·kg-1·s3·A2
Capacitancia eléctrica faraday F C·V-1 m-2·kg-1·s4·A2
Densidad de flujo magnético, inductividad magnética tesla T V·s·m-2 kg·s-2·A-1
Flujo magnético weber Wb V·s m2·kg·s-2·A-1
Inductancia henrio H V·A-1·s

m2·kg·s-2·A-2

Ángulo plano radián rad   m·m-1
Ángulo sólido estereorradián sr   m2·m-2
Flujo luminoso lumen lm cd·sr  
Iluminancia lux lx cd·sr·m-2  
Actividad radiactiva becquerel Bq   s-1
Dosis de radiación absorbida gray Gy J·kg-1 m2·s-2
Dosis equivalente sievert Sv J·kg-1 m2·s-2
Actividad catalítica katal kat   mol·s-1


Unidades derivadas que carecen de nombre propio

Algunas otras unidades que no tienen un nombre especial pero son de uso común:

Magnitud física Expresada en unidades derivadas Expresada en unidades básicas
Área   m2
Volumen   m3
Velocidad, rapidez   m·s-1
Velocidad angular rad·s-1 s-1
Aceleración   m·s-2
Momento de fuerza N·m m2·kg·s-2
Número de ondas   m-1
Densidad   kg·m-3
Volumen específico   m3·kg-1
Concentración   mol·m-3
Volumen molar   m3·mol-1
Capacidad de calor, entropía J·K-1 m2·kg·s-2·K-1
Capacidad molar de calor, entropía molar J·K-1·mol-1 m2·kg·s-2·K-1·mol-1
Capacidad de calor específico, entropía específica J·K-1·kg-1 m2·s-2·K-1
Energía molar J·mol-1 m2·kg·s-2·mol-1
Energía específica J·kg-1 m2·s-2
Densidad de energía J·m-3 m-1·kg·s-2
Tensión superficial N·m-1=J·m-2 kg·s-2
Densidad de flujo de calor W·m-2 kg·s-3
Conductividad térmica W·m-1·K-1 m·kg·s-3·K-1
Viscosidad cinemática, coeficiente de difusión   m2·s-1
Viscosidad dinámica N·s·m-2 = Pa·s m-1·kg·s-1
Densidad de carga eléctrica C·m-3 m-3·s·A
Densidad de corriente eléctrica   A·m-2
Conductividad eléctrica S·m-1 m-3·kg-1·s3·A2
Conductividad molar S·m2·mol-1 kg-1·mol-1·s3·A2
Permisividad F·m-1 m-3·kg-1·s4·A2
Permeabilidad H·m-1 m·kg·s-2·A-2
Intensidad de campo eléctrico V·m-1 m·kg·s-3·A-1
Intensidad de campo magnético   A·m-1
Luminancia   cd·m-2
Exposición (rayos X y rayos gamma) C·kg-1 kg-1·s·A
Tasa de dosis absorbida Gy·s-1 m2·s-3

Prefijos del SI

Los prefijos se anteponen a las unidades para que la cantidad sea mas cómoda de acuerdo a la situación. Así el prefijo kilo, por ejemplo, multiplica por mil, por lo tanto un kilometro son 1.000 metros, y un kilowatt son 1.000 watt. El prefijo mili divide entre mil; por lo tanto, un milimetro es la milésima parte de un metro (se necesitan 1.000 milímetros para completar un metro), y un mililitro es la milésima parte de un litro. Otra de las ventajas del SI es el empleo de un mismo prefijo para cualquier unidad, lo que facilita el aprendizaje y el empleo de dicho sistema.

yotta Y 1024 (un cuatrillón)
zetta Z 1021 (mil trillones)
exa E 1018 (un trillón)
peta P 1015 (mil billones)
tera T 1012 (un billón)
giga G 109 (mil millones)
mega M 106 (un millón)
miria ma 104 (diez mil)
kilo k 103 (mil)
hecto h 102 (cien)
deca da 101 (diez)
deci d 10-1 (un décimo)
centi c 10-2 (un centésimo)
mili m 10-3 (un milésimo)
micro μ 10-6 (un millonésimo)
nano n 10-9 (un milmillonésimo)
pico p 10-12 (un billonésimo)
femto f 10-15 (un milbillonésimo)
atto a 10-18 (un trillonésimo)
zepto z 10-21 (un miltrillonésimo)
yocto y 10-24 (un cuatrillonésimo)

Hay que tener en cuenta antes los prefijos que las potencias; así, "km²" se lee kilómetro cuadrado, no kilo–metro cuadrado. Por ejemplo, 3 km² son 3.000.000 m², no 3.000 m² (ni tampoco 9.000.000 m²). Es decir, lo prefijos del SI en lugar de miles se convierten en multiplicadores de millón en el caso de las potencias de 2, de mil millones en el caso de las potencias de 3 y así sucesivamente. Por lo tanto es probable que se requiera emplear números grandes, aunque se empleen todos los prefijos.

Son mejores los prefijos cuya potencia es múltiplo de tres. Por ello es preferible emplear "100 m" que "1 hm". Hay, sin embargo, algunas excepciones importantes: el centímetro, la hectárea (hecto-área), el centilitro, el decímetro cúbico (equivalente a un litro), el hectopascal y el decibelio (la décima parte de un bel).

Los prefijos myria- y myrio-, que han quedado obsoletos, se abandonaron antes de que el SI entrara en vigor en 1960, probablemente por no seguir el mismo modelo que el resto de prefijos, por no existir símbolos adecuados para representarlos (para entonces ya se empleaban los símbolos M, m y µ) y por ser, en general, poco empleados.

Los micromicrofaradios (picofaradios), los hectokilómetros (100 kilómetros), las milimicras o micromilímetros (ambos nanómetros) y otros prefijos dobles del estilo se abandonaron al adoptarse el SI.

El kilogramo es la única unidad básica del SI que lleva prefijo. Denota la masa de un objeto real. El gramo es la milésima parte (1/1000) de la masa de dicho objeto.

Aunque en principio pueden emplearse, las combinaciones de prefijos y cantidades se emplean poco, incluso en los ámbitos de la ciencia y de la ingeniería:

  • Masa: hectogramo, gramo, miligramo, microgramo y otras unidades más pequeñas se emplean a menudo. El megagramo y otras mayores, en cambio, no se suelen emplear habitualmente; en su lugar se emplea la tonelada o la notación científica. En ocasiones el megagramo se emplea para diferenciar la tonelada métrica de la no métrica.
  • Volumen en litros: litro, decilitro, centilitro, mililitro, mikrolitro y otras unidades más pequeñas se emplean a menudo. Los volúmenes mayores en ocasiones se dan en hectolitros; en otras en metros cúbicos o en kilómetros cúbicos; también en hectómetros cúbicos.
  • Longitud: kilómetro, metro, decímetro, centímetro, milímetro y a menudo unidades más pequeñas. Unidades mayores como el megametro, el gigametro u otras, pocas veces. La unidad astronómica, el año-luz y el parsec se emplean, en cambio, a menudo; en el reglamento del SI, la unidad astronómica figura como una unidad aceptable pero oficialmente fuera del sistema.
  • Tiempo: segundo, milisegundo, microsegundo y otras unidades más pequeñas son habituales. El kilosegundo y el megasegundo también se emplean en ocasiones, aunque son más habituales determinadas formas de notación científica o las horas, los minutos y otras unidades del estilo que denotan tiempos tan largos o más que dichas unidades.

Aunque anteriormente en Reino Unido, Irlanda, Australia y Nueva Zelanda se empleaba la escala larga para nombrar los números, actualmente y cada vez más emplean la escala corta. Hay que tener en cuenta que por encima del millón y por debajo de la millonésima, nombres iguales poseen significados distintos en ambos sistemas corto y largo, con lo que números del orden del billón o del trillón, por ejemplo, pueden resultar confusos a nivel internacional. El empleo de los prefijos del SI puede ser el camino para la superación de este problema.

Normas ortográficas para los símbolos

Los símbolos de las unidades no deben tratarse como abreviaturas, por lo que se deben escribir siempre tal cual están definidos (p. ej., m para metro y A para ampere o amperio). Deben usarse preferentemente los símbolos y no los nombres (p. ej., kHz y no kilohertz o kilohertzio) y ni unos ni otros deben pluralizarse (p. ej., de resultar imprescindible, se dirá kilohertz, pero no kilohertzs). Pueden utilizarse las denominaciones castellanizadas de uso habitual, siempre que estén reconocidos por la Real Academia Española, (ejemplos: amperio, culombio, faradio, voltio, vatio, etc.), pero es preferible evitarlos en pro de la precisión científica y de la uniformidad internacional.

Los símbolos no cambian cuando se trata de varias unidades, es decir, no debe añadirse una "s". Tampoco debe situarse un punto (".") a continuación de un símbolo, salvo cuando el símbolo se encuentra al final de una frase. Por lo tanto, es incorrecto escribir, por ejemplo, el símbolo de kilogramos como "Kg" (con mayúscula), "kgs" (pluralizado) o "kg." (con el punto). La única manera correcta de escribirlo es "kg". Esto se debe a que se quiere evitar que haya malas interpretaciones; por ejemplo: "Kg", podría entenderse como kelvin·gramo, ya que "K" es el símbolo de la unidad de temperatura kelvin. Por otra parte, ésta última se escribe sin el símbolo de grados "°", pues su nombre correcto no es grado Kelvin (°K), sino sólo kelvin (K).

El símbolo de segundos es s (en minúscula y sin punto posterior) y no seg. ni segs. Los amperios no deben abreviarse Amps., ya que su símbolo es A (mayúscula y sin punto). El metro se simboliza con m (no mt, ni mts.).

Legislación sobre el uso del SI

El SI puede ser usado legalmente en cualquier país del mundo, incluso en aquellos que no lo han implantado. En otros muchos países su uso es obligatorio. En los países que utilizan todavía otros sistemas de unidades de medidas, como los Estados Unidos y el Reino Unido, se acostumbran a indicar las unidades del SI junto a las propias, a efectos de conversión de unidades.

El SI fue adoptado por la undécima Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM o Conférence Générale des Poids et Mesures) en 1960.

En Argentina, el SI fue adoptado a través de la ley Nº 19.511, creada el 2 de marzo de 1972, conocida como Sistema Métrico Legal Argentino (SI.ME.LA.).

En España, en el Art. 149 (Título VIII) de la Constitución de 1978 se atribuye al Estado la competencia exclusiva de legislar sobre pesos y medidas. La ley que desarrolla esta materia es la Ley 3/1985, del 18 de marzo, de Metrología.

Apéndice 4:Biografías

Carl Friedrich Gauss

Distribución normal

Johann Carl Friedrich Gauss (Gauß), matemático, astrónomo y físico alemán considerado el más grande matemático de toda la historia por sus amplias contribuciones en muchos campos de esta ciencia, nació en Brunswick, Baja Sajonia el 30 de abril de 1777.

Es célebre la siguiente anécdota: tenía Gauss 10 años cuando un día en la escuela el profesor manda sumar los cien primeros números naturales. El maestro quería unos minutos de tranquilidad ... pero transcurridos pocos segundos Gauss levanta la mano y dice tener la solución: los cien primeros números naturales suman 5.050. Y efectivamente es así. ¿Cómo lo hizo Gauss? Pues mentalmente se dio cuenta de que la suma de dos términos equidistantes era constante:

1 , 2 , 3 , 4 . . . . . . . . . 97 , 98 , 99 , 100
1+100 = 2+99 = 3+98 = 4+97 = ..... = 101

Con los 100 números se pueden formar 50 pares, de forma que la solución final viene dada por el producto

101· 50 = 5050

Gauss había deducido la fórmula que da la suma de n términos de una progresión aritmética de la que se conocen el primero y el último término:

dónde a1 es el primer término, an el último, y n es el número de términos de la progresión.

Fue el primero en probar rigurosamente el Teorema Fundamental del Álgebra (disertación para su tesis doctoral en 1799), aunque una prueba casi completa de dicho teorema fue hecha por Jean Le Rond d'Alembert anteriormente.

En 1801 publicó el libro Disquisitiones Aritmeticae, con seis secciones dedicadas a la Teoría de números, dándole a esta rama de las matemáticas una estructura sistematizada. En la última sección del libro expone su tesis doctoral. Ese mismo año predijo la órbita del Ceres aproximando raíces cuadradas.

En 1809 fue nombrado director del Observatorio de Göttingen. En 1809 publica Theoria motus corporum coelestium in sectionibus conicis Solem ambientium describiendo cómo calcular la órbita de un planeta y cómo refinarla posteriormente. Profundiza sobre ecuaciones diferenciales y secciones cónicas.

Quizás Gauss haya sido la primera persona en intuir la independencia del postulado de las paralelas de Euclides y de esta manera anticipar una geometría no euclidiana. Pero esto sólo se afirma, sacando conclusiones de cartas enviadas a sus amigos, Farkas Bolyai y a su hijo János Bolyai a quien Gauss calificó como un genio de primer orden.

En 1823 publica Theoria combinationis observationum erroribus minimis obnoxiae, dedicado a la estadística, concretamente a la distribución normal cuya curva característica, denominada Campana de Gauss, es muy usada en disciplinas no matemáticas donde los datos son susceptibles de estar afectados por errores sistemáticos y casuales como por ejemplo la psicología diferencial.

Hay que aclarar que Gauss no fue el primero en hacer referencia a la distribución normal.

Mostró un gran interés en geometría diferencial y su trabajo Disquisitiones generales circa superficies curva publicado en 1828 fue el más reconocido en este campo. En dicha obra expone el famoso Teorema Egregium. De esta obra se deriva el término Curvatura Gaussiana.

En 1831 se asocia al físico Wilhelm Weber durante seis fructíferos años en los que realizan investigaciones sobre las Leyes de Kirchhoff, publicaciones sobre magnetismo y construyen un telégrafo eléctrico primitivo.

Aunque a Gauss le desagradaba dar clases, algunos de sus alumnos resultaron destacados matemáticos como Richard Dedekind y Bernhard Riemann. Otros matemáticos contemporáneos fueron Carl Gustav Jakob Jacobi, Dirichlet y Sophie Germain.

Gauss murió en Göttingen el 23 de febrero de 1855.