Física NUEVA EDICION ACTUALIZADA Parte 2

Incluye Referencias Bibliográficas

26 Carga y materia 953

26-1 Electromagnetismo-Esbozo histórico 953

26-2 Carga eléctrica 955

26-3 Conductores y aisladores 956

26-4 Ley de Coulomb 957

26-5 La carga está cuantizada 962

26-6 Carga y materia 965

26-7 La carga se conserva

969

27 El campo eléctrico 973

27-1 El campo eléctrico 973

27-2 La intensidad del campo eléctrico E 975

27-3 Líneas de fuerza 976

27-4 Cálculo de E 982

27-5 Una carga punto en un campo eléctrico

988

27-6 Un dipolo en un campo eléctrico 991

28 Ley de Gauss 1001

28-1 Flujo del campo eléctrico 1001

28-2 Ley de Gauss 1005

28-3 La ley de Gauss y la ley de Coulomb

1006

28-4 Un conductor aislado 1008

28-5 Demostración experimental de las leyes de Gauss y de Coulomb 1009

28-6 Ley de Gauss-Algunas aplicaciones

1012

28-7 El modelo nuclear del átomo 1018

29 Potencial eléctrico 1029

29-1 Potencial eléctrico 1029

29-2 Potencial e intensidad de campo 1034

29-3 Potencial debido a una carga punto 1037

29-4 Un grupo de cargas punto 1040

29-5 Potencial debido a un dipolo 1042

29-6 Energia potencial eléctrica 1046

29-7 Cálculo de E a partir de V 1048

29-8 Un conductor aislado 1055

29-9 El generador electrostático 1058

30 Condensadores y dieléctricos 1069

30-1 Capacitancia 1069

30-2 Cálculo de la capacitancia 1074

30-3 Condensador de placas paralelas con dieléctrico 1078 30-4 Dieléctricos Comportamiento de los átomos 1080

30-5 Los dieléctricos y la ley de Gauss 1084

30-6 Tres vectores eléctricos 1087

30-7 Almacenamiento de energía en un campo eléctrico 1092

31 Corriente y resistencia 1105

31-1 Corriente y densidad de corriente 1105

31-2 Resistencia, resistividad y conductividad 1110

31-3 Ley de Ohm 1115

31-4 Resistividad Comportamiento de los átomos 1118

31-5 Intercambios de energía en un circuito eléctrico 1122

32 Fuerza electromotriz y circuitos 1129

32-1 Fuerza electromotriz 1129

32-2 Cálculo de la corriente 1133

32-3 Otros circuitos simples 1135

32-4 Diferencias de potencial 1137

32-5 Redes eléctricas 1140

32-6 Medición de corrientes y de diferencias de potencial 1143

32-7 El potenciómetro 1145

32-8 Circuitos RC 1146

33 El campo magnético 1161

33-1 El campo magnético 1168

33-2 Definición de B 1163

33-3 Fuerza magnética sobre una corriente 1167

33-4 Momento sobre una espira con corriente 1172

33-5 El efecto Hall 1177

33-6 Cargas aisladas en movimiento 1180

33-7 El ciclotrón 1182

33-8 Experimento de Thomson 1186

34 Ley de Ampère 1199

34-1 Ley de Ampère 1199

34-2 B cerca de un alambre largo 1204

34-3 Líneas de inducción magnética 1207

344 Dos conductores paralelos 1209

34-5 B para un solenoide 1213

34-6 La ley de Biot-Savart 1217

35 Ley de Faraday 1231

35-1 Experimentos de Faraday 1231

35-2 La ley de la inducción de Faraday

35-3 Ley de Lenz 1234

1233

35-4 Inducción-Estudio cuantitativo 1237

35-5 Campos magnéticos variables con el tiempo 1244

35-6 El betatrón 1248

35-7 Inducción y movimiento relativo 1253

36 Inductancia 1269

36-1 Inductancia 1269

36-2 Cálculo de la inductancia 1271

36-3 Un circuito LR 1273

36-4 Energía y el campo magnético 1279

36-5 Densidad de energía y el campo magnético 1283

37 Propiedades magnéticas de la materia 1289

37-1 Polos y dipolos 1289

37-2 Ley de Gauss para el magnetismo 1293

37-3 Paramagnetismo 1295

37-4 Diamagnetismo 1299

37-5 Ferromagnetismo 1302

37-6 Magnetismo nuclear 1308

37-7 Tres vectores magnéticos 1312

38 Oscilaciones electromagnéticas

1323

38-1 Oscilaciones LC 1323

1327

38-2 Analogía con el movimiento armónico simple 38-3 Oscilaciones electromagnéticas Fórmulas 1328

38-4 Oscilaciones forzadas y resonancia 1333

1336

38-5 Elementos separados y elementos repartidos

38-6 Oscilador de cavidad electromagnética 1338

38-7 Campos magnéticos inducidos 1342

38-8 38-9 Ecuaciones de Maxwell 1347

38-10 Ecuaciones de Maxwell y oscilaciones de las cavidades 1348

39 Ondas electromagnéticas 1359

39-1 Líneas de transmisión 1359

39-2 Cable coaxial-Campos y corrientes 1362

39-3 Guía de onda 1367

39-4 Radiación 1369

39-5 Ondas viajeras y las ecuaciones de Maxwell

1372

39-6 El vector de Poynting 1378

40 Naturaleza y propagación de la luz 1387

40-1 La luz y el espectro electromagnético 1387 40-2 Energía y cantidad de movimiento 1389

40-3 La velocidad de la luz 1394

40-4 Fuentes y observadores en movimiento 1400

40-5 Efecto Doppler 1403

41 Reflexión y refracción-Ondas planas y superficies planas 1413

41-1 Reflexión y refracción 1413

41-2 Principio de rluygens 1419

41-3 El principio de Huygens y la ley de la reflexión 1421

41-4 El principio de Huygens y la ley de la refracción

1423

41-5 Reflexión total interna

1426

41-6 Principio de Fermat 1432

42. Reflexión y refracción-Ondas esféricas y superficies esféricas 1441

42-1 Optica geométrica y óptica ondulatoria

1449

42-2 Ondas esféricas Espejo plano 1444

42-3 Ondas esféricas Espejo esférico

1450

42-4 Superficie esférica refractora 1458

42-5 Lentes delgadas 1463

43 Interferencias 1481

43-1 Experimento de Young 1481

43-2 Coherencia 1488

43-3 Intensidad en el experimento de Young 1493

43-4 Suma de perturbaciones ondulatorias 1496

43-5 Interferencias en películas delgadas 1499

43-6 Cambios de fase por reflexión 1506

43-7 Interferómetro de Michelson 1508

43-8 El interferómetro de Michelson y la propagación de la luz 1511

44 Difracción 1519

44-1 Introducción 1519

44-2 Abertura única 1573

44-3 Abertura única-Análisis cualitativo 1527

44-4 Abertura única Cuantitativa 1530

44-5 Difracción en una abertura circular 1534

44-6 Doble abertura 1538

45 Redes y espectros 1549

45-1 Introducción 1549

45-2 Aberturas múltiples 1550

45-3 Redes de difracción 1555

45-4 Poder separador de una red 1560

45-5 Difracción de Rayos X 1563

45-6 Ley de Bragg 1570

46 Polarización 1579

46-1 Polarización 1579

46-2 Láminas polarizadoras 1583

46-3 Polarización por reflexión 1587

46-4 Doble refracción 1589

46-5 Polarización circular 1599

46-6 Cantidad de movimiento angular de la luz 1603

46-7 Dispersión de la luz 1604

46-8 Doble dispersión 1606

47 Luz y física cuántica 1611

47-1 Fuentes luminosas 1611

47-2 Radiadores de cavidad 1613

47-3 Fórmula de radiación de Planck 1616

47-4 Efecto fotoeléctrico 1619

47-5 Teoría de los fotones de Einstein 1623

47-6 Efecto Compton 1625

47-7 Espectros de lineas 1630

47-8 El átomo de hidrógeno 1633

47-9 El principio de correspondencia 1638

48. Ondas y partículas 1645

48-1 Ondas de materia 1645

48-2 Estructura atómica y ondas estacionarias 1649

48-3 Mecánica ondulatoria 1650

48-4 Significado de 1654

48-5 El principio de incertidumbre 1657

TEMA SUPLEMENTARIO 1165

V Forma diferencial de las ecuaciones de Maxwell y la ecuación de la onda electromagnética 1165

PROBLEMAS SUPLEMENTARIOS 1673

APENDICES 1701

A Definición de patrones y constantes físicas fundamentales y derivadas

B Datos terrestres diversos 1711

1701

C El sistema solar 1706

D Tabla periódica de los elementos

1708

E Las particulas de la física 1709

F Simbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas 1711

G Factores de conversión 1713

H Simbolos matemáticos y el alfabeto griego 1721

1 Fórmulas matemáticas 1722

J Valores de las funciones trigonométricas

1726

K Laureados de premio Nobel en fisica

1728

L El sistema gaussiano de unidades 1732

RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS DE NUMERO IMPAR 1735

RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS SUPLEMENTARIOS DE NUMERO IMPAR 1745

INDICE 1749

Durante las últimas décadas hemos presenciado una reducción cada vez mayor en el tiempo transcurrido entre los progresos en la ciencia fundamental y su aplicación a la práctica de la ingeniería. Las bases de la ingeniería, que en otra época fueran sobre todo empíricas, ahora son fundamentalmente científicas. En la actualidad, la necesidad es insistir en los principios más bien que en los procedimientos específicos, escoger temas de interés contemporáneo y no de interés pasado, y acostumbrar al estudiante a la atmósfera de cambios que deberá encontrar durante su carrera. Esa evolución requiere una revisión del curso tradicional de la física general para ingenieros y hombres de ciencia.

Las críticas que con más frecuencia se hacen en diversos grados a los libros de texto que se utilizan en tales cursos son las siguientes:

(a) el contenido es enciclopédico considerando que los temas no se tratan con suficiente profundidad, que su presentación es sobre todo descriptiva y no analítica y con explicaciones, y que se tratan demasiados temas; (b) el contenido no es suficientemente "moderno", y las aplicaciones se toman principalmente de la práctica de la ingeniería de otros tiempos y no de la física contemporánea; (c) el material de estudio se organiza en capítulos demasiado independientes que no permiten revelar la unidad esencial de la física y de sus principios; (d) la forma de abordar los temas es fundamentalmente deductiva y no se insiste suficientemente en la relación entre la teoría y el experimento. Por supuesto, es poco probable que llegue alguna vez a escribirse un libro de texto que no sea criticado por

una causa o por otra. Hemos escrito este libro con pleno conocimiento de esas críticas y hemos reflexionado mucho sobre la forma de hacerles frente. Hemos considerado la posibilidad de reorganizar el contenido. Es muy sugerente adoptar un punto de vista atómico desde el principio, o bien, elaborar una estructura en torno de la energía en sus diversos aspectos. Hemos llegado a la conclusión de que la mejor manera de alcanzar nuestras metas será modificando la selección y tratando los temas dentro del marco de la organización tradicional. Barajar al gusto las cartas de los temas por tratar o abandonar por completo un cierto orden que represente el crecimiento del pensamiento físico conduciría, por una parte, a no llegar a apreciar la síntesis newtoniana y maxwelliana de la física clásica y por otra parte, a una comprensión superficial de la física moderna. En nuestra opinión, para edificar la superestructura de la física contemporánea es indispensable una sólida cimentación de la física clásica.

Para ilustrar cómo esperamos alcanzar nuestras metas dentro de estos lineamientos, presentamos aquí las principales características de nuestro libro.

1. Muchos temas se tratan con mayor profundidad de lo que ha sido costumbre hasta la fecha, y en el cuerpo del texto se ha entrelazado un gran acopio de material contemporáneo. Por ejemplo, se tratan con gran profundidad: gravitación, teoría cinética, ondas electromagnéticas y óptica física, entre otros temas. Los tópicos con-temporáneos, tales como patrones atómicos, secciones eficaces de choque, fuerzas intermoleculares, transformación masa-energía, separación de isótopos, efecto Hall, modelo de conductividad de electrones libres, estabilidad nuclear, resonancia nuclear y difracción de neutrones, se estudian en los sitios en que es pertinente hacerlo.

Para obtener esta mayor profundidad y para poder incluir material contemporáneo, hemos omitido por completo, o tratado sólo en forma indirecta, mucho material tradicional, tal como máquinas simples, tensión superficial, viscosidad, calorimetría, cambios de estado, humedad, bombas, motores prácticos, escalas musicales, acústica arquitectónica, electroquímica, termoelectricidad, motores, circuitos de corriente alterna, electrónica, aberraciones de las lentes. color, fotometría y otros temas.

2. Hemos tratado de poner de manifiesto la unidad de la física de muchas formas. En toda la extensión del libro insistimos en la naturaleza general de las ideas clave comunes a todos los campos de la física. Por ejemplo, las leyes de la conservación de la energía, de la cantidad de movimiento lineal, de la cantidad de movimiento angular, y de las cargas, se usan repetidas veces. Los conceptos de onda y las propiedades de los sistemas en vibración, tales como la resonancia, se emplean en mecánica, sonido, electromagnetismo, óptica, física atómica, y física nuclear. El concepto de campo se aplica a la gravitación, al flujo de fluidos, al electromagnetismo y a la física nuclear.

Se ha insistido en la interrelación de las diversas disciplinas de la física echando mano de analogías físicas y matemáticas y de métodos de similitud. Por ejemplo, se ha hecho hincapié en las correspondencias entre el sistema masa-resorte y el circuito LC, o entre el tubo acústico y la cavidad electromagnética, también se ha hecho notar la interrelación entre los métodos microscópicos y macroscópicos de abordar los fenómenos caloríficos, eléctricos y magnéticos. Hemos tratado de lograr una transición paulatina entre la mecánica de las partículas y la teoría cinética, insistiendo en que, en sus aspectos clásicos, ambas se ajustan a la síntesis newtoniana. También hemos tratado de lograr una transición sin asperezas entre el electromagnetismo y la óptica ondulatoria, refiriéndonos frecuentemente a la síntesis maxwelliana.

Hemos estudiado las limitaciones de las ideas clásicas y el alcance de su validez, y hemos recalcado la naturaleza generalizadora de las ideas contemporáneas aplicables en un campo más amplio. En toda la obra hemos tratado de poner de manifiesto la relación de la teoría con el experimento y de desarrollar el conocimiento de la naturaleza y usos de la teoría.

3. Nuestro método de ataque de la física cuántica no es el método descriptivo tradicional. Por el contrario, tratamos de desarrollar los conceptos contemporáneos con suficiente rigor, con una extensión y profundidad adecuadas a un curso de iniciación. En los primeros capítulos preparamos el camino, señalando las limitaciones de la teoría clásica, insistiendo en los aspectos de la física clásica que guardan relación con la física contemporánea, y escogiendo ejemplos ilustrativos que tengan un sabor moderno. Así, insistimos en campos más bien que en circuitos, en partículas más bien que en cuerpos grandes, y en óptica ondulatoria más bien que en óptica geométrica. Entre los ejemplos ilustrativos mencionamos las curvas de energía potencial molecular, la energía de enlace de un deuterón, los choques nucleares, el modelo nuclear del átomo, el modelo del átomo de Thomson, los dipolos moleculares, la velocidad de arrastre de los electrones, la estabilidad de las órbitas del betatrón, la resonancia magnética nuclear el corrimiento al rojo, y otros en numero tan grande que no podemos mencionar.