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...@@ -297,6 +297,7 @@ _(saber redemostrar)_ ...@@ -297,6 +297,7 @@ _(saber redemostrar)_
**$` \mathbf{\displaystyle\;\,\oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dl}}`$ **$` \mathbf{\displaystyle\;\,\oint_{\,\Gamma\leftrightarrow S} \overrightarrow{B}\cdot\overrightarrow{dl}}`$
$`\;\mathbf{\displaystyle= \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} +\mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}}`$** $`\;\mathbf{\displaystyle= \mu_0\iint_S \overrightarrow{j}\cdot\overrightarrow{dS} +\mu_0 \epsilon_0\dfrac{d}{dt}\iint_S\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}}`$**
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...@@ -311,8 +312,12 @@ que **variables, $`\overrightarrow{E}`$ y $`\overrightarrow{B}`$ no pueden exist ...@@ -311,8 +312,12 @@ que **variables, $`\overrightarrow{E}`$ y $`\overrightarrow{B}`$ no pueden exist
* El término *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\ne 0`$ implica $`\overrightarrow{E}\ne \overrightarrow{0}`$* * El término *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}\ne 0`$ implica $`\overrightarrow{E}\ne \overrightarrow{0}`$*
* El término *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\ne 0`$ implica $`\overrightarrow{B}\ne \overrightarrow{0}`$* * El término *$`\dfrac{\partial\overrightarrow{E}}{\partial t}\ne 0`$ implica $`\overrightarrow{B}\ne \overrightarrow{0}`$*
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#### ¿Qué dicen las ecuaciones de Maxwell sobre la conservación de la carga? #### ¿Qué dicen las ecuaciones de Maxwell sobre la conservación de la carga?
##### Ley de conservación de la carga eléctrica ##### Ley de conservación de la carga eléctrica
...@@ -326,7 +331,6 @@ y **no pueden ni surgir de la nada, ni desaparecer**. ...@@ -326,7 +331,6 @@ y **no pueden ni surgir de la nada, ni desaparecer**.
! *En todo volumen del espacio y durante un intervalo de tiempo dado, la carga eléctrica* ! *En todo volumen del espacio y durante un intervalo de tiempo dado, la carga eléctrica*
! *que entra en este volumen menos la carga eléctrica* ! *que entra en este volumen menos la carga eléctrica*
! *que sale del mismo es igual a la variación de la carga dentro del volumen.* ! *que sale del mismo es igual a la variación de la carga dentro del volumen.*
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Esto se traduce en *escritura matemática* por la **expresión integral**: Esto se traduce en *escritura matemática* por la **expresión integral**:
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...@@ -347,33 +351,35 @@ $`\Longrightarrow`$ La ley de conservación también tiene una **expresión loca ...@@ -347,33 +351,35 @@ $`\Longrightarrow`$ La ley de conservación también tiene una **expresión loca
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**$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \rho}{\partial t}=0}`$** **$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \rho}{\partial t}=0}`$**
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![Conservación de la carga](charge-conservation-1-L1200.jpg) ![Conservación de la carga](charge-conservation-1-L1200.jpg)
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##### Estudio de las ecuaciones de Maxwell ##### Estudio de las ecuaciones de Maxwell
* **Partamos** de la combinación de operadores notable, válida para todo campo vectorial $`\overrightarrow{U}`$, * **Partamos** de la combinación de operadores notable, válida para todo campo vectorial $`\overrightarrow{U}`$,
que se enuncia: que se enuncia
*"La divergencia del rotacional de un campo vectorial siempre es nula."* *"La divergencia del rotacional de un campo vectorial siempre es nula."*
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$`\forall \overrightarrow{X}\big(\overrightarrow{r},t\big)\;,`$*$`\quad \mathbf{div\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{X}\big)=0}`$*. $`\forall \overrightarrow{X}\big(\overrightarrow{r},t\big)\;,`$*$`\quad \mathbf{div\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{X}\big)=0}`$*.
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Apliquémosla al campo de inducción magnética $`\overrightarrow{B}`$: Apliquémosla al campo de inducción magnética $`\overrightarrow{B}`$ :
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**$`\mathbf{div\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}\big)=0}`$**. **$`\mathbf{div\big(\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}\big)=0}`$**.
* La *ley de Maxwell-Ampère* * La *ley de Maxwell-Ampère*
$`\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}=\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}`$ $`\overrightarrow{rot}\,\overrightarrow{B}=\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}`$
permite escribir: permite escribir:
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**$`\mathbf{div\Big(\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0}`$** **$`\mathbf{div\Big(\mu_0\,\overrightarrow{j} + \mu_0\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0}`$**
* Al dividir los términos de la derecha y la izquierda por $`\mu_0`$, la ecuación se simplifica: * Al dividir los términos de la derecha y la izquierda por $`\mu_0`$, la ecuación se simplifica :
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$`div\Big(\overrightarrow{j} + \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$ $`div\Big(\overrightarrow{j} + \epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$
* La ecuación ya contiene $`\overrightarrow{j}`$, busco hacer aparecer $`\rho`$. * La ecuación ya contiene $`\overrightarrow{j}`$, busco hacer aparecer $`\dens`$.
Para ello, busco hacer aparecer $`div\,\overrightarrow{j}`$ para luego utilizar la ley de Maxwell-Gauss. Para ello, busco hacer aparecer $`div\,\overrightarrow{j}`$ para luego utilizar la ley de Maxwell-Gauss.
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$`div\,\overrightarrow{j} + div\Big(\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$ $`div\,\overrightarrow{j} + div\Big(\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\Big)=0`$
...@@ -381,45 +387,45 @@ $`div\,\overrightarrow{j} + div\Big(\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow ...@@ -381,45 +387,45 @@ $`div\,\overrightarrow{j} + div\Big(\epsilon_0 \;\dfrac{\partial \overrightarrow
* En el marco de la *física clásica, espacio y tiempo son independientes*, * En el marco de la *física clásica, espacio y tiempo son independientes*,
el orden de derivación por una variable espacial y una variable temporal no importa: el orden de derivación por una variable espacial y una variable temporal no importa:
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*$`\dfrac{\partial}{\partial t}\left(\dfrac{\partial}{\partial x}\right) =\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{\partial}{\partial t}\right)`$* *$`\dfrac{\partial}{\partial t}\left(\dfrac{\partial}{\partial x}\right) =\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{\partial}{\partial t}\right)`$*
- El operador divergencia solo está constituido por derivadas parciales de variables espaciales. - El operador divergencia solo está constituido por derivadas parciales de variables espaciales.
- $`\dfrac{\partial}{\partial t}`$ es una derivada parcial de la variable tiempo. - $`\dfrac{\partial}{\partial t}`$ es una derivada parcial de la variable tiempo.
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;*$`\Longrightarrow\quad div\left(\dfrac{\partial}{\partial t}\right)= \dfrac{\partial}{\partial t}\left(div\right)`$*. &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;*$`\Longrightarrow\quad div\left(\dfrac{\partial}{\partial t}\right)= \dfrac{\partial}{\partial t}\left(div\right)`$*.
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Obtenemos: Obtenemos:
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**$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} + \epsilon_0 \;\dfrac{\partial}{\partial t}\left(div\,\overrightarrow{E}\right)=0}`$** **$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} + \epsilon_0 \;\dfrac{\partial}{\partial t}\left(div\,\overrightarrow{E}\right)=0}`$**
* Usando la *ley de Maxwell-Gauss $`div\,\overrightarrow{E}=\dfrac{\rho}{\epsilon_0}`$* * Usando la *ley de Maxwell-Gauss $`div\,\overrightarrow{E}=\dfrac{\dens}{\epsilon_0}`$*
obtenemos la **ecuación de conservación local de la carga** eléctrica en régimen variable (por lo tanto siempre verificada): obtenemos la **ecuación de conservación local de la carga** eléctrica en régimen variable (por lo tanto siempre verificada):
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**$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \rho}{\partial t}=0}`$** **$`\mathbf{div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \dens}{\partial t}=0}`$**
! *Las ecuaciones de Maxwell contienen e implican la conservación de la carga eléctrica.* ! *Las ecuaciones de Maxwell contienen e implican la conservación de la carga eléctrica.*
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* Podemos *integrar esta igualdad local* sobre un volumen $`\tau`$ cualquiera: * Podemos *integrar esta igualdad local* sobre un volumen $`\tau`$ cualquiera:
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$`\displaystyle\iiint_{\tau} \Big(div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \rho}{\partial t}\Big)\,d\tau=0`$ $`\displaystyle\iiint_{\tau} \Big(div\,\overrightarrow{j} +\dfrac{\partial \dens}{\partial t}\Big)\,d\tau=0`$
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*$`\displaystyle\iiint_{\tau} div\,\overrightarrow{j}\,d\tau+\iiint_{\tau}\dfrac{\partial \rho}{\partial t}\,d\tau=0`$* *$`\displaystyle\iiint_{\tau} div\,\overrightarrow{j}\,d\tau+\iiint_{\tau}\dfrac{\partial \dens}{\partial t}\,d\tau=0`$*
* El *teorema de Ostrogradski* (= teorema *de la divergencia*) precisa que para todo campo * El *teorema de Ostrogradski* (= teorema *de la divergencia*) precisa que para todo campo
vectorial $`\overrightarrow{U}`$ y para todo volumen $`\tau`$, vectorial $`\overrightarrow{U}`$ y para todo volumen $`\tau`$,
*$`\displaystyle\iiint_{\tau} div\,\overrightarrow{U}\,d\tau=\oiint_S \overrightarrow{U}\cdot dS`$*, *$`\displaystyle\iiint_{\tau} div\,\overrightarrow{U}\,d\tau=\oiint_S \overrightarrow{U}\cdot dS`$*,
$`S`$ siendo la superficie cerrada que delimita el volumen $`\tau`$. $`S`$ siendo la superficie cerrada que delimita el volumen $`\tau`$.
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*Aplicado al primer término* de la igualdad, obtenemos: *Aplicado al primer término* de la igualdad, obtenemos:
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**$`\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{j}\cdot \overrightarrow{dS} + \iiint_{\tau}\dfrac{\partial \rho}{\partial t}\,d\tau=0`$**. **$`\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{j}\cdot \overrightarrow{dS} + \iiint_{\tau}\dfrac{\partial \dens}{\partial t}\,d\tau=0`$**.
* Al observar de nuevo que *espacio y tiempo son independientes en física clásica*, el orden de derivación o integración por una variable espacial y una variable temporal no importa: * Al observar de nuevo que *espacio y tiempo son independientes en física clásica*, el orden de derivación o integración por una variable espacial y una variable temporal no importa:
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**$`\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{j}\cdot \overrightarrow{dS} +\dfrac{\partial}{\partial t} \left(\iiint_{\tau}\rho \,d\tau\right)=0`$**. **$`\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{j}\cdot \overrightarrow{dS} +\dfrac{\partial}{\partial t} \left(\iiint_{\tau}\dens \,d\tau\right)=0`$**.
* Al constatar que *$`\displaystyle\iiint_{\tau}\rho \,d\tau`$ es la carga total $`Q_{int}`$* * Al constatar que *$`\displaystyle\iiint_{\tau}\dens \,d\tau`$ es la carga total $`Q_{int}`$*
contenida en el volumen $`\tau`$, obtenemos la **expresión integral de la ley de conservación** de la carga: contenida en el volumen $`\tau`$, obtenemos la **expresión integral de la ley de conservación** de la carga:
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**$`\mathbf{\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{j}\cdot \overrightarrow{dS} +\dfrac{dQ_{int}}{dt}=0}`$**. **$`\mathbf{\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{j}\cdot \overrightarrow{dS} +\dfrac{dQ_{int}}{dt}=0}`$**.
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