2.- Diseña una actividad experimental en la que elabores un electroimán utilizando materiales reciclados y de fácil adquisición.
http://www.youtube.com/watch?v=CIXof1QoCTo
3.- Mediante una consulta en internet, define qué es la Jaula de Faraday y realiza una actividad experimental que te permita reproducir sus efectos en el salón de clases.
http://es.wikipedia.org/wiki/Jaula_de_Faraday
Experimento
4.- Explica el funcionamiento de la pastillas de la guitarra:
http://www.guitarristas.info/tutoriales/funcionamiento-pastillas-pasivas/143
6.- A partir de una consulta en internet , describe la función que tiene un alternador y un acumulador en un automovil.
Alternador
Acumulador
8.- Diseña una actividad experimental en la que elabores un motor eléctrico utilizando materiales reciclados y de fácil adquisición.
http://www.youtube.com/watch?v=Hwv4I0-Xx1M
.
jueves, 21 de junio de 2012
Electromagnetismo
El electromagnetismo junto con la interacción gravitatoria y las interacciones nucleares es una de las cuatro interacciones fundamentales del universo. El electromagnetismo unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, fundamentada en las ecuaciones de Maxwell. A partir de las observaciones realizadas por Hans Christian Oersted quien al acercar una aguja imantada a un hilo de platino por el cual circulaba corriente observó que aquélla oscilaba hasta situarse perpendicular al hilo. Al invertir el sentido de la corriente, la aguja también invirtió su orientación. Este experimento constituyó la primera vinculación entre el movimiento de las cargas eléctricas con la creación de un campo magnético.
Ley de Faraday
Tanto el cientifico inglés Michael Faraday como el norteameicano Joseph Henry comparten el mérito de haber descubierto la inducción electromagnética. A per de que Henry fue el primero en observarla, Faraday fue el primero en publicar sus hallazgos. Como menciona Hecht, Henry había efectuado en experimento muy similar al de Farady un año antes; sin embargo, no publicó su trabajo.
El flujo magnético pasa a través de una bobina que tiene N número de vueltas, por lo tanto la fem inducida en dicha bobina durante un intervalo de tiempo es N veces el cambio de flujo a través de cada vuelta dividido entre ese tiempo. Este fenómeno se describe mediante la Ley de Faraday de la inducción magnética y se determina con la siguiente formula:
En la ecuación anterior existe un signo negativo el cual relaciona la polaridad de la fem con el cambio de flujo. Esta polaridad indica la dirección en la que impulsa a la corriente en el circuito, por lo anterior, es necesario un método para determinar dicha polaridad, el cual se basa en el descubrimiento hecho por el físico ruso Heinrich Friedrich Emil Lendz, que expresa en la Ley de Lenz: La dirección de la fem inducida y por consiguiente el flujo de corriente, es tal que el campo magnético formado se opone al movimiento que lo produce.
Cutnell propone un procedimiento para simplificar la comprensión de esta ley:
Transformadores
Los fenómenos de la autoindución y la inducción mutua constituyen el fundamento del transformador eléctrico; un dispositivo que sirve para aumentar o disminuir la tensión eléctrica. Un transformador consta, en esencia, de dos bobinas arrolladas a un mismo núcleo de hierro. La bobina o arrollamiento donde se aplica la fem recibe el nombre de primario y la bobina en donde aparece ya transformada se denomina secundario.
Ley de Faraday
Tanto el cientifico inglés Michael Faraday como el norteameicano Joseph Henry comparten el mérito de haber descubierto la inducción electromagnética. A per de que Henry fue el primero en observarla, Faraday fue el primero en publicar sus hallazgos. Como menciona Hecht, Henry había efectuado en experimento muy similar al de Farady un año antes; sin embargo, no publicó su trabajo.
El flujo magnético pasa a través de una bobina que tiene N número de vueltas, por lo tanto la fem inducida en dicha bobina durante un intervalo de tiempo es N veces el cambio de flujo a través de cada vuelta dividido entre ese tiempo. Este fenómeno se describe mediante la Ley de Faraday de la inducción magnética y se determina con la siguiente formula:
En la ecuación anterior existe un signo negativo el cual relaciona la polaridad de la fem con el cambio de flujo. Esta polaridad indica la dirección en la que impulsa a la corriente en el circuito, por lo anterior, es necesario un método para determinar dicha polaridad, el cual se basa en el descubrimiento hecho por el físico ruso Heinrich Friedrich Emil Lendz, que expresa en la Ley de Lenz: La dirección de la fem inducida y por consiguiente el flujo de corriente, es tal que el campo magnético formado se opone al movimiento que lo produce.
Cutnell propone un procedimiento para simplificar la comprensión de esta ley:
- Determinar si el flujo magnético que pentra una bobina aunmenta o disminuye.
- Encontrar cuál debe ser la dirección del campo inducido de manera que se oponga al cambio de flujo.
- Una vez encontrada la dirección del campo inducido se aplica la Regla de la Mano Derecha para determinar la dirección de la corriente inducida, y con ello asignar la polaridad de la fem inducida ya que la corriente se dirige hacia afuera de la terminal positiva.
Transformadores
Los fenómenos de la autoindución y la inducción mutua constituyen el fundamento del transformador eléctrico; un dispositivo que sirve para aumentar o disminuir la tensión eléctrica. Un transformador consta, en esencia, de dos bobinas arrolladas a un mismo núcleo de hierro. La bobina o arrollamiento donde se aplica la fem recibe el nombre de primario y la bobina en donde aparece ya transformada se denomina secundario.
Magnetismo
El magnetismo como diciplina se desarrollo con los experimentos de Ampére, Oersted, Faraday y Maxwell, quienes investigaron sobre las características de los fenómenos magnéticos. Las relaciones entre los campos magnéticos y la corriente eléctrica se unen en lo que actualmente conocemos como electromagnetismo.
El magnetismo representa un tópico de suma importancia en el estudio de la electricidad. Ambos fenómenos no pueden separarse ya que siempre que aparece una corriente eléctrica, existe magnetismo debido a que las cargas en movimiento, es decir, la corriente eléctrica, se compotan como imanes produciendo campos magnéticos.
Cuando se habla de magnetismo, inevitablemente se tiene que mencionar a los imanes, los cuales son aquellos materiales que generan un campo magnético cuyo comportamiento pone de manifiesto que en ellos existe un par de zonas extremas o polos, donde la acción magnética es, más intensa; estos polos magnéticos no son iguales; para comprobarlo basta colocar dos imanes idénticos uno contra el otro, observando la existencia de atracción o repulsión mutua al aproximar sus polos. A estos polos se les denomina polo norte y polo sur. Esta similitud con los polos geográficos se basa en el hecho de que la tierra se comporta de manera similar a un gran imán.
Los imanes se comportan como las cargas eléctricas en el sentido de que sus polos se atraen o repelen, es decir, los polos del mismo tipo se repelen y los polos de distinto tipo se atren. Esta característica pone de manifiesto la similitud existente entre el magnetismo y la corriente eléctrica.
Otra característica de los imanes consiste en la imposiblidad de aislar sus polos magnéticos; es decir, si cortaras un imán recto en dos mitades, tendrías dos imanes con us respectivos polos norte y sur. Lo mismo sucederá si repites el procedimiento con cadauno de ellos. Por lo tanto, podemos concluir que no es posible obtener un imán con un solo polo magnético, al igual que no se puede tener un cuerpo cargado co electricidad de un solo signo.
Campo magnético
Como se mencionó anteriormente, alrededor de una carga eléctrica existe un campo eléctrico y de manera similar, alrededor de un imán existe un campo magnético, el cual es el espacio que rodea a un imán y donde se manifiestan las fuerzas de atracción o repulsión que éste ejerce, siendo el medio a través del cual se propagan los efectos magnéticos. Las fuerzas magnéticas son fuerzas de acción a distancia que permiten recurrir a la idea física de campo para descubrir la influencia de un imán. Al igual que en el caso del campo eléctrico, se recurre a la noción de líneas de fuerza para representar esta estructura.
Las líneas del campo magnético, al igual que las líneas del campo eléctrico, nunca se intersectan. cuando una carga en movimiento se encuentra en un campo magnético , de manera tal que su vector de velocidad tenga un componente perpendicular al campo, dicha partícula experimentará una fuerza. Esta fuerza es perpendicular a las direcciones del campo magnético y de la velocidad. Si fuese posible que las líneas del campo magnético se intersectaran, entonces habría una fuerza asociada a cada una de las dos líneas de campo y la particula se movería en dos direcciones. Puesto que la fuerza en una partícula siempre tiene una sola dirección, podemos concluir que las líneas de campo magnético no se pueden cruzar.
La intensidad del campo magnético, también conocida como inducción magnética, se representa por la letra B y es una cantidad vectorial con dirección y sentido expresados mediante las líneas de fuerza magnética. Una brújula, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indica la dirección y el sentido de la intensidad campo B. Para definirlo matemáticamente, es necesario analizar lo que le sucede a una carga eléctrica en movimiento en presencia de un campo magnético. Al considerar que dicha carga estuviese en reposo, no se apresiaría ninguna fuerza; sin embargo, si esta carga se mueve dentro de un campo magnético generado por un imán se observaque su trayectoria es curva, lo que indica que una fuerza magnética se está ejerciendo sobre ella. por lo tanto, la magnitud de campo magnético B en cualquier punto del espacio se expresa mediante la siguiente ecuación:
El magnetismo representa un tópico de suma importancia en el estudio de la electricidad. Ambos fenómenos no pueden separarse ya que siempre que aparece una corriente eléctrica, existe magnetismo debido a que las cargas en movimiento, es decir, la corriente eléctrica, se compotan como imanes produciendo campos magnéticos.
Cuando se habla de magnetismo, inevitablemente se tiene que mencionar a los imanes, los cuales son aquellos materiales que generan un campo magnético cuyo comportamiento pone de manifiesto que en ellos existe un par de zonas extremas o polos, donde la acción magnética es, más intensa; estos polos magnéticos no son iguales; para comprobarlo basta colocar dos imanes idénticos uno contra el otro, observando la existencia de atracción o repulsión mutua al aproximar sus polos. A estos polos se les denomina polo norte y polo sur. Esta similitud con los polos geográficos se basa en el hecho de que la tierra se comporta de manera similar a un gran imán.
Los imanes se comportan como las cargas eléctricas en el sentido de que sus polos se atraen o repelen, es decir, los polos del mismo tipo se repelen y los polos de distinto tipo se atren. Esta característica pone de manifiesto la similitud existente entre el magnetismo y la corriente eléctrica.
Otra característica de los imanes consiste en la imposiblidad de aislar sus polos magnéticos; es decir, si cortaras un imán recto en dos mitades, tendrías dos imanes con us respectivos polos norte y sur. Lo mismo sucederá si repites el procedimiento con cadauno de ellos. Por lo tanto, podemos concluir que no es posible obtener un imán con un solo polo magnético, al igual que no se puede tener un cuerpo cargado co electricidad de un solo signo.
Campo magnético
Como se mencionó anteriormente, alrededor de una carga eléctrica existe un campo eléctrico y de manera similar, alrededor de un imán existe un campo magnético, el cual es el espacio que rodea a un imán y donde se manifiestan las fuerzas de atracción o repulsión que éste ejerce, siendo el medio a través del cual se propagan los efectos magnéticos. Las fuerzas magnéticas son fuerzas de acción a distancia que permiten recurrir a la idea física de campo para descubrir la influencia de un imán. Al igual que en el caso del campo eléctrico, se recurre a la noción de líneas de fuerza para representar esta estructura.
Las líneas del campo magnético, al igual que las líneas del campo eléctrico, nunca se intersectan. cuando una carga en movimiento se encuentra en un campo magnético , de manera tal que su vector de velocidad tenga un componente perpendicular al campo, dicha partícula experimentará una fuerza. Esta fuerza es perpendicular a las direcciones del campo magnético y de la velocidad. Si fuese posible que las líneas del campo magnético se intersectaran, entonces habría una fuerza asociada a cada una de las dos líneas de campo y la particula se movería en dos direcciones. Puesto que la fuerza en una partícula siempre tiene una sola dirección, podemos concluir que las líneas de campo magnético no se pueden cruzar.
La intensidad del campo magnético, también conocida como inducción magnética, se representa por la letra B y es una cantidad vectorial con dirección y sentido expresados mediante las líneas de fuerza magnética. Una brújula, al alinearse a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético, indica la dirección y el sentido de la intensidad campo B. Para definirlo matemáticamente, es necesario analizar lo que le sucede a una carga eléctrica en movimiento en presencia de un campo magnético. Al considerar que dicha carga estuviese en reposo, no se apresiaría ninguna fuerza; sin embargo, si esta carga se mueve dentro de un campo magnético generado por un imán se observaque su trayectoria es curva, lo que indica que una fuerza magnética se está ejerciendo sobre ella. por lo tanto, la magnitud de campo magnético B en cualquier punto del espacio se expresa mediante la siguiente ecuación:
B= F
q0 (V sen ángulo)
En la ecuación anterior, F representa la magnitud de la fuerza magnética que se ejerce sobre una carga q0 a la 2 cuya velocidad V forma un ángulo ángulo (0 <- ángulo <- 180°) con el campo. La dirección de B es aquélla en la que debe desplazarse la carga para que la fuerza magnética sea nula, es decir, la de las líneas de fuerza. La unidad del campo magnético en el SI es el tesla (T), en honor a Nicola Tesla, la cual representa la intensidad que ha de tener un campo magnético para que una carga de 1 C, moviéndose en su interior a una velocidad de 1 m/s perpendicuarmente a la dirección del campo, experimente una fuerza magnética de 1 newton, es decir: 1 T = ! N/1 C x 1 m/s. A pesar de no ser una unidad del SI, en ocasiones se emplea el gaussn(G) para expresar al campo magnético, donde 1 gauss = 10 a la 4 T.
A partir de la primer ecuación se deduce que la fuerza magnética es mayor al aunmentar la magnitud de la carga y su sentido depende del signo de la misma; de igual forma, se aprecia que su valor aumentará si la velocidad de la carga aumenta.
Dado que la fuerza magnética, el campo magnético y la velocidad pueden ser sonsiderados como vectores, es necesario reunir en una regla lo concerniente a la relación entre sus direcciones y sentidos; como ya se mencionó, en una carga eléctrica positiva en movimiento dentro de un campo magnético, el vector F es perpendicular al plano formado por los vectores de v y B, donde su magnitud depende no sólo del valor de dicha carga y de su velocidad, sino también del ángulo que forman estos vectores, siendo máxima cuando los vectores son perpendiculares entre sí. Mediante lo que Cutnell llama la "Regla de la Mano Derecha No.1 podemos visualizar la dirección de estos tres componentes, donde el dedo medio apuntará hacia la dirección del campo magnético, mientras que el dedo índice identificará la dirección del campo, y el pulgar señalará la dirección de la fuerza.
Ejemplo:
En cierto punto, la componente horizontal del campo magnético terrestre es de 2.5 x 10 a la -5 T, hacia el norte. Imagina que un protón (m = 1.67 x 10 a la -27 kg y q= 1.6 x 10 a la -19 C) se mueve a una cierta velocidad hacia el este, de manera tal que el campo magnético terrestre balancea su peso. Determina la velocidad del protón.
Solución:
Considerando que el campo magnético terrestre apunta hacia el norte y el protón se mueve hacia el este, podemos decir que ángulo= 90 a la 0. Por otra parte, la segunda Ley de Newton expresa que F= ma, donde la aceleración, para fines de este problema, tomará el valor de la aceleración de la gravedad (9.81 m/s al 2). Despejando v de la ecuación tenemos:
v= mg = (1.67 x 10 a la -27 kg) (9.81 m/s a la 2) = 4.1 x 10 a la -3 m/s
B q0 senángulo (1.6 x 10 a la -19 C) (2.5 x 10 a la .5 T) sen 90°
Bloque 4
Relacionas la electricidad con el magnetismo
Actividad introductoria
Seguramente alguna vez tuviste un par de imanes en tus manos y notaste que al acercarlos de cierta forma se unían; sin embargo, si invertías la posición de alguno de ellos, resultaba imposibe unirlos, es más, tenías la impresión de que hay una fuerza que se opone a su unión. ¿Cómo llamarías a dicha fuerza? ¿Consideras que existe alguna similitud en el comportamieto de los imanes con el de las cargas eléctricas?
¿Alguna vez te haz visto en la necesidad de utilizar el mapa de una ciudad? ¿O quizá por curiosidad haz utilizado el Google Earth? Si es así, habrás notado que todos los mapas tienen una imagén que indica la ubicación del norte y el sur. Cuando se utiliza una brújula, ésta siempre indica la ubicación hacia donde se encuentra el norte. ¿Por qué crees que sucede esto? ¿Por qué existen dos polos en la tierra? ¿Tiene algo que ver con las teorías del magnetismo?
Muchos de los aparatos electrodomésticos que hay en tu hogar funcionan con un motor eléctrico. La secadora del cabello, la lavadora, la licuadora, los reproductores de CD y DVD, etc., Todos ellos tienen un motor. ¿ Sabes como funciona un motor eléctrico? ¿Crees que en colaboración con tus compañeros de grupo podrían construir uno?
Quizá alguna vez notaste que en ciertas partes de tu ciudad existen transformadores de luz que se encuentran empotrados en algún poste, también es común verlos en las tiendas de autoservicio y muchas escuelas tienen uno. ¿Sabes para qué sirven? ¿Te haz preguntado cómo es posible que se generen la cantidad de energía eléctrica necesaria para que haya luz en tu escuela, tu casa, tu colonia, tu ciudad, tu estado, etc.?
Actividad formativa
1-. Elabora una línea del tiempo donde incluyas las principales aportaciones al estudio de la electricidad de los siguientes científicos: Franklin, Coulomb; Galvani; Volta; Ampere, Ohm; Faraday, Maxwell, Edison, Tesla, etc.
http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070809175233AAV7vNx
2.- Toma un globo de plástico en ínflalo , frótalo contra tu cabello y acércalo lentamente a un chorro de agua. Observarás que el agua se mueve hacia el globo. Considerando el comportamiento de un cuerpo energizado, explica qué es lo que sucede.
3.- Realiza una consulta bibliográfica o en internet sobre las características, propiedades y usos de los semiconductores y superconductores.
http://www.monografias.com/trabajos11/semi/semi.shtml
4.- A partir de tus conocimientos sobre el electroestática, explica el funcionamiento de una impresora láser.
http://www.taringa.net/posts/info/1049609/Funcionamiento-de-impresoras-laser.html
6.- Realiza una consulta bibliográfica o en internet sobre el generador de Van de Graaff para conocer sus caracteristicas y funcionamiento.
http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff
7.- Seguramente alguna vez has observado que los pájaros en ocaciones se posan sobre los cables de alta tensión. A partir de tus conocimientos sobre el potencial eléctrico, y explica por qué no se electrocutan-
http://eltamiz.com/2007/05/25/falacias-los-pajaros-no-se-electrocutan-porque-los-cables-estan-aislados/
8.- Realiza un experimento en el que elabores circuitos eléctricos en serie y paralelo empleando pilas, focos y cables.
http://www.youtube.com/watch?v=6fWiwiXZJBA
11.- A partir de una consulta bibliográfica o en el internet, define brevemente lo que es un circuito abierto y un cortocircuito.
Circuito abierto
Cortocircuito
http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070809175233AAV7vNx
2.- Toma un globo de plástico en ínflalo , frótalo contra tu cabello y acércalo lentamente a un chorro de agua. Observarás que el agua se mueve hacia el globo. Considerando el comportamiento de un cuerpo energizado, explica qué es lo que sucede.
3.- Realiza una consulta bibliográfica o en internet sobre las características, propiedades y usos de los semiconductores y superconductores.
http://www.monografias.com/trabajos11/semi/semi.shtml
4.- A partir de tus conocimientos sobre el electroestática, explica el funcionamiento de una impresora láser.
http://www.taringa.net/posts/info/1049609/Funcionamiento-de-impresoras-laser.html
6.- Realiza una consulta bibliográfica o en internet sobre el generador de Van de Graaff para conocer sus caracteristicas y funcionamiento.
http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff
7.- Seguramente alguna vez has observado que los pájaros en ocaciones se posan sobre los cables de alta tensión. A partir de tus conocimientos sobre el potencial eléctrico, y explica por qué no se electrocutan-
http://eltamiz.com/2007/05/25/falacias-los-pajaros-no-se-electrocutan-porque-los-cables-estan-aislados/
8.- Realiza un experimento en el que elabores circuitos eléctricos en serie y paralelo empleando pilas, focos y cables.
http://www.youtube.com/watch?v=6fWiwiXZJBA
11.- A partir de una consulta bibliográfica o en el internet, define brevemente lo que es un circuito abierto y un cortocircuito.
Circuito abierto
Cortocircuito
martes, 19 de junio de 2012
Campo eléctrico
Comúnmente se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. En el caso de la carga eléctrica es posible describir su influencia sobre otras definiendo el campo eléctrico como la fuerza eléctrica por unidad de carga (positiva). El campo eléctrico (E) que existe en un punto es la fuerza electrostática experimentada por una carga eléctrica colocada en ese punto y dividida entre la misma.
El campo puede representarse por las llamadas líneas de campo eléctrico, o líneas de fuerza, las cuales propuestas originlamente por el físico inglés Michael Faraday. Estas líneas proporcionan información sobre la dirección e intensidad del campo eléctrico.
Una pequeña pelota tiene una masa de 0.012 kg y una carga eléctrica de -18 uC.
Determina la magnitud del campo eléctrico necesario para hacer que la pelota flote.Solución:
Considerando que la fuerza que se le aplica a la pelota la podemos determinar a partir de la segunda Ley de Newton (F= ma), donde la aceleración es el valor de la gravedad, tenemos que:
E= mg = (0.012 kg) (9.81 m/s al 2) = 6.5 x 10 a la -3 N/C
q0
En esta imagen se muestra una carga puntual negativa. Las líneas están dirigidas hacia dentro, lo que significa que la fuerza es de atracción, y que el campo eléctrico apunta hacia adentro.
NOTA: Según menciona Cutnell. "Las líneas de campo eléctrico siempre están dirigidas hacia afuera de las cargas positivas y hacia adentro de las negativas".
Las líneas de campo eléctrico no siempre son rectas. Hay casos en los que existen dos cargas eléctricamente diferentes, y otros son eléctricamente iguales.
En este caso existen dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos opuestos, y las líneas de fuerza son curvas. se observa que las líneas de campo eléctrico empiezn en una carga positiva y terminan en una carga negativa. A este arreglo se le conoce como:
"Dipolo Eléctrico"
Este caso es contrario al anterior, muestra que para dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos (positiva), las líneas de campo eléctrico también son curvas; sin embargo, el campo eléctrico en la región más cercana a ambas cargas es relativamente débil.
Potencial eléctrico
Al trasladar una carga entre dos puntos A y B de un campo eléctrico, en sentido contrario a las líneas de fuerza y a velocidad constante, ésta realizará un trabajo para contrarrestar la fuerza que recibe. Este trabajo depende de la magnitud de la carga y es igual a la diferencia de energía potencial que existe entre ambos puntos, es decir, WAB = EPA - EP8'.
Esta energía se define como potencial eléctrico es el Coulomb/joule o Volt, en honor del físico italiano Alejandro Volta. El potencial eléctrico es una energía por unidad de carga eléctrica y no es lo mismo que la energía potencial eléctrica ya que ésta, al ser un tipo de energía, se mide en Joules (J)
Ejemplo:
El potencial eléctrico en el punto A respecto al punto B es VA - V8 = 95 V1 mientras que el potencial del punto C con respecto al punto B es VC - V8 = 23 V0 Calcula el trabajo necesario para mover una carga de 45 uC de C a A.
Solución:
Calculando el trabajo que existe entre A y B:
WAB (VA - V8)q0 = 95 V (45 x 10 a la -6 C) = 4.275 mJ.
Calculando el trabajo que existe entre C y B:
WCB = (VC - V8)q0 = 23 V (45 x 10 a la -6 C) = 1.035 mJ.
Considerando que la carga se moverá desde el punto C hasta A, tenemos:
WCA = WAB -WCB = 4.275 x 10 a la -3 J - 1.035 x 10 a la -3 J = 3.24 mJ.
Corriente eléctrica
Sabemos que todo campo eléctrico ejerce una fuerza sobre los electrones libres de un conductor, provocando que éstos se muevan. A este flujo de la carga eléctrica se le denomina corriente eléctrica, y se define como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección transversal de un conductor por unidad de tiempo:
I = q
t
En el sistema internacional, la corriente eléctrica se mide en Coulomb/segundo, unidad que se denomina Ampere (A), en honor del físico francés André-Marie Ampere. Cuando la corriente eléctrica pasa a través del conductor se producen algunos efectos, por ejmplo: la temperatura del conductor aumenta y se genera un campo magnético alrededor de él.
A manera de anlogía, podemos decir que la corriente eléctrica se comporta como un fluido, en el sentido de que, si consideramos el conductor una tubería, la corriente que fluiría a través de ésta sería el agua.
Ejemplo:
Un desfibrilador es un aparato que se utiliza durante un paro cardiaco para inducir una corriente eléctrica al corazón y normalizar su pulso. Este aparato aplica una corriente de 18 A durante 2 milisegundos al torso de una persona.
Determina la cantidad de carga eléctrica que fluye en este periodo.
Solucion:
Aplicando la siguiente ecuacion determinaremos la cantidad de carga: VA = kqA y V8 = kq8
rA r8
entonces tenemos:
q = It = (18 A) (2 x 10 a la -3 s) = 3.6 x 10 a la -2 C
Resistencia eléctrica y Ley de Ohm
Como en una tubería de agua, el área de sección transversal y la longitud determinan la resistencia que ofrece al flujo del líquido, en el caso de la corriente eléctrica sucede algo similar, la resistencia de un material dpende de su resistividad, su longitud y su área de sección transversal:
R= p L
A
Así, la resistividad es una propiedad de los materiales, la cual dtermina la facilidad que representan para permitir el flujo de la corriente eléctrica. La resistencia de un material se mide en Ohms en honor al físico alemán Georg Simón Ohm.
Los valores de resistividad en los conductores, como los metales, son muy pequeños; sin embargo, en los materiales como el hule, la porcelana o el teflón, son grandes. La resistencia, por lo tanto, no sólo depende de la resistividad del material, sino de su forma.
 |
| Ley de Ohm |
Continuando con la analogía hidráulica, para que fluya líquido por una tubería que une dos depósitos de agua, es necesario que exista una diferencia de niveles entre el agua de los depósitos . De la misma forma, para que pase de una corriente eléctrica por el alambre es necesario que exista una diferencia de potencial (voltaje). Por lo tanto, la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor, tal como lo enuncia la Ley de Ohm:
I= V
R
Estas ecuación muestra que si la resistencia del conductor se pued considerar constante, el valor de la corriente aumentará cada vez que el voltaje aumente y viceversa.
Circuitos eléctricos resistivos en serie, paralelo y mixto
Los circuitos eléctricos son representaciones gráficas de elementos conectados entre sí para formar una trayectoria por la cual circula una corriente eléctrica, en la que la fuente de energía y el dispositivo consumidor de nergía están conectados por medio de cables conductores, a través de los cuales circula la carga.
En los circuitos se utilizan muchos tipos de fuentes de nergía eléctrica, de las cuales la más común es la batería o pila. En una batería ocurre una reacción química que proporciona la energía necesaria para separar las cargas eléctricas en las terminales positiva y negativa. Si un conductor se conecta a las terminales de una batería, pasará una corriente a través de él.
En esta imagen se muestran las representaciones gráficas de distintos objetos.
Circuito en serieLa corriente eléctrica en un circuito eléctrico en seire es la misma en todos sus elementos. El voltaje total del circuito proporciona la fuente de poder, será igual a la sumatoria de todos los voltajes individuales de los elementos que componen el circuito.
Circuito en paralelo
El voltaje en un circuito en paralelo es el mismo en todos sus elementos. La corriente eléctrica total de un circuito será igual a la sumatoria de todas las corrientes individuales de los elementos que lo componen. La resistencia equivalente en un circuito eléctrico en paralelo es igual al inverso de la suma algebraica de los inversos de las resistencias que lo integran, y su valor siempre será menor que cualquiera de las resistencias existentes en el circuito.
Potencia eléctrica y el efecto Joule
Como ya se mencionó, la diferencia de potencial entre dos puntos es igual a
AV= WAB
q0
Recordemos que en el bloque 4 del curso de Física I se estableció que la potencia es la relación existente entre el trabajo efectuado por unidad de tiempo, es decir,
P= W
t
Debido a que la corriente eléctrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de tiempo (I= q), podemos expresar la potencia eléctrica en relación a la diferencia de potencial
t
y la corriente, por lo tanto:
P= VI
Ahora, al aplicar la Ley de Ohm a la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:
P= I a la 2 R = V a la 2
R
Al igual que la potencia mecánica, la potencia eléctrica se mide en Watts, considerando que la energía eléctrica es el producto de la potencia por el tiempo, Comisión Federal de Electricidad (CFE) calcula el costo de ea energía a partir de la potencia en kilowatts y el tiempo en horas, es decir, en kilowatt-horas (kWh); el cual equivale a 3.6 x 10 a la 6 J de energía.
Instrumentos eléctricos de medición
El voltaje y la corriente eléctrica pueden ser medidos con instrumentos denominados voltímetros y amperímetros, respectivamente. Se pueden encontrar tanto digitales como análogos, en los cuales el dispositivo principal de su funcionamiento es el galvanómetro.
El amperimetro es un dispositivo para medir la corriente eléctrica y debe conectarse en el circuito de manera tal que la corriente pase directamente a través de él, es decir, en serie. Por su parte, el voltímetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B, en un circuito, y debe conectarse entre estos puntos, es decir, en paralelo, y no debe insertarse como un amperímetro.
Un amperímetro ideal debe tener una resistencia muy pequeña debido a que se conecta en serie con el circuito y es necesario que no afecte el valor de la medición. De la misma manera, un voltímetro debe tener una resistencia muy alta para que no se produzca un aumento de corriente y modifique el valor del voltaje.
 |
| El campo magnético sale del polo norte y entra al polo sur. |
domingo, 17 de junio de 2012
Electricidad: Electrostática y Electrodinámica
La electricidad se encuentra en todas las actividades de la vida cotidiana de cualquier persona. La corriente eléctrica que proporcionan los contactos eléctricos o las baterías se emplea para hacer funcionar un sin número de aparatos. La electricidad es una forma de energía, ésta se puede transformar de diferentes maneras, por ejemplo:
La electricidad se origina por las cargas eléctricas, las cuales se pueden encontrar en reposo o en movimiento. La electrostática es la rama de la física que estudia el comportamiento de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en un cuerpo y los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. Por otra parte, la electrodinámica es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en movimiento.
Como sucede con otras areas de la física, el interés por conocer los aspectos referentes a la elestrostática y la electrodinámica reside no sólo en que describen las características de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino también en que facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas.
Antecedentes históricos de la electricidad
La historia cuenta que aproximadamente en el año 600 a.C. Tales observó que al frotar una barra de ámbar con un troo de lana o cuero, aquélla era capaz de atraer pequeños objetos, como hojas o paja. De la misma manera, los griegos observaron que ciertas piedras que contenían magnetica eran capaces de atraerse entre sí y a pequeños objetos de hierro. Sin embargo, no fue sino hasta el siglo XVII cuando William Gilbert estableció la diferencia entre materiales conductores y aislantes, a partir de la atracción que tenían con los imanes.
En el siglo XVIII se establecen las bases de la electrostática para esto existieron 4 personajes muy importantes:
Carga eléctrica e interacción entre cargas
La carga eléctrica se manifiesta a través de fuerzas denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos. Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Coulomb (C). Los cuerpos están formados por moléculas y éstas a su vez por átomos. Un átomo contiene un núcleo con carga positiva, alrededor del cual giran electrones. Los electrones son partículas mucho más ligeras que los protones y tienen carga eléctrica negativa. El número de electrones en un átomo es igual al de los protones se su núcleo, por lo tanto un átomo es eléctricamente neutro. La magnitud de la carga de un protón es igual a la de un electrón, cuyo valor es de 1.6 x 10-19 C, aunque de signo contrario; las sumas algebraicas de las cargas positivas del núcleo de un electrón y la carga negativa de los electrones es igual a cero.
La carga eléctrica se puede transferir de un cuerpo a otro; por lo general un cuerpo con exceso de carga positiva cede electrones a otro, cargándolo negativamente. Estas cargas positivas y negativas interactúan entre sí de la siguiente manera: un protón y un electrón se atraen entre sí, dos electrones se rechazan entre sí y dos protones se rechazan entre sí. En este sentido, podemos mencionar que las cargas del mismo signo eléctrico se repelen y las del mismo signo eléctrico se atraen.
Existen dos formas de cargar eléctricamente un cuerpo:
Materiales conductores y aislantes
La corriente eléctrica puede fluir a través de un cuerpo, sin embargo, todos los materiales tienen diferentes capacidades para permitir este flujo de corriente, es decir conductividad. La diferencia entre los materiales que son buenos conductores de electricidad y los que no lo son radica en la movilidad relativa de la carga dentro de ese material.
Un material conductor permite el flujo de corriente a través de él. Por lo general, los materiales que son buenos conductores de calor los son de electricidad; e este sentido los metales son buenos conductores.
Por otra parte, a los materiales que cuentan con poca conductividad, es decir, aquéllos en cuyo interior las cargas eléctricas fluyen con una movilidad limitada se les denomina aislantes. Cuando un aislante recibe una carga, la retiene, confinándola en cualquier parte de la región localizada en la cual se introdujo.
- Los focos y las lámparas fluorecentes, en iluminación.
- Los télefonos celulares, en comunicación.
- Los monitores y las pantallas, en imágenes en movimiento.
- Las bocinas, en sonido.
- Los motores eléctricos, en movimiento.
- Las computadoras, en informacion y datos.
- Los calefactores, secadoras de pelo, hornos, etc., en calor.
La electricidad se origina por las cargas eléctricas, las cuales se pueden encontrar en reposo o en movimiento. La electrostática es la rama de la física que estudia el comportamiento de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en un cuerpo y los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. Por otra parte, la electrodinámica es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en movimiento.
Al flujo de corriente que cambia constantemente de amplitud y que invierte su sentido a intervalos regulares, se le conoce como corriente alterna (CA)
Como sucede con otras areas de la física, el interés por conocer los aspectos referentes a la elestrostática y la electrodinámica reside no sólo en que describen las características de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino también en que facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas.
Antecedentes históricos de la electricidad
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| Tales de Mileto 625 ac-547 ac. Cientifico y filósofo griego. Se dice que fue el primero en estudiar los fenómenos eléctricos. |
La historia cuenta que aproximadamente en el año 600 a.C. Tales observó que al frotar una barra de ámbar con un troo de lana o cuero, aquélla era capaz de atraer pequeños objetos, como hojas o paja. De la misma manera, los griegos observaron que ciertas piedras que contenían magnetica eran capaces de atraerse entre sí y a pequeños objetos de hierro. Sin embargo, no fue sino hasta el siglo XVII cuando William Gilbert estableció la diferencia entre materiales conductores y aislantes, a partir de la atracción que tenían con los imanes.
En el siglo XVIII se establecen las bases de la electrostática para esto existieron 4 personajes muy importantes:
- Watson: Introduce el concepto de corriente eléctrica.
- Benjamin Flanklin: Inventó el pararrayos y demostró que los rayos son cargas electrostáticas.
- Coulomb: Estableció una expresión matemática que relaciona la fuerza que existe entre dos cargas eléctricas en función de la distancia que las separa, a lo que actualmente se le conoce como Ley de Coulumb.
- Luigi Galvani: Estudió los efectos de la electricidad en los músculos de las ranas, lo que permitió sentar las bases del estudio del funcionamiento del sistema neurológico.
- Volta: Inventó la pila eléctrica.
Carga eléctrica e interacción entre cargas
La carga eléctrica se manifiesta a través de fuerzas denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos. Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Coulomb (C). Los cuerpos están formados por moléculas y éstas a su vez por átomos. Un átomo contiene un núcleo con carga positiva, alrededor del cual giran electrones. Los electrones son partículas mucho más ligeras que los protones y tienen carga eléctrica negativa. El número de electrones en un átomo es igual al de los protones se su núcleo, por lo tanto un átomo es eléctricamente neutro. La magnitud de la carga de un protón es igual a la de un electrón, cuyo valor es de 1.6 x 10-19 C, aunque de signo contrario; las sumas algebraicas de las cargas positivas del núcleo de un electrón y la carga negativa de los electrones es igual a cero.
La carga eléctrica se puede transferir de un cuerpo a otro; por lo general un cuerpo con exceso de carga positiva cede electrones a otro, cargándolo negativamente. Estas cargas positivas y negativas interactúan entre sí de la siguiente manera: un protón y un electrón se atraen entre sí, dos electrones se rechazan entre sí y dos protones se rechazan entre sí. En este sentido, podemos mencionar que las cargas del mismo signo eléctrico se repelen y las del mismo signo eléctrico se atraen.
Existen dos formas de cargar eléctricamente un cuerpo:
- Por contacto: Se produce cuando al frotar un cuerpo cargado negativamente con otro neutro, algunos electrones se ceden de un cuerpo al otro, quedando éste cargado negativamente. El número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es iagual al número de electrones aceptado por el otro, debido a que la carga eléctrica siempre se conserva. Por otra parte, si el cuerpo estuviese cargado positivamente, el resultado final seria el mismo, sólo que el cuerpo neutro adquiere carga eléctrica positiva.
- Por inducción: Sucede de manera similar, pero sin que haya contacto entre los cuerpos. Debido a los efectos de la fuerza eléctrica, un cuerpo cargado negativamente en las proximidades de uno neutro atraerá hacia sí a las cargas positivas. La separación de cargas inducida por la fuerza eléctrica desaparece cuando el cuerpo cargado se aleja suficientemente del cuerpo neutro. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la carga por inducción se le denomine también polarización eléctrica.
Materiales conductores y aislantes
La corriente eléctrica puede fluir a través de un cuerpo, sin embargo, todos los materiales tienen diferentes capacidades para permitir este flujo de corriente, es decir conductividad. La diferencia entre los materiales que son buenos conductores de electricidad y los que no lo son radica en la movilidad relativa de la carga dentro de ese material.
Un material conductor permite el flujo de corriente a través de él. Por lo general, los materiales que son buenos conductores de calor los son de electricidad; e este sentido los metales son buenos conductores.
Por otra parte, a los materiales que cuentan con poca conductividad, es decir, aquéllos en cuyo interior las cargas eléctricas fluyen con una movilidad limitada se les denomina aislantes. Cuando un aislante recibe una carga, la retiene, confinándola en cualquier parte de la región localizada en la cual se introdujo.
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