16.3- Electricidad

En este curso de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la segunda parte de la clase sobre Electricidad.

Magnitudes de un circuito

Para poder controlar lo que ocurre en un circuito, hay que estudiarlo y averiguar las leyes que lo rigen.

• Diferencia de potencial
• Intensidad de corriente
• Resistencia

DIFERENCIA DE POTENCIAL

La diferencia de potencial (ddp) es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico, esta corriente cesará cuando ambos puntos iguales su potencial eléctrico.

Si la energía (E) que el generador cede al circuito durante su funcionamiento es directamente proporcional a su ddp (V) y a la carga q (C)

Los voltímetros son instrumentos que sirven para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Para efectuar la medida de la diferencia de potencial, el voltímetro ha de colocarse en paralelo.

INTENSIDAD DE CORRIENTE

Cuando la corriente eléctrica fluye, los electrones se desplazan desde el borne negativo del generador hasta el positivo. Para medir el número de cargas que circulan se utiliza una magnitud denominada intensidad de corriente.

La intensidad de corriente (I) es el número de electrones que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo. Se mide en Ampere (A)

INTENSIDAD DE CORRIENTE

La resistencia (R) eléctrica es la mayor o menor oposición de un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. La resistencia de un conductor depende:

Donde:

R=Resistencia

L=Longitud del conductor (hilo)

S=Sección del conductor (hilo)

p=Resistividad (característica para cada material y temperatura)

En el SI su valor se representa en Ohm, que se designa con la letra griega omega mayúscula.

(símbolo de resistencia)

Ley de Ohm

La ley de Ohm dice que:

"La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo"

En el SI:

I=Intensidad (A)

V=Diferencia de potencial(V)

R=Resistencia (Ω)

Hagamos un ejercicio juntos:

Calcular la intensidad de un circuito con una diferencia de potencial de 7v y una resistencia de 170Ω

Para resolver esto solo necesitamos la fórmula de la ley de ohm:

Circuitos en serie

Dos o más elementos de un circuito están asociados en serie si están conectados de modo que la corriente pase por todos ellos, uno a continuación del otro.

La resistencia equivalente es igual a la suma de las que están en serie:

La intensidad que pasa por las resistencias es la misma, e igual a la resistencia equivalente:

La tensión de la pila se la reparten entre las resistencias:

Circuitos en paralelo

Dos o más elementos de un circuito están asociados en paralelo si están conectados a puntos comunes y, por lo tanto, sometidos a la misma tensión.

La resistencia equivalente es igual al inverso de la suma de los inversos de las resistencias:

La intensidad del generador se reparte entre las tres resistencias:

La tensión de la pila es la misma en las tres resistencias:

PARA PRACTICAR::

1. Calcular la resistencia total en el siguiente circuito:

1. Calcular la resistencia total en el siguiente circuito:

1. Calcular la intensidad que circula por un dispositivo eléctrico de 160V y 100Ω
2. ¿Qué tensión se puede aplicar por una resistencia de 190Ω y 100A?

Autor: Ana Emilia de Orellana - 17:27:00

16.2- Electricidad

En este curso de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la primer parte de la clase sobre Electricidad.

La corriente eléctrica

La corriente eléctrica es la circulación de electrones a través de un material conductor que se mueven siempre del polo negativo (-) al polo positivo (+) de la fuente de suministro.

Aunque el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica es la inversa, del polo positivo al negativo.

Este criterio se debe a razones históricas ya que en la época en que trató de explicar como fluía la corriente eléctrica por los materiales, la comunidad científica desconocía la existencia de los electrones y decidió ese sentido.

Corriente continua

La corriente continua (CC en español o DC en inglés) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinta carga o tensión. Si se conectan dos placas cargadas de distinto signo mediante un hilo conductor, los electrones libres del metal serán repelidos por la placa negativa y se moverán hacia la placa positiva, formando así un flujo de electrones desde la placa negativa a la positiva a través del hilo conductor.

Los átomos que forman el hilo metálico no se mueven, sólo lo hacen algunos de sus electrones.

Las cargas eléctricas circulan siempre en los terminales de mayor a menor tensión, es decir siempre en la misma dirección. Es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.

La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrico. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente hasta el polo positivo de la propia fuente.

La corriente continua fue descubierta a partir de la invención de la pila por parte de Volta.

Las pilas eléctricas y las baterías son generadores de corriente continua, estos generadores basan su funcionamiento en el efecto electroquímico, que consiste en aprovechar la energía química almacenada en cada extremo con distinta carga.

Decimos por tanto, que entre ambas placas existe una diferencia de potencial (ddp) o tensión.

Pero fue a partir de los trabajos de Edison sobre la generación de electricidad cuando la corriente continua comienza a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica.

Corriente alterna

La corriente alterna (CA en español o AC en inglés) consiste en la vibración de los electrones en el interior de un hilo conductor. Los electrones vibran a razón de 50 veces por segundo sobre un punto fijo. Es decir la corriente es de 50Hz (Hertz) o vibraciones/segundo.

Lo que circula por los cables son ondas a la velocidad de la luz, los electrones no se trasladan, solo vibran alrededor de un punto fijo transmitiendo su vibración al electrón siguiente. Así se forma una onda cuyas crestas y valles se mueven muy rápido, si las contamos veríamos que son 50 crestas o valles las que pasan por un punto en un segundo.

La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua. La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad con que se eleva su tensión, cualidad de la que carece la corriente continua.

En el caso de la corriente continua, la tensión se eleva conectando dinamos en serie, sistema poco práctico mientras que la corriente alterna cuenta con transformadores que elevan la tensión de una forma eficiente.

La corriente continua es un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia.

Un dinamo es un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en eléctrica, generando una corriente continua. Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose perpendicularmente a un campo magnético generaba una diferencia de potencial. Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una pequeña corriente continua.

El transformador es una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia.

En 1882 Tesla diseñó y construyó el primer motor de inducción de CA. Westinghouse comercializó la distribución de electricidad a partir de la corriente alterna mientras que Edison lo hizo a partir de la corriente continua originando la llamada guerra de las corrientes.

Circuitos eléctricos

Un aparato eléctrico está formado por una fuente de alimentación que le proporciona energía, cables y otros elementos como interruptores, bobinas, imanes, motores, etc. Funcionan transformando, ampliando, reduciendo o interrumpiendo la corriente eléctrica que suministra la fuente de alimentación. Por ejemplo, una Lámpara incandescente que transforma la electricidad en luz.

Un aparato electrónico incluye además de los elementos de aparato eléctrico otros elemento como diodos, transistores, chips, procesadores, etc. Todos estos componentes electrónicos se organizan en circuitos destinados a controlar y aprovechar las señales eléctricas, por ejemplo, una lámpara incandescente que se apague y encienda cada cierto tiempo.

Elementos de un circuito

Un circuito de la corriente por conductores y dispositivos conductores. Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado y si el trayecto no es continuo se denominan abiertos.

Para que la corriente eléctrica circule por un circuito son necesarios los siguientes elementos:

• Un generador o pila que mantenga la ddp entre los extremos del circuito.
• Hilo conductor de cobre que al conectarlo a los bornes de la pila, sus electrones se ponen en movimiento, dando vueltas por el circuito cerrado, transportando la energía de la pila.
• Un receptor que puede ser cualquier elemento que consuma la energía del generador, por ejemplo, un led.
• Aislantes que impidan que la corriente eléctrica circule por donde no deba, el más utilizado es el plástico que cubre los conductores.

CONTINUACIÓN

Autor: Ana Emilia de Orellana - 17:27:00

16.1- Electricidad

En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias estudiaremos algo de nuestra vida cotidiana, la ELECTRICIDAD.


Aparentemente, en los objetos, parece no haber electricidad, pero experiencias de electrización o fenómenos naturales como las tormentas ponen de manifiesto sus efectos.

El estudio de los fenómenos eléctricos demuestra que existen partículas responsables del comportamiento eléctrico.  J. J. Thomson experimentó con tubos de descarga de gases y observó que se emiten rayos desde el polo negativo al positivo, los llamó rayos catódicos.

Por lo tanto, en el interior de todos los átomos existen una o más partículas con carga negativa llamadas electrones. La electrización de la materia se debe a la transferencia de electrones de un cuerpo a otro. Si un cuerpo gana electrones, se carga negativamente, si los pierde, se carga positivamente.

Magnitudes

Para medir la cantidad de electricidad de los cuerpos, necesitamos definir una magnitud que llamamos carga eléctrica, su unidad en el SI es el Coulomb y su símbolo es C.

Debido a que la electrización de la materia es un intercambio de electrones, es frecuente utilizar su carga como unidad elemental de carga. Así +1 Indica que un cuerpo ha perdido un electrón y -1 indica que ha ganado un electrón.

En el siglo XX R.A. Millikian determinó que la carga de 1 electrón son 1.63x10^19 C, por lo tanto 1C equivale a 6.25x10^18 electrones.

EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE:

Este experimento fue realizado por primera vez en 1909 por el Física estadounidense Robert Millikan y le permitió medir la carga del electrón.

El experimento consiste en introducir en un gas gotitas de aceite microscópicas. Estas gotitas caen por su peso lentamente con movimiento uniforme. Las gotitas, al salir del pulverizador, se cargan eléctricamente por lo que su movimiento de caída se altera. Si actúa un campo eléctrico vertical de modo que mantenga la gota en suspensión, se puede determinar el valor de la carga de la gota en equilibrio conociendo el valor de la masa de la gota, la intensidad del campo eléctrico y el valor de la gravedad.

Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es e=1.602x10^19C

Ley de Coulomb

En el siglo XVIII el Físico francés Charles Agustin Coulomb, estudió la interacción eléctrica entre las partículas cargadas.

"La fuerza con que se atraen o repelen dos cuerpos cargados, es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa"

Donde F es la fuerza atractiva o repulsiva expresada en Newtons, q y q' son las cargas de ambos cuerpos expresados en C, d es la distancia entre ellos expresados en metros, y K es una constante de proporcionalidad que depende del medio en el que estén los cuerpos.

Se llama campo eléctrico a la región del espacio que ve alterada sus propiedades por la presencia de una carga eléctrica.

Si situamos una carga q en un punto del espacio, esta carga crea un campo eléctrico a su alrededor. Al introducir una nueva carga q', la ley de Coulomb nos dice que esta carga q' se verá sometida a una fuerza de atracción o de repulsión según el signo de las cargas.

"La intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza que actúa sobre la unidad de carga positiva colocada en el punto considerado"

Hagamos un problema juntos:

Calcular la intensidad del campo eléctrico de una carga de prueba de 3x10^-8C que recibe una fuerza de 7.21x10^-10N

Lo único que hay que hacer es reemplazar los valores en la fórmula:

Instrumentos de detección y medida

Los electroscopios son dispositivos que sirven para detectar y medir la carga eléctrica de un objeto.

Consisten en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas muy delgadas, generalmente de pan de oro. Esta barra se encuentra aislada del exterior por un recipiente de vidrio.

Cuando un electroscopio se carga con un signo desconocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera.

Si las laminas de de oro se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se junta, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Midiendo la distancia a la que se separan estos conductores se puede calcular la cantidad de carga del cuerpo.

Al tocar la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, se produce una transferencia de electrones. Por ejemplo, al acercar una varilla de vidrio, previamente cargada, (carga +), los electrones del electroscopio pasan a la varilla, quedando este con carga + y las láminas de oro separadas.

Tormentas eléctricas

El rayo es una de las descargas electrostáticas de mayor intensidad que se producen en la naturaleza.

Se forman cuando existen zonas con diferente carga eléctrica dentro de una nube, entre dos nubes, o con la superficie de la tierra, su naturaleza eléctrica fue demostrada por Benjamin Franklin.

Esta diferencia de carga se produce por el rozamiento de los cristales de hielo dentro de las nubes debido a las fuertes corrientes de aire ascendiente te su interior, los cristales más pequeños ascienden de su interior, y se cargan positivamente, los más pesados permanecen en la parte inferior y se cargan negativamente. Esta carga negativa puede producir por inducción una carga positiva sobre la superficie de la Tierra, a partir de esta situación ya se puede producir el rayo.

Jaula de Faraday

Michael Faraday comprobó que en el interior de una caja metálica cerrada y hueca no existen cargas ni fenómenos eléctricos.

Este efecto, se manifiesta en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los celulares en el interior de ascensores o edificios con estructura de acero, o al envolver en papel de aluminio un receptor de radio sintonizado y en funcionamiento.

El conocimiento de este fenómeno, permite la fabricación y protección de equipos electrónicos delicados, tales como teléfonos móviles, radios, computadoras, etc. Todos llevan parte de sus circuitos protegidos por jaulas de Faraday para evitar que entren o salgan de ellos ondas producidas por la electricidad.

CONTINUACIÓN

Autor: Ana Emilia de Orellana - 17:27:00

15.3- Calor

En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la segunda parte de la clase sobre CALOR.

Temperatura absoluta

Pensemos por un momento esta pregunta ¿Si un cuerpo tiene una temperatura de 2°C, sus partículas tendrán el doble de energía media que las de un cuerpo a 1°C? Para establecer una correspondencia real entre temperatura y energía media de la agitación de las partículas hay que establecer el cero de la temperatura en el cero de energía media. Este es el cero absoluto y cuando empezamos a contar desde ese punto obtenemos una escala absoluta.

La forma más sencilla de buscar este punto es a partir del coeficiente de dilatación de los gases. Recordemos que a presión constante el coeficiente de dilatación cúbica de los gases ideales era 1/273.15°C. Según eso, si un gas ocupa cierto volumen a 0°C, su volumen será cero al alcanzar la temperatura el valor de -273.15°C. En los gases reales no se puede producir nunca esta situación porque , sus particulas componentes tienen un tamaño no puntual que impediría alcanzar el volumen cero. En la práctica cualquier gas se licúa al acercarse a temperaturas tan baja. No obstante el valor de -273.15°C sique siendo el límite inferior de la temperatura, es el cero absoluto.

Hay una escala absoluta correspondiente a la Celsius; se trata de la escala Kelvin, cuya unidad (K) es la adoptada por el SI. Siempre se cumple que:

Existe también una escala absoluta correspondiente a la escala Fahrenheit, la escala Rankine. En esta escala:

Sin embargo, en los ejercicios utilizaremos la escala Kelvin.

Calor específico

No todas las sustancias aumentan su temperatura igualmente al recibir la misma cantidad de calor. Llamamos capacidad calorífica de un cuerpo a la cantidad de calor que hay que darle para que su temperatura ascienda 1°C (se mide en cal/°C).

La capacidad depende tanto de la sustancia de que se trate, como de su masa. Por ello definimos el calor especifico de un cuerpo como la capacidad calorífica de 1g de ese cuerpo (se mide en cal/g°C).

El calor específico sólo depende de la naturaleza del cuerpo llamando ca esta nueva magnitud, el calor Q que absorbe una masa m de un cuerpo cuando la temperatura pasa de un valor inicial To a otro valor Tf:

Así vemos que el calor absorbido (Q>0) o emitido (Q<0) por un cuerpo, depende de la masa del cuerpo, de la variación de la temperatura y de la naturaleza del cuerpo. El signo del calor viene dado por lo valores de las temperaturas inicial y final.

El calor específico de una sustancia se determina con un aparato conocido como calorímetro.

Ya quedó establecido que la Naturaleza busca el equilibrio térmico. Entre dos cuerpos a diferentes temperaturas, el calor pasa del mas caliente al más frío, hasta que se igualan las temperaturas.

La temperatura de equilibrio se verá afectada por el calor específico de las sustancias que intervienen. En la imagen de abajo se ve la diferencia entre dos casos aparentemente iguales. En los dos existe la misma cantidad de sustancia.

Sin embargo, en el primer caso, la sustancia verde tiene un calor específico muy bajo, mientras que en el segundo es la sustancia azul la que se encuentra en este caso.

Si realizamos diversos experimentos con diferentes sustancias, masas y temperaturas, se llega a estas conclusiones:

• En todos los casos, la velocidad de transferencia de calor es mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas. A medida que las temperaturas se aproximan, la transferencia de calor es más lenta.
• Si las masas y los calores específicos de las sustancias son iguales, la temperatura de equilibrio es el punto medio entre las dos temperaturas iniciales.
• Si los calores específicos sin iguales y las masas son diferentes, la temperatura de equilibrio se desplaza hacia la temperatura de la sustancia de mayor masa.
• Si las masas son iguales y los calores específicos son diferentes, la temperatura de equilibrio se desplaza hacia la temperatura de la sustancia con mayor calor específico.

Donde Te es la temperatura de equilibrio, y uno de los lados de la igualdad tiene símbolo negativo, porque cuando un cuerpo absorbe energía (positivo) el otro pierde (negativo).

Hagamos un ejercicio juntos:

Mezclamos 800g de un líquido A, de 0.8 cal/g°C de calor específico y temperatura inicial de 72°C con 600g de agua a 57°C. ¿Cuánto vale la temperatura de equilibrio?

Primero despejamos Te de la fórmula:

Ahora reemplazamos los datos y calculamos:

Equivalencia entre calor y energía

Hasta ahora hemos utilizado la caloría para medir las transferencias de energía térmica. ¿A qué valor corresponde esta unidad en energía mecánica? Joule diseñó en complicado aparato de la imagen para medir este valor con este plan: Al caer la pesa, su energía potencial va disminuyendo transmitiéndose al agua mediante el movimiento de las paletas. El agua la acumula como energía térmica, lo que se traduce en un aumento de la temperatura.

De esta forma, la energía potencial perdida por la pesa se convertirá en calor:

Donde el factor K es el número de Joules que tiene una caloría (equivalente mecánico del calor) y que se puede calcular con facilidad al conocer todos los restantes datos. Su valor es K=4.18 cal/J.

Autor: Ana Emilia de Orellana - 18:04:00