Electricidad basica tomo-1

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Prefacio a la Revisin de ELECTRICIDAD BASICATtulo original de la obra:

BASIC ELECTRICITY - VOL. 1Publicada por:

THE NEVILLE PRESS, INC. SUCCESSOR TO VAN VALKENBURGH, NOOGER AND NEVILLE, INC. Van Valkenburgh, Nooger and Neville, Inc. and its*Assignee, the Neville Press, Inc.Traducida por:

ALFONSO VASSEUR WALL Derechos reservados en espaol 1983, por COMPAIA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. Renacimiento Nm. 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegacin Azcapotzalco, Cdigo Postal 02400, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Registro Nm. 43ISBN 968-26-0378-1

ISBN 0-8104-0876-7 (de la edicin original) Las palabras TRAINER - TESTER, COMMON - CORE, y el diseo que acompaa a esta ltima, son marcas registradas de exclusiva propiedad de THE NEVILLE PRESS, INC., ASSIGNEE de VAN VALKENBURGH, NOOGER AND NEVILLE? INC. Little Silver, N. J. U.S.A. Queda prohibida la reproduccin o transmisin total o parcial del texto de la presente obra bajo cualquiera de sus formas, electrnica o mecnica, sin el consentimiento previo y por escrito del editor.Primera edicin, 1983

Decima reimpresin Marzo de 1992. Impreso en Mxico Printed in Mexico

El programa COMMON CORE Electricidad Bsica, Electrnica Bsica, Sistemas Sincrnicos y Servomecanismos Bsicos, etc., fue diseado y desaro llado durante los aos de 1952-1954. Sobre la base de una amplia labor de AadneloisrEmtgU-aqupoelctri/nodela dos de aquella poca, en aquel entonces se haba establecido un "ncleo comn" Je conocimientos y habilidades preliminares. Posteriormente , dicho "ncleo coatn" antecedente fue programado bajo un sistema de e nse anza/aprendizaje que tena como objetivo didctico fundamental la preparacin efectiva de los tcnicos elctrico/electrnicos de la Armada de los Estados Unidos , para que pudiesen comprender y aplicar dichos conocimientos en situaciones de trabajo con problemas representativos. Desde entonces, han sido adiestrados eficientemente mas de 100 000 tcnicos de la Armada Estadounidense por medio de este sistema basado en la realizacin. As lo han demostrado cientos y miles de estudiantes y tcnicos civiles. La educacin militar y civil, los programas de adiestramiento en Amricas del Sur, Europa, Oriente Medio, Asia, Australia y Africa, tambin han reconocidos su utilidad con las ediciones en doce idiomas actualmente en impresin, En la actualidad la fundacin del programa COMMON-CORE , Electricidad B sica est siendo modernizada y mejorada. Su equipo bsico de trabajo ha sido ampliado para cubrir los conocimientos y habilidades nec esarios para la gama del equipo elctrico/electrnico actual mquinas industriales modernas, controles, instrumentacin, computadoras, comunicaciones, radar, lasers, etc.. Sus componentes tecnolgicos/circuitos/funciones bsicas, han sido revisados y ampliados para incorporar las nuevas creaciones del desarrollo de la tecnologa elctrica/ electrnica, esto es, desde (1) tubos al vaco hasta (2) transistores y semiconductores a (3) circuitos integrados, integracin en gran escala y microminiaturizacin. Didcticamente se ha hecho un esfuerzo considerable para incorporar dentro de los textos mismos, aspectos y tcnicas de examen/aprendizaje individualizados y en agregar pruebas de destreza para estudiantes intermedios. A pesar del paso del tiempo, an se conservan los el ementos del diseo del sistema original e innovador, formato del texto bsico, del programa COMMON CORE cuya estructura slida de efectividad probada, ha sido un estmulo para muchos de los progresos realizados en la educacin tcnica/vocacional.VAN VALKENBURGH, NOOGER & NEVILLE, INC.

New York, N.Y.

CONTENIDOPG. Qu es la Electricidad?

La Importancia del Estudio de la Electricidad Principios Histricos La Teora Electrnica La Ruptura de la Materia La Estructura de la Molcula La Estructura del Atomo Corriente Elctrica y Carga Elctrica Repaso Qu es la Electricidad? Autoexamen Cuestionario de RepasoConductores/Aisladores/Semiconductores

13 14 15 17 19 21 22 23 24

Qu es un Conductor? Qu es un Aislador? Qu es un Semiconductor? Repaso de Conductores, Aisladores y Semiconductores Autoexamen Cuestionario de Repasoargas Elctricas

25 25 26 27 28

Qu son las Cargas Elctricas? Cargas Estticas por Friccin Atraccin y Repulsin de Cargas Elctricas Campos Elctricos Transferencia de Cargas Elctricas por Contacto Transferencia de Cargas Elctricas por Induccin Descarga de Cargas Elctricas Repaso de Cargas Elctricas Autoexamen Cuestionario de RepasoMagnetismo

29 30 31 32 34 35 36 3839

Imanes Naturales Imanes Permanentes

40 41

.(,141U1111,11

PG.

PG. Electromagnetismo

naturaleza de los Materiales Magnticos Campos Magnticos Repaso de Magnetismo Autoexamen Cuestionario de RepasoLa

42

43 47 48

Qu es el Flujo de Corriente?

Electromagnetismo . Campos Magnticos en Tomo a un Conductor Campos Magnticos en Torno a una Bobina Electroimanes . . Repaso de Electromagnetismo Autoexamen Cuestionario de Repaso Cmo Funciona un Instrumento de Medicin? Dispositivo Mvil Bsico de un Instrumento Consideraciones Sobre el Dispositivo Mvil Cmo Leer las Escalas de los Instrumentos? Escala util de un Instrumento Repaso de, Cmo Funciona un Instrumento de Medicin? Autoexamon Cuestionario de RepasoCmo se Mide la Corriente?

Electrones en Movimiento Sentido del Flujo de Corriente Unidades del Flujo de Corriente Repaso del Flujo de Corriente Autoexamen Cuestionario de RepasoQu Origina el Flujo de Corriente FEM?

49 52 53 5455

84 85 88 91 92 93

Qu es el Trabajo? Qu es la FEM (Fuerza Electromotriz)? Qu es la Potencia Elctrica? Cmo se Mantiene la FEM? Voltaje y Flujo de Corriente Repaso de FEM o Voltaje Autoexamen Cuestionario de RepasoCmo se Produce y se Emplea la Electricidad?

56 57 58 59 60 61 62

94 99 100 102 103 104

63 La Electricidad es el Medio Para Conducir la Potencia 64 Cmo se Produce la Electricidad? 65 Usos de la Electricidad Electricidad Producida por Energa Friccional (Electricidad 66 Esttica) Electricidad Producida por Presin/Presin Producida por Elec67 tricidad 68 Electricidad Producida por Calor (y Fro) 69 Calor Producido por Electricidad 70 Electricidad Producida por Luz 71 Luz Producida por Electricidad 72 Electricidad Producida por Accin Qumica ......... . ... 75 Accin Qumica Producida por Electricidad 76 Electricidad Producida por Magnetismo 80 Magnetismo Producido por Electricidad 81 Repaso de, Cmo se Produce la Electricidad? 82 Repaso de, Cmo se Emplea la Electricidad? 83 Autoexamen Cuestionario de Repaso

Unidades de Medicin del Flujo de Corriente Cmo Medir Corrientes Pequeas? Cmo Convertir las Unidades de Corriente? Miliampermetros y Mieroampermetros Cmo Convertir las Escalas de un Ampermetro? Ampermetros de Escala Mltiple Cmo Conectar los Ampermetros a un Circuito? Repaso de, Cmo se Mide la Corriente? Autoexamon Cuestionario de Repaso Cmo se Mide el Voltaje? Unidades de Voltaje Conversin de Unidades de Voltaje Cmo Funciona un Voltmetro ? Cmo Usar un Voltmetro? Escalas de un Voltmetro Voltmetros de Escala Mltiple Repaso de Unidades y Medida del Voltaje Autoexamen Cuestionario de Repaso La Resistencia Como Control del Flujo de CorrienteQu es la Resistencia? Unidades de Resistencia

105 106 107 109 110 111 112 113 115

116 117 118 119 :120 121 122 123

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1111~~111111111111111119

Factores que Controlan la Resistencia Repaso de Resistencia Autoexamen Cuestionario de Repaso Repaso Repaso de Corriente (I), Voltaje (E) y Resistencia ( R ) Introduccin a la Ley de OHM La Relacin Entre Corriente, Voltaje y Resistencia Objetivos de Aprendizaje-Volumen Siguiente Tabla de Elementos

130 131 132

133

134 136 137

QUE ES LA ELECTRICIDAD? 13

La importancia del estudio de la electricidad Es difcil imaginar un mundo sin electricidad. Influye y concierne a nuestras vidas cotidianas en cientos de maneras. Observamos el uso de la electricidad directamente en nuestras casas para la iluminacin, la operacin de aparatos, telfono, televisor, radio, estreo, calefaccin, etc. Vemos su uso en el transporte. La electricidad se ha empleado en la fabricacin de la mayor parte de las cosas que usarnos ya sea directamente o para operar las mquinas que hacen o procesan los productos que necesitamos. Sin la electricidad, la mayor parte de las cosas que usamos y disfrutamos hoy da no seran posibles.

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SUCEDAN

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14 ELECTRICIDAD BASICA I La teora electrnica Principios histricos La palabra electricidad proviene del antiguo vocablo griego para el mbar elektron. Los antiguos griegos observaron que cuando el mbar (resigna petrificada), se frotaba con una tela, atraa pedacitos de material tal como hojas secas. Los cientficos demostraron posteriormente que esta propiedad de atraccin ocurra en otros materiales, tales como el hule y el vidrio, pero no suceda con materiales como el cobre o el hierro. Los materiales que tenan esta propiedad de atraccin al frotarse con una tela, se deca que estaban cargados con una fuerza elctrica; adems se observ que algunos de estos materiales cargados eran atrados por una pieza de vidrio cargada y que otros eran repelidos. Benjamn Franklin llam a estas dos clases de cargas (o electricidad) positiva y negativa. Actualmente sabemos, como usted aprender, lo que se observaba en realidad era un exceso o deficiencia de partculas llamadas electrones en los materiales. Desde entonces diversos cientficos encontraron que la electricidad pareca comportarse de una manera constante y predecible en una situacin dada. Estos cientficos describieron este comportamiento en forma de leyes o reglas. Estas leyes nos permiten predecir cmo se comportar la electricidad, aunque todava no conocemos su naturaleza precisa. Aprendiendo las reglas o leyes que se aplican al comportamiento de la electricidad y aprendiendo los mtodos para producirla, controlarla y utilizarla, se habr aprendido electricidad.

QUE ES LA ELECTRICIDAD? 15

Todos los efectos de la electricidad se producen debido a la existencia de una diminuta partcula llamada electrn. Puesto que nadie ha visto en realidad un electrn, sino nicamente los efectos que ste produce, llamamos teora electrnica a las leyes que gobiernan su comportamiento. La teora electrnica no es slo la base para el diseo de todo el equipo elctrico y electrnico, sino tambin explica la accin fisicoqumica y ayuda a los cientficos a sondear en la naturaleza ntima del universo y de la vida misma.

Como la varillas de mbar de los antiguos griegos un peine que pase por su pelo se cargar y atraer pedacitos de papel, etc.

1111.1411

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16 ELECTRICIDAD BASICA I Ya que supuestamente el electrn existe ha conducido a muchos descubrimientos importantes en la electricidad, la electrnica, la qumica y la fsica atmica, podemos suponer sin temor a equivocarnos que el electrn existe realmente. Todos los equipos elctricos y electrnicos han sido diseados en base a esta teora. Y si la teora electrnica ha funcionado siempre para todos, tambin funcionar para usted. Su estudio de la electricidad se basar exclusivamente en la teora electrnica, la cual establece que todos los efectos elctricos y electrnicos obedecen al desplazamiento de los electrones de un lugar a otro o a que hay una cantidad demasiado grande o demasiado pequea de electrones en una zona determinada. De acuerdo con la teora electrnica, todos los efectos elctricos o electrnicos son producidos ya sea por el movimiento de los electrones de un lugar a otro o porque existe un exceso o deficiencia de ellos en un punto determinado en un momento dado. Antes de que se pueda comenzar a considerar tilmente a las fuerzas que hacen que los electrones se muevan o se acumulen, se tiene que saber primero, qu es un electrn? Toda la materia est compuesta de tomos de muy distintos tamaos, grados de complejidad estructural y pesos. Pero todos ellos se parecen en que tienen un ncleo que son distintos en un tomo y otro, de los ciento y tantos elementos qumicos que existen ya sea en la naturaleza o que han sido hechos por el y en el variado nmero de electrones que se mueven alrededor del hombre ncleo. Se tendr una idea de cmo es un tomo esencialmente observando el dibujo de abajo. La ruptura de la materia

QUE ES LA ELECTRICIDAD?

17

Un buen medio de comprender ms acerca de cmo es un electrn, es examinando detenidamente la composicin de una gota de agua ordinaria. Si toma esta gota de agua y la divide en dos gotas, luego divide una de estas dos, en dos gotas ms pequeas y repite este proceso miles de veces, tendr una gotita minscula. Esta minscula gotita ser tan pequea, que para observarla necesitar el mejor microscopio moderno.

DIVISION DE UNA GOTA DE AGUA

EL ELECTRN ES ELECTRICIDAD

Ncleo

Electrones

esta pequeisima gota de agua seguir conservando todas las caractersticas el agua si es analizada por un qumico, no encontrara diferencia al guna MiCROSCOPICA y la de un vasos de agua comn.

18 ELECTRICIDAD BASICA I Sin embargo, si torna esta minscula gota de agua y trata de dividirla otra vez por la mitad, ya no podr verla en el microscopio. Supongamos que se posee un supermicroscopio capaz de aumentar las imgenes mucho ms que cualquier microscopio que existe en la actualidad. Este microscopio le puede proporcionar cualquier amplificacin que desee, as que puede colocar en l la diminuta gotita y fraccionarla en gotitas cada vez ms pequeas. La estructura de la molcula

QUE ES LA ELECTRICIDAD '? 19

A medida que vaya aumentando el poder de amplificacin del microscopio, observar que la molcula de agua est formada de dos pequesimos elementos iguales y por otro elemento ms grande distinto de stos. A estos elementos se les llaman tomos. Los dos tomos ms pequeos iguales son tomos de hidrgeno y el ms grande y diferente es un tomo de oxgeno. Cuando se combinan dos tomos de hidrgeno con uno de oxgeno se tiene una molcula de agua. Mientras que el agua est compuesta slo de dos clases de tomos oxgeno e hidrgeno las molculas de muchos materiales son de estructuras ms complejas. Las molculas de celulosa, molculas bsicas de que est formada la madera, constan de tres clases distintas de tomos carbono, hidrgeno y oxgeno.

MOLECULA DE AGUA

ATOMOS DE OXIGENO ATOMO

A medida que la gotita se va dividiendo en gotitas ms y ms pequeas, stas seguirn conservando todas las caractersticas qumicas del agua. Sin embargo, llegar un momento en que tendr una gotita tan pequea que toda nueva divisin le har perder las caractersticas qumicas del agua. A este ltimo trocito de agua se le llama molcula. Por tanto, una molcula es la unidad ms pequea en que se puede dividir una sustancia y an poderse identificar como tal.

ESTO ES LO QUE EL OBSERVA

DE HIDROGENO

20 ELECTRICIDAD BASICA IQUE ES LA ELECTRICIDAD? 21

Todos los materiales estn constituidos de diferentes combinaciones de tomos para formar sus molculas. Existen solamente cerca de cien clases de tomos distintos a los cuales se les conoce como elementos: el oxgeno, carbono, hidrgeno, hierro, oro y nitrgeno, son todos ellos elementos. El cuerpo humano, con todos sus complicados tejidos, huesos, dientes, etc., est formado principalmente por slo quince elementos, de los cuales slo seis se encuentran en abundancia. (Vase la tabla de elementos en la parte posterior del libro.)

La estructura del tomo Ahora que se sabe que todos los materiales estn formados por molculas, que consisten en diversas combinaciones de unos cien tipos distintos de tomos, desear saber qu relacin tiene esto con la electricidad. Aumente an ms la amplificacin de su supermicroscopio imaginario y examine los tomos de la molcula de agua. Elija el tomo ms pequeo que pueda observar el tomo de hidrgeno y examnelo con detenimiento.

Hidrgeno 10%

Usted puede apreciar que el tomo de hidrgeno es como un sol con un planeta girando a su alrededor. Al planeta se le conoce como electrn y al sol como ncleo. El electrn tiene una carga negativa ( ) de electricidad y el ncleo una carga positiva ( -1-) de electricidad. En un tomo, el nmero total de electrones cargados negativamente que giran alrededor del ncleo es con exactitud igual al nmero de cargas positivas en el ncleo. A las cargas positivas se les llama protones. Adems de los protones, el ncleo contiene tambin partculas elctricamente neutras llamadas neutrones, que son como un protn y un electrn unidos entre s. Los tomos de elementos distintos contienen diferente nmero de neutrones dentro del ncleo, pero la cantidad de electrones que giran en torno al ncleo es siempre igual al nmero de protones ( o cargas positivas) dentro del ncleo.

22

ELECTRICIDAD BASICA . 1

Corriente elctrica y carga elctrica Todos los tomos se encuentran unidos entre s por fuerzas poderosas de atraccin entre el ncleo y sus electrones. Sin embargo, los electrones de las rbitas exteriores de un tomo, son atrados hacia su ncleo ms dbilmente que los electrones cuyas rbitas estn ms cerca del ncleo. En ciertos materiales (se les conoce como conductores elctricos), estos electrones exteriores estn tan dbilmente unidos al ncleo, que pueden ser expulsados todos ellos con facilidad y dejarlos vagar dispersos entre otros tomos. A dichos electrones se les llama electrones libres. El movimiento dirigido de los electrones libres es lo que produce una corriente elctrica. Los electrones que han sido expulsados de sus rbitas crean un dficit de stos en los tomos que abandonan y producirn un exceso de electrones en la zona a la que se han trasladado. Un material con un dficit de electrones est cargado positivamente; otro que posee un exceso de electrones est cargado negativamente.

Que es laa elelectricidad

Detengmonos ahora a repasar lo que ya se ha aprendido acerca de la electricidad. y la teora electrnica. Entonces estar en condiciones de aprender lo relacionado con los conductores, aisladores , semiconductores, cargas elctricas, etc. 1. MOLECULA. La combinacin de dos o ms tomos. La unidad ms pequea en que se puede dividir una sustancia tal como el agua y an poderse identificar como tal. 2. ATOMO. La partcula ms pequea en que se puede dividir un elemento tal como el oxgeno y an conservar sus propiedades originales. 3. NUCLEO. La parte pesada central del tomo cargada positivamente.

ATOMO NORMAL

Repaso PIERDE I

E TRONO!

4. NEUTRON. Las partculas neutras pesadas en el ncleo que se comportan como una combinacin de un protn y un electrn. 5. PROTON. Las partculas pesadas en el ncleo cargadas positivamente. 6. ELECTRON. Partculas muy pequeas cargadas negativamente que ms o menos no tienen peso y giran en rbitas alrededor del ncleo. 7. ELECTRONES ENLAZADOS. Los electrones en rbita dentro de un tomo.

OCuando un tomo pierde un electrn, pierde una carga negativa. Entonces la parte del tomo restante pierde su equilibrio elctrico, ya que el ncleo sigue siendo tan positivo como antes, pero una de las cargas negativas de balance se ha ido. Por tanto queda cargado positivamente. A este cuerpo con carga positiva se le llama ion positivo. En los materiales slidos, los tomos se mantienen unidos por la estructura cristalina del material y por tanto no se mueven como lo hacen los electrones libres. En los lquidos y gases, sin embargo, los iones se pueden mover como los electrones y contribuyen al flujo de corriente. Ya se sabe que toda la materia est compuesta de estructuras electrnicas y que el movimiento de los electrones desligados de las rbitas exteriores de los tomos es una corriente elctrica. Antes de que pueda avanzar en su estudio de la electricidad, encontrar cmo el flujo de electrones se confina a ciertas zonas por medio del uso de distintos materiales llamados conductores y aisladores, y acerca de la naturaleza de las cargas elctricas y el magnetismo. Estas son ideas muy importantes que necesitar para todos sus estudios de la electricidad, as que es importante aprenderlas tan pronto como sea posible.

8. ELECTRONES LIBRES. Los electrones que han abandonado su rbita en un tomo y se encuentran vagando con libertad a travs de un material. 9. CORRIENTE ELECTRICA. El movimiento dirigido de los electrones libres. 10. CARGA POSITIVA. Dficit de electrones. 11. CARGA NEGATIVA. Exceso de electrones.

24 ELECTRICIDAD BASICA I Autoexamen --Cuestionario de repaso 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Cul es el objeto fundamental de la teora electrnica? Po qu an se le llama una teora a la teora electrnica? Qu es una molcula? Un elemento? El ncleo de un tomo est cargado positiva o negativamente? Cul es la carga de un electrn? La de un protn? La de un neutrn? Qu son los electrones? Qu son los electrones libres? Defina a las cargas positivas y a las negativas. Defina una corriente elctrica. Cul es la diferencia entre una carga elctrica y una corriente elctrica? Qu es un conductor?

CONDUCTORES /AISLADORES / SEMICONDUCTORES 25

OBJETIVOS DE APRENDIZAJESECCION SIGUIENTE Avance Ya se ha aprendido que la electricidad es un flujo de electrones. En la seccin siguiente aprender acerca de los conductores, aisladores y semiconductores. El uso adecuado de stos hace que la corriente fluya en donde nosotros deseamos.

Ya se ha aprendido que la corriente elctrica es el flujo de electrones, Los materiales que permiten el movimiento libre de los electrones se llaman conductores. El alambre de cobre es considerado como un buen conductor porque tiene muchos electrones libres. Los tomos de cobre se mantienen ligados debido a la estructura que el cobre forma cuando es un slido. Los electrones de la rbita exterior del tomo del cobre no se encuentran muy fuertemente ligados y se pueden liberar con facilidad del tomo. La energa elctrica se transmite a travs de los conductores por medio del movimiento de los electrones libres que emigran de un tomo a otro dentro del conductor. Cada electrn se mueve desde una distancia muy corta hacia un tomo vecino en donde sustituye a uno o ms de sus electrones expulsndolos de su rbita exterior. Los electrones reemplazados repiten el proceso con otros tomos cercanos hasta que el movimiento de los electrones se ha transmitido a travs de todo el conductor. Si la cantidad de electrones que se puede mover en un material es mayor para una fuerza aplicada determinada, entonces el conductor que se tiene es mejor. La plata es el mejor conductor pero comnmente usamos el cobre, que le sigue en calidad, ya que es ms barato. Poco antes hemos comenzado a usar el aluminio; cuando se usa correctamente es casi tan buen conductor como el cobre, pero mucho ms barato. Los que siguen son el zinc, latn y hierro. En realidad, la mayor parte de los metales comunes son relativamente buenos conductores. El agua salada y soluciones similares de sales o cidos son tambin buenos conductores de electricidad. El carbono, es tambin un buen conductor.

Cuando se hacen y usan adecuadamente los

SEMICONDUCTORES

son como CONDUCTORES EN ,UN SENTIDO

MUCHOS Electrones disponibles

Salen MUCHOS electrones

...

pero actan como

CONDUCTORPermite que Ios electrones se muevan a travs de l.Cuando haya aprendido ms acerca de la electricidad, sabr qu tan iemportanslgcdutorae lmocretpahunrbjo Particular . Tambin aprender que ciertos metales y aleaciones (mezclas de mei ales) son slo conductores regulares, aunque estos materiales son tambin muy Cuando talles. algunos metales son enfriados a unos -270C (escala centgrada), enlos muestran superconductividad. Bajo tales condiciones, estos metales no oponen l onda mentalmente resistencia al flujo de los electrones. Se est desarrollando un uno practico de la superconductividad en los motores elctricos criognicos ( super ) y para los Potentes electroimanes empleados en el trabajo de fusin nuclear. Quees

AISLADORES. EN EL OTRO SENTIDO

un aislador?1111.11%... 1.1

1,111

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oNot r toltEN/AINI,noonEN/tit ni o 411-41,o, o fi t, la base de los transistores diodos y otros dispositivos del estado slido de los que con p i probabilidad ya habr escuchado. Los semiconductores estn hechos comnmente de germanio o silicio, pero tambin se usan el selenio y el xido de cobre, tanto como otros materiales. Para convertir estos materiales en semiconductores, se les aade impurezas cuidadosamente controladas durante la fabricacin. La cuestin importante acerca de los semiconductores no es el hecho de que estn en un punto medio entre los aisladores y los conductores, sino el que cuando estn hechos apropiadamente, conducirn electricidad en un sentido mejor que en el otro. Como ver en un tiempo posterior, sta es una propiedad en extremo valiosa que usted puede aprovechar de numerosas maneras. Hasta el momento, no sabe lo suficiente como para poder comprender ms acerca de los semiconductores. Sin embargo, aprender ms acerca de ellos cuando haya comprendido ms cuestiones acerca de la electricidad.

consecuencia, no hay una divisin bien definida entre los conductores y los aisladores; los aisladores se pueden considerar como malos conductores. Los materiales tales como el vidrio, mica, hule, plsticos, cermica y esquisto se consideran entre los mejores aisladores. El aire seco es tambin un buen aislador, otro nombre para aislador es dielctrico. Le puede sorprender saber que los aisladores son tan importantes como los conductores, porque sin ellos no sera posible mantener a los electrones fluyendo en las zonas en que deseamos y evitarlos en donde no se requieren.

Rones de la rbita del tomo. Aun entonces, slo se pueden pocsa la vez,. Actualmente no existe una cosa tal como un aislador perfecto. en

Cuando se hacen usan adecuadamente los

SEMICONDUCTORES

Salen pocos electrones

son como CONDUCTORES EN UNA DIRECCION

MUCHOS Electrones disponibles

No permite el paso de los electrones al travs del mismo.

Qu es un semiconductor? Como el nombre lo sugiere, un semiconductor es un material que tiene algunas caractersticas tanto de los aisladores como de los conductores. En la actualidad, estos materiales semiconductores se han hecho en extremo importantes como

Repaso de conductores, aisladores y semiconductores Todos los materiales se pueden clasificar como conductores, aisladores o semiconductores. No existen lneas divisorias precisas. Tampoco hay conductores o aisladores perfectos. Empleamos los conductores y los aisladores en los lugares

11.1.

ti,

n

11,51.14

1

apropiados de las zonas

para ruvinr

la electricidad a donde deseamos y para mantenerla la fuera en las que no debe estar. 1. CONDUCTORES. Materiales que permiten el movimiento libre de muchos electrones.

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2. AISLADORES. Materiales que no permiten el movimiento libre de muchos electrones.

Por qu se usa el cobre como conductor? Qu hace un buen aislado'? Describa algunos aisladores comunes que haya visto. 6. El vidrio es mejor aislador que el hule. Por qu entonces, encuentra que el hule se usa muy comnmente como aislador? 7. Cules son las propiedades ms importantes de los semiconductores? 8. Haga una comparacin de los semiconductores con los conductores y los aisladores. 9. Son los aisladores tan importantes como los conductores en la electricidad? Por qu? 10. Elija un dispositivo elctrico comn con el que est familiarizado. Describa cmo se usan los conductores y los aisladores. Por qu se eligieron los materiales particulares que se usaron?

OBJETIVOS DE APRENDIZAJESECCION SIGUIENTE AvanceAhora que ya sabe acerca de los conductores y de los aisladores, puede aprender acerca de las cargas elctricas y la electricidad esttica. Aprender en la siguiente seccin la manera de generar y mover las cargas estticas y de que existen campos elctricos alrededor de un cuerpo cargado.

3. SEMICONDUCTORES. Materiales que cuando se hacen apropiadamente, funcionan corno un conductor o un aislador, dependiendo de la direccin del flujo de la corriente.

CARGAS DISTINTAS SE ATRAEN

4. BUENOS CONDUCTORES. La plata, cobre, aluminio, zinc, latn y hierro son los mejores conductores, enlistados en el orden de acuerdo con su habilidad para conducir. CARGAS IGUALES SE REPELEN

Cobre Aisladores 5. BUENOS AISLADORES. El aire seco. vidrio, cermica, mica, hule, plsticos y esquisto, estn entre los mejores aisladores, enlistados aproximadamente en el orden de acuerdo con su habilidad para aislar. Qu son las cargas elctricas? Ya se ha aprendido que los electrones viajan alrededor del ncleo de en tomo y que se mantienen en las rbitas por la atraccin de la carga positiva en el

Autoexamen Cuestionario de repaso 1. Qu hace un buen conductor? 2. Pueden otros materiales distintos de los metales ser conductores?

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nucleo Cuando se expulsa un electrn fuera de su rbita, culpo, es la accin del electrn se convierte en lo que se conoce corno electricidad. Los electrones que son expulsados fuera de sus rbitas de alguna manera, producirn una escasez de electrones en el material que abandonan y un exceso de electrones en la zona que ocupan. A este exceso de electrones se le llama carga negativa y al dficit de electrones se le llama carga positiva. Cuando estas cargas existen y estn en reposo, se tiene lo que se llama electricidad esttica. Para producir ya sea una carga positiva o una negativa, el electrn se debe mover mientras que las cargas positivas en el ncleo estn en reposo. Cualquier mterial con una carga positiva tendr su nmero normal de cargas reas iesT erEaror Sin embargo-,u-iimaterial elInnen peto- tendr---un- dficit o-perdidade negativamente cargado tiene en realidad un exceso de electrones. La electricidad estticaneral con los materiales no conductores, ya que si fueran conductores, los electrones libres o Cargas negativas podran retroceder con facilidad hacia las cargas positivas y el material sera neutro o sin carga. Se est ahora en condiciones de saber cmo el frotamiento puede producir este exceso o dficit de electrones para producir electricidad esttica.

tendr 1111:1 carga positiva. SI ION materiales son conductores, los electrones se moVCI u l c o n libertad y las cargas sern rpidamente neutralizadas. Sin embargo, si los materiales son aisladores, entonces las cargas se mantendrn separadas en los dos materiales. Cuando. dos materiales se frotan entre s, algunas rbitas electrnicas de la superficie de los materiales se entrecruzarn y un material puede ceder electrones al otro, debido a la friccin por contacto. Si esto sucede, se generan cargas estticas en los dos materiales, y por tanto, ha sido el frotamiento la fuente de una carga elctrica. La carga podra ser positiva o negativa, dependiendo de cul sea el material que cede electrones con ms facilidad. Algunos materiales que generan electricidad esttica ms fcilmente son el vidrio, mbar, ebonita, cera, franela, seda, rayn y nylon. Cuando la ebonita es frotada con piel, sta cede electrones a la varilla la varilla se carga en forma negativa y la piel positivamente . Cuando se frota el vidrio con seda, la varilla de vidrio pierde electrones la varilla se carga en forma positiva y la seda negativamente. Se hallar que una carga esttica puede pasar de un material a otro sin frotamiento, pero la fuente original de estas cargas estticas sera el frotamiento.

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+LAS CARGAS Y LOS ELECTRONES ESTAN PRESENTES EN CANTIDADES IGUALES EN LA VARILLA-Y EN LA PIEL,11

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Sorra DescargadaNEUTRA

Piel Varilla de ebonita

00 00 0 00 00 000 O 00 00 00 00 Carga &Wire o 00 O 00000 00000 00EXCESO DE ELECTRONES

Carga PositivaDEFICIT DE ELECTRONES

1

LOS ELECTRONES PASAN DE LA PIEL A LA VARILLA Atraccin y repulsin de cargas elctricas

Cargas estticas por friccin Usted ha estudiado al electrn y el significado de las cargas positivas y negativas, as que ahora se encuentra en condiciones de saber cmo se producen estas cargas. La fuente principal de la electricidad esttica es el frotamiento. Si se fro, tan dos materiales distintas entre s, los electrones pueden ser expulsados de sus rbitas en uno de los materiales e incorporarse al otro. El material que capta los electrones tendr entonces una carga negativa y el material que perdi electrones

Cuando los materiales estn cargados con electricidad esttica, se comportan de una manera distinta. Por ejemplo, si coloca una esfera con carga positiva cerca de otra con carga negativa, ambas se atraen entre s. Si las cargas son suficientemente grandes y las esferas son ligeras y tienen libertad para moverse, se pondrn en contacto. Ya sea que se puedan mover o no, habr siempre una fuerza de atraccin entre cargas distintas. Si se acercan dos nciateriales de cargas opuestas, el exceso de electrones de la carga negativa pasar al material que tiene un dficit de ellos. A este paso o

ww..~1~~~.1,1 1 'MAN 113,1q, I III( AS

32

ELECTRICIDAD BASICA I

33

traslado de electrones desde una carga negativa a na positiva se le llama descarga y representa por definicin un flujo de corriente. Usando dos esferas con el mismo tipo de carga, ya sea positiva o negativa, se hallar que se repelen mutuamente.

CARGAS DISTINTAS SE ATRAEN

re dos c lie] pos cargadosr. oporcional a la cantidad de carga presente en ambos dividida entre el cuadrado de' la distancia que las separa. Por tanto, si la carga es mayor en nuestros materiales, la atraccin o repulsin entre ellas ser mayor; si la distancia a que separamos los dos cuerpos cargados es mayor, entonces la influencia que ejerce uno sobre el otro ser menor. ..** El campo elctrico alrededor de una carga se representa generalmente por medio de lneas a las que se les llama lneas de fuerza electrosttica. Estas lneas son imaginarias y se emplean park mostrar el sentido y la intensidad del campo. Por tanto, nos ayudan a comprender lo que sucede cuando estos campos interactan. para evitar---confusin,....las_ lneas_111._fuerza,---143---una_carga-Eositiva_se_muestranc uerpos,

siempre_sahendo de la carga y las lneas de fuerza de una carga negativa, entran, do en ella. n

LEY DE COULOMB

DICE QUE LA ES PROPORCIONAL A LA

CARGAS IGUALES SE REPELEN

Campos elctricos Usted ya se ha enterado de que las cargas iguales se repelen y que las cargas distintas se atraen. Ya que esto sucede cuando los cuerpos cargados estn separados, esto debe significar que hay un campo de fuerza que rodea a las cargas y que el efecto de atraccin o repulsin es debido a este campo de fuerza. A este campo de fuerza se le llama campo elctrico de fuerza. Tambin se le llama en ocasiones campo electrosttico o campo dielctrico ya que puede existir en el aire, vidrio, papel, en un vaco o cualquier otro dielectrico o material aislante. El cientfico francs Charles A. Coulomb, estudi estos campos en el siglo xviii y hall que stos se comportan de una manera predecible de acuerdo con lo que ahora Ten, rrywintnh Su lev establece aue li-'fuerza de atraccin o repulsin

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34 ELECTRICIDAD BASICA I SI he pusiera tul euliliwto mut varilla cargada positivamente con tIllikit barra (h. descargada que est sujeta sobre un aislador, sta atraer electrones de la ha1 l a hacia el punto de contacto. Algunos de estos electrones abandonarn la burra y entrarn a la varilla, causando que la barra se .cargue positivamente y que Ilsminuya la carga positiva de la varilla. Cuando un objeto cargado hace contacto ron un objeto descargado, ste pierde una parte de su carga. De manera similar, sucede lo contrario cuando se comienza con una barra cargada negativamente.

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LINEAS DE FUERZA

Impartiendo Carga Positiva por Contacto a una BarraVARILLA CON CARGA POSITIVA A PUNTO DE TOCAR LA BARRA DESCARGADA

O 00 00 O 0 00 00 O

ZO 00 00 ODPOSITIVA NEGATIVA LOS ELECTRONES SON ATRAIDOS POR LA CARGA POSITIVA

Usando el concepto de lneas de fuerza, se puede comprender ahora grficamente por qu las cargas iguales se repelen y las cargas distintas se atraen.

LOS ELECTRONES ENTRAN EN LA VARILLA CUANDO ESTA TOCA LA BARRA

00CARGAS IGUALES SE REPELEN CARGAS DISTINTAS SE ATRAENAHORA LA VARILLA TIENE MENOS CARGA POSITIVA

O 0

0

00 00 00 00 CO 00 0 OAHORA LA BARRA METALICA TIENE CARGA POSITIVA

Transferencia de cargas elctricas por induccin Observe gue todas las lneas de fuerza terminan sobre el cuerpo cargado. Transferencia de cargas elctricas por contacto La mayora de cargas electrostticas se deben al frotamiento. Si un objeto tiene una carga esttica, afectar a otros objetos cercanos. Esta influencia puede ser ejercida por contacto o por induccin. Las cargas positivas representan un dficit de electrones y siempre atraen electrones, mientras que las cargas negativas representan un exceso de electrones y siempre los repelen. Usted ya ha visto lo que sucede cuando pone en contacto una barra de metal con una varilla cargada positivamente. Parte de la carga de la varilla se transmite y la barra se carga. Suponga que en vez de tocar la barra con la varilla, slo las acerca. En ese caso, los electrones de la barra sern atrados a la zona cercana a la varilla, haciendo que se induzca una carga negativa en esa zona. El lado opuesto de la barra carecera otra vez de electrones y se cargara positivamente. Entonces existiran tres cargas, la carga positiva en la varilla, la carga negativa de la barra en la zona cercana a la varilla y una carga positiva de la barra del lado

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opuesto a la varilla. SI liaremos (11C ION Muer:unes de una fuente ex (vi (dr su dedo, por ejemplo) entren en el extremo positivo de la barra, se le puisle proporcionar una carga negativa. A este mtodo de transmisin de carga se le llama induccin porque la distribucin de carga es inducida ms bien por la presencia de la varilla que por un contacto real.

Impartiendo Carga Negativa a una Barra por Induccin0.= GO 00 0 O 0170= 00 00 00 0 Ct-AX) 00 OLOS ELECTRONES SON ATRAIDOS POR LA VARILLA CARGADA

materiales hire temente carmados, vieri ones i t u r t i,, I I saltar desde a rga ilegal va 1.1 I a l ga positiva antes de que los niatei iales se pongan en ,1 )11(411 0 Vil ese caso , se obset vara realmente la descarga en forma de arco. Con luxas muy intensas, la electricidad esttica se puje descargar a travs de gran(les es p acios, produciendo arcos de muchos pies de longitud. Aunque la electricidad esttica tiene un uso prctico limitado, su presencia l lul de ser desagradable y aun peligrosa si se descar ga a travs de un arco. Usted loorablemente ha experimentado la acumulacin de carga esttica en un da seco y de tener- un sacudimiento desagradable al tocar un objeto de metal. Los automviins y camiones pueden generar cargas estticas por el frotamiento de sus llantas borne el asfalto. Tambin lo pueden hacer los avion es por la friccin de su movimiento a travs del aire. Cuando un vehculo o camin transporta un lquido inflamable tal como la gasolina o un avin se est reabasteciendo de combustible, oil la carga esttica acumulada se fuera a descargar en un arco, esto sera motivo dr un incendio o explosin. Para prevenir que esto suceda, los camiones de com lima lides llevan una cadena o un fleje impregnado de metal que est conectado a la estructura y carrocera a tierra para descargar continuamente la carga acumulada. Los aviones se conectan a la tierra por medio de un barrilete a tierra antes de reabastecerse de combustible.l'II NO OHM'

DESCARGA DE CARGAS ESTATICAS

LOS ELECTRONES SALEN DEL' DEDO Y ENTRAN EN LA BARRA

CIO 00 00 COIZ> COID 4110 00 O O 00000000SE RETIRA EL DEDO. LAS CARGAS POSITIVAS Y NEGATIVAS ESTAN NEUTRALIZADAS EN SU MAYORIA

A TRAVES DE UN CONDUCTOR

O 00 00 CO GO O SE RETIRA LA VARILLA O 00000000 O Y QUEDA UN EXCESO DE ELECTRONES CO 00 00 OD ODescarga de cargas elctricas Siempre que dos materiales tengan cargas opuestas y se coloquen cerca uno del otro, el exceso de electrones del material cargado negativamente, ser atrado hacia el material de carga positiva. Tendiendo un alambre (conductor) entre un material y otro, se ofrecer una va para que los electrones de la carga negativa pasen a la carga positiva, de manera que las cargas se neutralizarn. En vez de conectar los materiales con un alambre, se puede hacer que se toquen (contacto) y las cargas desapareceran nuevamente.

POR CONTACTO

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ASANICA

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39

65,501/414 PELIGROBarrilete a tierra

7. CAMPO ELECTRICO. Campo de fuerza que rodea a un cuerpo cargado.

8. CARGA POR CONTACTO. Transferencia de carga de un material a otro por contacto directo. 9. CARGA POR INDUCCION. Transferencia de carga de un material a otro sin contacto real. 10. DESCARGA POR CONTACTO. Electrones que pasan de una carga negativa a una positiva por contacto.

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Conexin a tierra

11. DESCARGA POR ARCO. Electrones que pasan de una carga negativa a una positiva mediante un arco. 12. LEY DE COULOMB. La fuerza de atraccin o repulsin es proporcional a la cantidad de carga de cada cuerpo e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. latoexamen Cuestionario de repaso I. Definir una carga negativa y una carga positiva. 1. CARGA NEGATIVA. Exceso de electrones. 2. CARGA POSITIVA. Escasez de electrones. 3. REPULSION DE CARGAS. Cargas iguales se repelen. 4. ATRACCION DE CARGAS. Cargas distintas se atraen. 5. ELECTRICIDAD ESTATICA. Cargas elctricas en reposo. 6. CARGA POR FRICCION. Carga producida por el frotamiento de un material con otro. 2. Cules son las reglas para la atraccin y repulsin de las cargas? 3. De acuerdo con la ley de Coulomb. Qu pasa con la fuerza de atraccin o repulsin cuando la distancia se acorta a la mitad? 4. Cul es el concepto que empleamos para explicar la fuerza entre dos cuerpos cargados? 5. Describa, usando diagramas, lo que sucede cuando se usa una varilla cargada negativamente para cargar una barra de metal por contacto. 6. Describa, usando diagramas, lo que sucede si se usa una varilla cargada negativamente para cargar una barra de metal por induccin. 7. Describa dos maneras en que se puede descargar un par de cuerpos cargados. 8. Suponga que tiene dos cuerpos, uno con carga negativa y el otro con una carga positiva que es el doble de la del otro. Cul es la carga de cada cuerpo despus de que se han descargado uno a otro? 9. Cul es la finalidad de la solera a tierra en los camiones de gasolina? 10. Qu es el relmpago?

El relmpago es un ejemplo de descarga de electricidad esttica generada por la friccin entre una nube y el aire circundante. Como probablemente sabe, la energa en el impacto de un relmpago es enorme. Los objetos estacionarios, como las casas, se pueden proteger de los efectos del relmpago por medio de un pararrayos que disminuye al mnimo la carga ( ) de atraccin en la vecindad de la casa. Repaso de cargas elctricas

54 At. N U. 1 PIM

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1,1 11 1 11 It 11,A1,

11ANICA 1

0.1 11,111101.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJESECCION SIGUIENTE AvanceUno de los efectos ms importantes de la electricidad es el de la generacin de los campos magnticos. Para saber acerca de la electricidad, se debe saber acerca del magnetismo. En la seccin siguiente, se conocern las propiedades y el comportamiento de los imanes.

de sus hube, ,Iptinfitra hacia el norte. Los trozos de magnetita SUNde un cordel se llamaban piedras guas significando piedra que gua y demos las emplearon como brjulas rudimentarias para viajar por el desierto ms de dos mil aos. En los primitivos viajes de exploracin los marinos dizaban brjulas rudimentarias de navegacin. Siendo la Tierra misma un grande imn natural, la accin de un imn natural id girar hacia el norte se debe al magnetismo de la Tierra.,1111' 11111)

SROJUt$S ANTIG(MS "A -51k

NORTE/SUR (EN CHINO) Vt1 anes permanentes Al emplear imanes naturales, se descubri que un trozo de hierro adquirira magnetismo al tocar al imn natural, formndose un imn artificial. Los imanes artificiales tambin se pueden hacer mediante electricidad y para los imanes ms potentes se pueden usar otros metales aparte del hierro. Los mejores imanes son los que estn hechos con aleaciones que contienen nquel y cobalto y se usan por lo neneral para imanes potentes.

( `19

Imanes naturales En la antigedad, los griegos -descubrieron que cierta clase de piedra, que encontraron originariamente cerca de la ciudad de Magnesia en Asia Menor, tena la propiedad de atraer y recoger trozos de hierro. La piedra que descubrieron era en realidad un tipo de mineral de hierro llamado magnetita cuyo poder de atraccin se denomina magnetisn.,Y. A las rocas que contienen mineral con este poder de atraccin se les llaman cenes naturales. Los imanes naturales tuvieron poco uso hasta que se descubri que un imn montado de manera que pudiera girar libremente siempre rotara sobre s mismo

Imn de hierro

Imn

FUERZA DE IMN

de acero

IMN NATURAL

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ivineNviiiimo 4 Actualmente, se hacen muchos imanes potentes y barato In/ :urdando hierro o partculas de aleaciones en cermica o plstico. Una gran ventaja (Ir este tipo de imanes es la de que se pueden hacer con facilidad en casi toda% las formas y tamaos deseados.

I

POLOS MAGNETICOS

fsicos nos explican que los electrones que giran en rbita alrededor del un, leo de un tomo crean un campo magntico en todos los tomos. En la mayor ~e de los materiales, los electrones se mueven en direcciones distintas y sus 1111 0 405 se anulan de manera que sus tomos individuales tienen un campo magoci ico (resultante) nulo. Aun la mayora de los tomos con un nmero de elecI "nl'S impar son no magnticos, ya que estos tomos estn ordenados en grupos du billones de tomos llamados dominios; y estos tomos estn dispuestos aleaI bullente, as qe hay un campo magntico (resultante) nulo (aunque un ' nano individual con un nmero de electrones impar puede ser magntico). En materiales magnticos, no todos los tomos se oponen unos a otros en su rbita, duo que en realidad se suman, de manera que cada dominio se encuentra fuertemente magnetizado. En el material magntico desimantado, estos dominios estn ol tentados al azar, as que los campos magnticos de cada uno estn en todas dilecciones y por tanto hay un campo (resultante) nulo. Cuando, sin embargo, int :tinos el material con otro imn o por otros medios, alineamos todos los dominios en una direccin, de manera que los campos magnticos se suman y la barra Imanta.

El hierro se imanta con mayor facilidad que otros materiales, pero tambin se desimanta con facilidad, de manera que a los imanes de hierro dulce se les llama imanes temporales. Los imanes de aleaciones de acero conservan su magnetismo por un lapso mayor y se les llama imanes permanentes. Los efectos magnticos de un imn parecen concentrarse en dos puntos, generalmente en los extremos del imn. Estos puntos se llaman polos del imn siendo uno el polo norte y el otro el polo sur. El polo norte se encuentra en el extremo del imn que apuntara hacia el norte si pudiese girar libremente, mientras que el polo sur es el extremo opuesto. Los imanes se hacen de distintas formas, tamao y potencia. Los imanes permanentes por lo comn se fabrican con una barra de aleacin de acero, ya sea recta con los polos en los extremos o doblada en forma de la herradura usual, con los polos a los lados opuestos de la abertura. La naturaleza de los materiales magnticos El magnetismo es una propiedad que muestra slo algunos tipos de materiales, por ejemplo el hierro, cobalto, nquel y las aleaciones que contienen estos materiales. Dos cuestiones que usted se podra preguntar son: (1) por qu slo algunos materiales muestran propiedades magnticas?, y (2) por qu dichos materiales se deben imantar para convertirse en imanes? Puede obtener respuesta a todo esto observando lo que sucede si toma una barra de imn y la divide en partes.

DESIMANTADA Orientacin dispersa

Podemos observar de esto, que un imn permanente es aquel en el cual una Vez que los dominios han sido alineados se mantienen de esta manera; y un imn tmporal es aquel en el que los dominios regresan a su alineacin aleatoria original cuando se ha retirado la fuente que los ha alineado. campos magnticos Los campos y las fuerzas magnticas, as como los campos y fuerzas electrostticas son invisibles y slo se pueden observar en base a los efectos que producen. A pesar de esto, la interaccin de los campos magnticos entre s y con los conductores que se mueven a travs de ellos, sg encuentran entre los aspectos ms iinportantes para la electricidad, ya que estos efectos se emplean para generar la mayor parte de la electricidad que usamos y proporcionan la potencia derivada de la electricidad. El campo magntico alrededor de un imn se puede explicar mejor como lneas de fuerza invisibles que salen del imn por un punto y entran en el mismo por Vtro. A estas lneas de fuerza invisibles se les debe llamar lneas de flujo y a la forma del rea que ocupan se le denomina diagrama de flujo. Al nmero de lneas de flujo por unidad de rea se le llama densidad de flujo. Cuando la densidad de lujo se mide en lneas por centmetro cuadrado, usamos la unidad de densidad de flujo llamada gauss, denominada as debido a Carlos Federico Gauss fsico del siglo xvin que investig el magnetismo. A los puntos por los cuales entran y salen las lneas de flujo se les llaman polos. Un circuito magntico es la trayectoria que siguen las lneas de fuerza.

Si as lo hizo, hall que cada pieza era un imn, pero por supuesto mucho ms dbil. Si hizo lo mismo con una barra desmagnetizada del mismo material, obtuvo piezas pequeas de material desimantado. Y, sin embargo, si dividiera la barra en piezas muy pequeas constituidas de slo unos pocos billones de tomos, hallara que estas piezas pequesimas, tanto las de la barra imantada como las de la desimantada, tendran propiedades magnticas.

44 ELECTRICIDAD BASICA

MAGNI...11?-11\141 A:1

Lneas de fuerza

los polos Iguales se repelen y las cargas o los polos distintos se atraen. Las leyes de lit:accin y repulsin son las mismas que para las cargas elctricas esto es, la fuerza de atraccin o de repulsin es proporcional a las fuerzas de los polos e I nt t'ES a mente proporcional a la distancia que los separa. La accin de atraccin o de repulsin de los polos magnticos entre s, se debe al campo magntico alrededor del imn. Como ya se ha explicado, el campo magntico invisible est representado por lneas de fuerza que salen del imn en el j udo norte y entran al mismo por el polo sur. Las lneas viajan del polo sur i polo norte dentro del imn, de manera que una lnea de fuerza es continua y uniforme. Una de las caractersticas de las lneas de fuerza magntica es la de que se loa lazan entre s, sin cruzarse ni tocarse jams. Si se colocan dos campos naagniii os, uno cerca de) otro, segn se 'ilustra en los dos imanes de la figura de abajo, ln campos magnticos no se combinan sino que se reforman, dando un diagrama de flujo distorsionado. (Obsrvese que las lneas de flujo no se cruzan entre s.)

CAMPO MAGNETICOSe puede visualizar el campo alrededor de un imn usando limaduras de hierro, pues stas se imantan debido al campo del imn y por tanto se alinearn a lo largo de las lneas de fuerza. Si coloca una hoja de papel o plstico por encima de un imn y entonces disemina las limaduras de hierro sobre el papel, hallar que stas se ordenarn en una serie de lneas que no se cruzan y que terminan en los polos del imn. La concentracin de las limaduras nos dar una indicacin de la intensidad del campo magntico en los diversos puntos alrededor del imn.Revelando el campo "magntico'con de hierro Limaduras de, hierro

Ejemplo de lneas de flujo ,que no se cortan'Cino se disponen :las tiznaduras de hierro

Si acerca los stos. Si acerca polo norte cerca nticos son muy

polos norte de dos imanes, sentir una fuerza de repulsin entre los polos sur tambin habra repulsin, pero si se aproxima un de un polo sur, existir una fuerza de atraccin. Los polos magparecidos a las cargas estticas en relacin a esto. Las cargas o

No se conoce aislante alguno para las lneas de fuerza magntica. Se ha conal aohado que las lneas de flujo atraviesan todos los materiales. Por lo que, la mayora de los materiales, excepto los magnticos no producen efecto alguno sobre los campos magnticos. Los conductores, los aisladores, el aire o incluso un vaco, nu afectan a los campos magnticos. Sin embargo, stos pasan ms fcilmente pan materiales que por otros. Este hecho permite que las lneas de flujo se puedan concentrar en donde se les usa y hacerlas pasar alrededor de una zona 11 instrumento. En la pgina anterior se ha mencionado que las lneas de fuerza magntica atraviesan ciertos materiales con mayor facilidad que otros. Se dice que los materiales (pue no dejan pasar las lneas de flujo con tanta facilidad o que parecen dificultar el paso de stas, tienen una- reluctancia alta comparativamente a los campos magnticos. Los materiales que dejan pasar o que no obstaculizan la corriente de las lneas de flujo se dice que tienen una reluctancia baja comparativamente los campos magnticos. Las lneas de fuerza magntica siguen el camino de menor reluctancia; por viajan con mayor facilidad a travs del hierro que en el aire. Dado que el aire tiene una reluctancia mayor que el hierro, la concentracin del campo magntico se hace mayor en el hierro (en comparacin con el aire) porque en Attle, la reluctancia es menor. En otras palabras, el agregado de hierro a un circuito magntico concentra el campo magntico que se est utilizando.

AGN E I

46 ELECTRICIDAD BANIC A A1,

ILASICA

1MOVIENDO EL ALAMBRE HACIA ADELANTE Y ATRAS JUNTO .A UN IMAN

COMO

PItOltlleli Y SIC ilmi . 1,1gA LA

11.

11.I 1,111' I II 14 I uAii7

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MOVIENDO EL IMAN JUNTO AL CABLE

EL IMN EN REPOSO

CABLE QUE SE DESPLAZA EN CIRCULO ALREDEDOR DEL IMAN

Para emplear el magnetismo con el fin de producir electricidad, se puede mover un campo magntico a travs de un conductor o mover ste a travs de un campo magntico. En ambos casos, lo que produce la electricidad es el corte transversal de las lneas de flujo o de fuerza por el alambre. Sin embargo, para una fuente continua de electricidad, se necesita mantener un movimiento continuo del conductor o del campo magntico. Para proporcionar un movimiento permanente, habr que desplazar continuamente hacia adelante y atrs al conductor o al campo magntico. Una manera ms prctica, es hacer que el conductor viaje en forma circular a travs del campo magntico. Este mtodo de producir electricidad el del conductor que viaja circularmente a travs de los imanes constituye el principio de un generador de electricidad (dinamo) y es la fuente de la mayor parte de la electricidad que se usa como energa elctrica. Ya que la electricidad se produce por el corte de las lneas de flujo por el alambre, se puede cambiar la cantidad de electricidad producida cambiando la intensidad del campo magntico o cortando ms lneas de flujo con el conductor en un periodo menor. Para aumentar la cantidad de electricidad que se puede producir moviendo un conductor junto a un imn, se podr aumentar la longitud del conductor que

pasa a travs del campo magntico, utilizando un imn ms potente o mover el Inductor con mayor rapidez. La longitud del conductor se puede aumentar arrollndolo varias veces para formar una bobina. Moviendo la bobina junto al imn acusar en el instrumento una desviacin mucho mayor que la que se produce un un solo conductor. Cada vuelta adicional de la bobina agregar una cantidad de electricidad igual a la de un solo conductor.

BOBINA . DE ALAMBRE QUE SE MUEVE JUNTO AL IMAN

Moviendo una bobina o un trozo de conductor junto a un imn dbil, se produce un flujo de electrones dbil. Moviendo la misma bobina o trozo de conductor a la misma velocidad junto a un imn potente, se produce un flujo de olectrones mayor, segn lo indica la desviacin de la aguja del instrumento.

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IIANICA 1

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Aumentando la velocidad del movimiento tambin se prodm c oo \ i i tolo de electrones. En la produccin de corriente elctrica, la cantidad dc (itu sale de un dinamo, por lo general se regula modificando, (1) la potencia del imn o (2) la velocidad de rotacin de la bobina. Usted examinar posteriormente con gran detalle cuando estudie los generadores cmo el magnetismo produce electricidad. AUMENTANDO LA VELOCIDAD DE LA BOBINA DE ALAMBRE JUNTO AL IMN,

SIN

FLUJO DE CORRIENTE

SI SE SUSPENDE LA CORRIENTE, EL CAMPO VIAGNETICO DESAPARECE

USANDO' UN IIIAN MAS POTENTE

Magnetismo producido por electricidad Los campos magnticos se pueden crear recprocamente, por medio de la electricidad, tal como se le puede esperar, pues ya sabe que se puede producir electricidad por magnetismo. Cualquier conductor que transporta una corriente actuar como un imn y en realidad lo es. Si el alambre se enrolla en forma de bobina, el imn ser ms potente. Tambin se le puede hacer ms potente si aumenta la

corriente. Ya que el campo magntico depende del flujo de corriente; si sta se suprime, no existir tal campo magntico. A los imanes temporales de este tipo se les llama electroimanes y al efecto producido electromagnetismo. El electromagnetismo es tan importante en su estudio de la electricidad que la siguiente seccin se designa por completo a este tema. Repaso de, cmo se produce la electricidad? La electricidad es la accin de los electrones que han sido expulsados de sus orbitas normales alrededor del ncleo de un tomo. Para expulsar a los electrones de sus rbitas, de manera que se puedan convertir en fuente de electricidad, se requiere de cierto tipo de energa. Se pueden emplear seis tipos de energa:

1. FROTAMIENTO. Electricidad produ_ cida frotando dos materiales.

FLUJO DE CORRIENTE

UN ALAMBRE QUE CONDUCE UNA CORRIENTE PRODUCE UN CAMPO MAGNTICO

2. PRESION. Electricidad producida aplicando presin a un cristal de ciertos materiales.

LIMADURAS DE HIERRO

3. CALOR. Electricidad producida calentando la unin de un termopar.

82

WAD IlAblICA 1

4. LUZ. EleetriCidad I que llega a los Juman Vehculos espaciales

ot .40m ida

5. ACCION QUIMICA. Electricidad producida por la reaccin qumica dentro de una pila elctrica.

4. ACCION QUIMICA. La electricidad puede producir la descomposicin de los compuestos qumicos. Este es el principio que hay detrs de las pilas secundarias que se usan para los acumuladores. Tambin es la base para el electrochapeado y la accin electroltica.

6. MAGNETISMO. Electricidad producida por el movimiento relativo de un imn y un conductor, de manera que se corten las lneas de fuerza. La cantidad de electricidad producida depender de: (a) el nmero de vueltas de la bobina; (b) la velocidad a que se efectan los movimientos relativos de la bobina y el imn; (c) la potencia del imn. Repaso de, cmo se emplea la electricidad? La electricidad o flujo de corriente, la empleamos todos para efectuar numerosas tareas en todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, como tambin de algunas otras maneras que no son muy evidentes. Cuando se emplea la electricidad se convierte generalmente en una forma til de energa. 1. PRESION. Si se aplica una diferencia de potencial entre las caras de ciertas clases de cristales, como la sal de Rochele, el cristal se distorsionar y producir presin o movimiento mecnico. Este es el principio que se aplica en los audfonos. 2. CALOR. Cuando la corriente fluye a travs de un conductor imperfecto, una parte de la energa es gastada por el paso de los electrones. Esta energa se manifiesta en forma de calor. Los malos conductores que no se derriten fcilmente, como el alambre de nicromio, se usan como piezas para los calentadores. 3. LUZ. Cuando se hace pasar suficiente corriente a travs de un conductor, ste puede llegar a alcanzar el calor blanco o incandescencia. Esta es la forma en que funciona nuestro foco de luz comn, el cual produce tanto luz como calor. Para evitar que el filamento (alambre caliente) se queme, se le encierra dentro de una lmpara con gas inerte. La electricidad tambin se puede producir por electroluminiscencia, fosforescencia y fluorescencia.

5. ELECTROMAGNETISMO. El paso de corriente a travs de un conductor produce un campo magntico alrededor del mismo siempre que la corriente est fluyendo. Este es el efecto del electromagnetismo.Limaduras de hierro

Autoexamen Cuestionario de repaso 1. Cules son las seis fuentes comunes de la electricidad? 2. Cul de estas fuentes es la ms importante? La menos importante? Por qu? 3. Describa cmo se construye un termopar y cmo funciona. 4. Cules son los tres componentes necesarios para cada una de las pilas de una batera? 5. En qu se diferencia una pila primaria de una secundaria? En qu se parecen? 6. Cul es el smbolo para el diagrama de circuito de una pila? . Para una batera? 7 Cul es la diferencia entre una pila y una batera? 8. Describa el principio bsico relacionado con la generacin de la electricidad por magnetismo. Qu es lo que determina la cantidad de electricidad producida? 9. Qu es lo que hara para aumentar o disminuir la cantidad de electricidad producida por magnetismo? 10. Cul es el principio comn que est relacionado con la generacin de electricidad por medio de cualquier fuente? 11. Cules son los cinco mayores efectos producidos por la electricidad? 12. Cmo funciona una lmpara incandescente? 13. Por qu el flujo de corriente en los conductores produce calor? 14. Qu sucede con las limaduras de hierro que se colocan cerca de un conductor o bobina que est conduciendo una corriente? Por qu? 15. Qu sucede con las limaduras de hierro de la pregunta 14 cuando si. suprime la corriente? Por qu?

ittl~ auzumanna 0,1111110miana 1111M11111111111111 Mrla 11111111111111 nal

IIASICA I

v11 U 111()IIN.NI , 111.11\11

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE SECCION AvanceAprendi anteriormente acerca del magnetismo y solo'. gunos de sus efectos. Ahora sabr acerca de un tipo de imn muy importante llamado electroimn. El electromagnetismo es uno de los efectos ms importantes de la electricidad como ver cuando avance en su estudio.

Tambin ha aprendido que sta es la manegeneralizada de producir electricidad para el hogar, la industria, los 11,i1 os, etc. Tambin aprendi que la electricidad puede generar magnetismo. En 141011 seccin ver por s mismo, cmo se realiza esto con exactitud..11111VIVNII 1111 e:1111110 111.1glItiCO.1,1

111.1N

Se han empleado anteriormente imanes permanentes para producir un flujo corriente elctrica. Se ha visto que se puede generar ms electricidad aumenhuido el nmero de vueltas del conductor, la velocidad del movimiento de la bobina y la potencia del campo magntico. Las primeras dos cosas son fciles de hacer l'II una dinamoelctrica prctica, pero es sumamente difcil incrementar la poi."nl'ill de un imn permanente ms all de ciertos lmites. Para poder producir 1 1.indes cantidades de electricidad se debe utilizar un campo magntico mucho Mas potente. Esto se logra, como se ver en este tema, mediante un electroimn. 0.0s electroimanes funcionan en base al sencillo principio de que se puede crear 1111 campo magntico haciendo pasar una corriente elctrica por una bobina de tdainiare. Como se sabe, los electroimanes se distinguen de los imanes permanentes vn que slo son magnticos cuando se suministra una corriente. campos magnticos en torno a un conductor Un campo electromagntico es un campo magntico producido por el paso de riente en un conductor. Siempre que hay flujo de corriente, existe un campo magntico en torno al conductor y la direccin de este campo depende del bentido del flujo de corriente. En el grabado aparecen conductores que transportan corriente en distintos sentidos. El sentido del campo magntico es contrario al de las agujas del reloj cuando la corriente circula de izquierda a derecha. Si el Ncutido del flujo de corriente se invierte, el sentido del campo magntico tambin m invierte, segn las figuras. En el corte transversal del campo magntico que rodea a los conductores, el punto situado en el centro del crculo, representa la cabeza de una flecha indicando que el flujo de corriente sale del papel hacia usted; la cruz representa la cola de la flecha indicando que el flujo de corriente entra en el papel alejndose.1r 1

ELECTROIMAN DE NUCLEO EN HERRADURA

INVIRTIENDO LOS CAMPOS

Electromagnetismo Ha aprendido anteriormente el hecho importantsimo de que se puede producir un flujo de corriente elctrica cuando se mueve una bobina de alambre de manera

gf----'

IPERMANENTE

CAMPOS MAGNETICOS ALREDEDOR DE CONDUCTORES QUE LLEVAN CORRIENTE

ELECTROIMAN~9/ \\

1

1111

0

Existe una relacin definida entre el sentido del flujo de corriente en un onductor y el sentido del campo magntico que lo rodea. Esta relacin se puede determinar aplicando la regla de la mano izquierda. Esta regla afirma que si un conductor de corriente se toma con la mano izquierda, con el pulgar apuntando en la misma direccin que el flujo de corriente de electrones, los dedos que

11,El"r1t1(1111A1) 11A %Ir A 1

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11I

lulors.IMMITININA.

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rodean al conductor indicarn el sentido de las lneas de fnet/ a dibujo se muestra cmo se aplica la regla de la mano iv.qiiiel el sentido del campo magntico que rodea a un conductor.fnr /a

lna

lora

En el&feo:Innio

REGLA DE LA MANO IZQUIERDA

PARA UN CONDUCTOR

Recuerde que la regla de la mano izquierda se basa en la teora electrnica del flujo de corriente (de negativo a positivo) y se le emplea para determinar el sentido de las lneas de fuerza de un campo electromagntico. Es fcil- demostrar con un experimento que en torno a un conductor por que circula corriente existe un campo magntico. Conecte en serie con un interruptor y una batera de pilas secas un alambre de cobre grueso. Doble el alambre de cobre, para que quede en pie verticalmente e insrtelo en el orificio de una

LIMADURAS DE HIERRO

boja de hiena /401t0V11111,1 1'11 IHIsiti011 horizontal. Cerrando el Interruptor se espin to l o subir 1. 1 Incita limaduras de hierro que tienen la propiedad de orientarse as I() largo de las lneas de fuerza en el campo magntico. Se dan unos golpecitos a la lucita para facilitar que las limaduras de hierro adquieran tal posicin. Si se efectu este experimento, ver entonces que las limaduras se disponen en crculos concntricos, demostrando que las lneas de fuerza magntica forman una figura circular en torno al conductor. Para probar que la figura circular o obedece en realidad al campo magntico, se podra abrir el interruptor y distribuir uniformemente las limaduras sobre la lucita, repitiendo la operacin. Cada vez o i ne pasa corriente por el circuito, las limaduras se disponen de tal manera que indican el campo magntico. Para demostrar experimentalmente el sentido del campo magntico alrededor ole un conductor por el que circula una corriente, se puede usar una brjula en lugar de las limaduras de hierro. La brjula no es otra cosa que una pequea barra imantada que se orienta ole acuerdo con las lneas de fuerza de un campo magntico. Se sabe a raz de la demostracin anterior que el campo magntico es circular. Por tanto, la aguja de la brjula siempre se orientar en ngulos rectos con respecto al conductor que conduce la corriente. q Si se quitan las limaduras de hierro de la lucita y se coloca en ella la brjula a unas dos pulgadas o cinco centmetros del conductor, se puede trazar el sentido del campo magntico que rodea al conductor. Cuando la corriente no circula, el polo norte de la brjula apuntar hacia el polo norte magntico de la Tierra. Al pasar corriente por el conductor, la aguja se orientar formando un ngulo recto con un radio que parte del conductor. Si desplaza la brjula alrededor del conductor, la aguja se mantendr siempre en ngulo recto con respecto a ste. Esto demuestra que el campo magntico que rodea a un conductor es circular. Aplica Ido la regla de la mano izquierda podr corroborar el sentido del campo onagnticu. que aparece indicado por la aguja de la brjula. El sentido en que los dedos rodean al conductor es el mismo que el polo norte de la aguja de la brjula.

BATERIA DE PILA SECA LUCITA ALAMBRE DE COBRE GRUESO

Campo magntico

-

CU

DETERMINACION DEL SENTIDO DEL CAMPO MAGNETICO UTILIZANDO N

S LA BRUJULA

Y LA REGLA DE LA MANO IZQUIERD

INTERRUPTOR

BRUJULA

LAS LIMADURAS DE HIERRO INDICAN LA FORMA CIRCULAR DEL. CAMPO MAGNETICO

Conductor que lleva corriente

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141A11 q M11 A 1

11 ,1.1 . 1 1111>MAI.N11.1111510

/0'1

SI se invierte el sentido de la corriente, la aguja de la Inunda apout,11.1 direccin opuesta, indicando que el sentido del campo magntico Me 1111 11~101(111 Aplicando la regla de la mano izquierda se confirmar esta observaelon Campos magnticos en torno a una bobina Los campos magnticos alrededor de una bobina de alambre son en extrenio importantes para muchas de las piezas del equipo elctrico. Una bobina de alambre que transporta una corriente se comporta como un imn. Si se dobla un trozo de conductor de alambre formando una espira, las lneas de fuerza que rodean al conductor, saldrn todas ellas por uno de los costados de la espira y entrarn por el otro. Entonces, la espira de alambre que conduce corriente har las veces de un imn dbil con su polo norte y su polo sur. El polo norte est en el lado en que las lneas de fuerza salen de la espira y el polo sur por el que entran en la espira. Si desea aumentar la potencia del campo magntico de la espira, puede arrollar el alambre varias veces segn se ve en la figura, formando una bobina como la que se muestra. Entonces los campos individuales de cada espira estarn en serie, formando un potente campo magntico dentro y fuera de la espira. En los espacios comprendidos entre las espiras, las lneas de fuerza estn en oposicin y se anulan las unas a las otras. La bobina acta como una potente barra imantada, cuyo polo norte es el extremo desde el cual salen las lneas de fuerza de la bobina.

,11, 1 e la /x11111111 l'II el mismo sentido que el flujo de corriente el pulgar apuntar liarla el polo norte de la bobina. Agregando ms vueltas a una bobina que conduce corriente se aumenta el '511111( . 1 . o de lneas de fuerza, haciendo que acte como un imn ms potente. Al aumentar la corriente tambin se refuerza el campo magntico. Los electroimanes potentes tienen bobinas de muchas vueltas y transportan toda la corriente que permite el calibre del alambre. Para comparar bobinas que tengan el mismo ncleo o ncleos similares, se lalliza una unidad que se denomina amper-vuelta. Esta unidad es el producto di la corriente en amperes por el nmero de vueltas del alambre.

AUMENTANDO EL NUMERO DE VUELTAS MENTA LA FUERZA DEL CAMPO imp

Campos magnticos alrededor de una espira y de una bobina

AUMENTANDO LA CORRIENTE AUMENTA LA FUERZA DEL CAMPO

Tambin existe una regla de la mano izquierda para determinar el sentido del Campo magntico de las bobinas. Si se colocan los dedos de la mano izquierda

Si bien la potencia del campo de un electroimn aumenta si se emplea un gran flujo de corriente y muchas vueltas para formar la bobina, estos factores no concentran al campo generalmente lo suficiente como para aprovecharlo en un dispositivo prctico. Para Tamentar todava ms la densidad de flujo, se inserta en la bobina un ncleo de hierro. Ya que,el ncleo de hierro ofrece una reluctancia (oposicin) mucho menor las lneas de fuerza que el aire, la densidad de flujo (concentratn) aumenta en forma considerable en el ncleo de hierro.

Norte

o

o

0AG EGAN DO UN NUCIE0 DF IIIURRO NItNTA LA DENSIDAD DF EL

REGLA DE LA MANO IZQUIERDA PARA BOBINAS

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11114 114A11

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1.1.1. 1111151 4.-111

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denior.trar ino es el campo magntico alrededor de una bobina (11e una corriente, tomando un trozo de alambre y dndole la forma de-uno bobina que Se hace pasar por algunos agujeros en una pieza de lucita de plstico. El resto del circuito es el mismo, como los que muestran en los campos magnetieos alrededor de un conductor. Cuando diseminamos limaduras de hierro sobre 1.1 lucha y se hace pasar corriente a travs de la bobina, dando unos golpecitos a la Incita har que las limaduras de hierro se orienten en paralelo a las lneas de fuerza. S as lo ha hecho, observar que las limaduras de hierro han formado el mismo diagrama que el de un campo magntico alrededor de una barra de imn.

Hec

t rtt t 111 a u I=1 A

SHUNT

1 A I= -

DISPOSITIVO MOVIL DEL FLUJO DE CORRIENTE EN UN AMPERIMETRO CON SHUNT AMPERIMETRO

Microampermetro

Aunque el dispositivo mvil bsico est calibrado a 0-1 mA, es comn tener el selector graduado de manera que la escala completa corresponda al valor del shunt. En el caso de arriba, la escala del medidor estara graduada de 0-1 A. Ampermetros de escala mltiple

Cmo convertir las escalas de un ampermetro? Las escalas de un medidor se pueden convertir usando imanes de distintas potencias o cambiando el nmero de vueltas de una bobina, ya que estos cambios alteraran la cantidad de corriente necesaria para una desviacin completa de la escala. Sin embargo, el alambre que se usa en la bobina siempre debe ser lo suficientemente grande para transportar el mximo de corriente para la escala a que est destinado el medidor; por tanto, cambiar el tamao del alambre slo sera prctico con escalas para pequeas corrientes, ya que un alambre grande no se puede emplear como una bobina mvil. Para mantener el tamao del alambre y el de la bobina pequeos, los dispositivos mviles de un medidor se encuentran por lo regular limitados a una escala de un miliampere o menos. Tambin, para usar un medidor para .ms de una escala, no es prctico cambiar el imn o la bobina cada vez que se cambie la escala. Para medir grandes corrientes, se usa un medidor de baja escala con un shunt, que es un alambre grueso que se conecta a travs de las terminales del me-

Ha visto que se puede modificar la capacidad del ampermetro mediante el empleo de shunts. La capacidad variar de acuerdo con el ndice de resistencia del shunt. Algunos ampermetros se fabrican con varios shunts internos y con un juego de interruptores que conectan en paralelo distintos shunts para medir corrientes diferentes. As, un slo dispositivo mvil se puede aprovechar como ampermetro de escala mltiple. El cuadrante del instrumento tiene una escala para cada capacidad. En el diagrama de la pgina siguiente aparece un ampermetro de capacidad mltiple sin escalas de 0-3, 0-30 y 0-300 A. Observe estas escalas en el cuadrante del instrumento. Cuando se emplea un ampermetro de capacidad mltiple para medir una corriente desconocida, siempre se usa primero la capacidad mxima, despus la que le sigue y as sucesivamente, hasta que la aguja se desplaza en la parte media de la escala. De esta manera podr tener la seguridad de que la corriente no es exagerada para la capacidad del instrumento, y jams sufrir la infortunada experiencia de quemar el dispositivo mvil o de que la aguja se doble contra el tope

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1,1 1, 1 11/4

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COMO

1A ,

RESISTENCIA

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11110.0211a1M511111

RESISTENCIA I GRANDE

CON RESISTENCIA CONSTANTE, DOBLE VOLTAJE = DOBLE CORRIENTE Los principios anteriores, que relacionan al flujo de corriente con la cantidad de resistencia en un circuito o el voltaje en un circuito, son de extrema importancia y bsicos para el estudio de la electricidad. Estudiaremos estos principios con mucho ms detalle posteriormente y los emplearemos a lo largo de nuestro estudio de la electricidad. Aun cuando todos los conductores tienen resistencia, encontrar muchas oraciones en que desear colocar una cantidad especfica de resistencia en un circuito. Los dispositivos que tienen valores conocidos de resistencia se llaman

BATERIA (Voltaje constante )

41~1 CORRIENTE GRANDE

BATERIA (Voltaje constante)

tar CORR/ENTE PEQUEA

128 LLEcTILICIIMO ItAtitCA I resistores, que se designan con la letra "R", y se muestran en los dlagramas dr circuito con el smbolo esquemtico de abajo.

LA RESIS'VENCIA COMO t;ONTIROL OPA. FLUJ o oi . , Conlo p oil

1211

RESISTENCIA

=R=

Suponga que conecta un alambre de cobre a una fuente de voltaje de un volt que ajusta la longitud del alambre hasta que la corriente a travs del mismo sea exactamente de un ampere. Entonces, la resistencia de esa porcin de alambre, es de un ohm con exactitud. Si se empleara alambre de otro material cualquiera hierro, plata, etc., hallara que el tamao y la longitud de alambre no son los mismos que para el cobre. Sin embargo, en cada caso se podra encontrar la longitud del alambre que permitiera exactamente el flujo de un ampere de corriente cuando se conecta a una fuente de voltaje de un volt, y cada una de estas longitudes tendran una resistencia de un ohm. Las resistencias para otras longitudes y tamaos se comparan con stas para un ohm y se expresan en ohms. La mayor parte de tipos de alambre comn tienen una resistencia ms den pequea. En consecuencia, se necesitara una pieza muy larga de alambre para obtener un resistor grande, Para obtener resistores grandes de tamao razonable, se usan alambres especiales llamados alambres para resistencia, o como comnmente se hacen para los circuitos electrnicos de material moldeado hecho con arcilla. De esta manera, es posible obtener una resistencia grande en una pieza pequea. Aunque encontrar con frecuencia que los valores de la resistencia estn dados en ohms, tambin hallar que en muchos casos se emplearn o indicarn valores grandes de las mismas. Usted considerar necesario en ocasiones, emplear valores fraccionarios pequeos de un ohm. Los prefijos aprendidos anteriormente micro, mili y kilo que se han empleado para el voltaje y la corriente, se emplean tambin de la misma manera para la resistencia. Tambin usaremos otro prefijo, fi meg, el cual, si se antepone a ohm, representa 1 000 000 de ohms; esto meg, megohm es igual a 1 000 000 t2. Las unidades de resistencia se convierten de la misma manera que las unidades de corriente o de voltaje. Sin embargo, usted tendr que aprender algunas nuevas abreviaciones, ya que k se usa frecuentemente para indicar kilohms y m o meg., para indicar megohms. Por tanto, 10 1(2 se indicaran como 10 k y 3.3 nn2 se indicaran como 3.3 m o bien 3.3 meg. CONVERSION DE UNIDADES DE RESISTENCIA

Unidades de resistencia Para medir la corriente se utiliza al ampere como unidad. Para medir el voltaje se emplea el volt. Estas unidades son necesarias para comparar corrientes y voltajes distintos. Tambin se necesita una unidad del mismo modo para comparar la resistencia de los distintos conductores. La unidad bsica de la resistencia es el ohm, que equivale a la resistencia que permitira exactamente el paso de una corriente de un ampere cuando se aplica un volt de fem a la misma. El ohm se abrevia con la letra griega 52 (omega). Cuando un volt produce un flujo de corriente de un ampere, la resistencia es de un ohm.

MICROHMS EN OHMS

OHMS EN MICROHMS

Corra el punto decimal seis cifras a Corra el punto decimal seis cifras la izquierda a la derecha 35 000 12 = 0.035 12 3.6 12 = 3 600 000 12

MILIOHMS EN OHMS

OHMS EN MILIOHMS

Corra el punto decimal tres cifras a Corra el punto decimal tres cifras a la izquierda la derecha 2 700 mV = 2.7 12 0.68 l2 = 680 m52

I.

in

fin I 414( 44 4 OMO FON 11101.

DI' I, 1 , 1.I/J 44

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I 44111111,1 1111,

13 i

130 taxertuctono limiten 1 KILOHMS EN OHMS 011MS EN K1L011MS Pu los circuitos electrnicos, estn hechos de una mezcla moldeada de carbn o Illa. 2. LA LONGITUD. Para un material dado que tiene un rea de seccin transversal constante, la resistencia total es proporcional a la longitud. Si una longilid dada del material tiene una resistencia de 3 entonces el doble de esta longitud tendr una resistencia de 6 12, una longitud tres veces mayor tendr una resistencia de 9 9, etc.

Corra el punto decimal tres cifras a Corra el punto decimal tres cifras a la derecha la izquierda 6.2 k 6 200 i2 MEGOHMS EN OHMS 47 000 i2 = 47 k OHMS EN MEGOHMSa

Corra el punto decimal seis cifras a Corra el punto decimal seis cifras la derecha la izquierda 2.7 m = 2 700 000 i2 Factores que controlan la resistencia 620 000. 12 ,g= 0.62 m.

Todos los materiales tienen alguna resistencia. En algunos casos sta es aceptable, por ejemplo, en donde se desea limitar deliberadamente el flujo de corriente y, por tanto, se usan elementos llamados resistores hechos con materiales seleccionados por sus propiedades de resistencia. En otros casos, la resistencia es una propiedad no deseada y por tanto usted la quiere mantener al mnimo, por ejemplo en el caso en que desea enviar una gran corriente a una carga y no quiere que est limitada por los conductores. Aprender ms acerca de las ventajas o desventajas de la resistencia en los conductores, posteriormente cuando estudie la potencia elctrica. Ahora veremos los factores que controlan la resistencia en un material. La resistencia de cualquier objeto, como la de un alambre conductor depende de cuatro factores del material de que est hecho, de la longitud del material del rea de la seccin transversal y por ltimo de la temperatura del material.

3. EL AREA DE LA SECCION TRANSVERSAL. El flujo de corriente se puede comparar al flujo del agua por un tubo. Sabemos que si ampliamos un tubo (aumentando el rea de la seccin transversal), fluir ms agua aun cuando la presin sea la misma. Existe una situacin similar respecto a un conductor; en ste, la resistencia disminuye si la seccin transversal aumenta. Si duplicamos la seccin transversal de un material a una longitud constante, la resistencia se reducir a la mitad. Si disminuimos la seccin transversal a la mitad, la resistencia se duplicar.emarii+

ALAMBRE DE COBRE ALTA TEMPERATURA

111111.111+COBRE NICROMIO C .... ALAMBRE DE COBRE BAJA TEMPERATURA

o

1121~~1. EL MATERIAL. Los distintos materiales tienen diferentes resistencias. Algunos, tales como la plata y el cobre, tienen una resistencia baja, mientras que otros como el hierro y el nicromio (una aleacin especial de nquel, cromo y hierro), tienen una resistencia ms alta. Muchos resistores, como los que se usan

C=D11111111.41

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4. LA TEMPERATURA. Aunque los efectos de la temperatura son generalmente ms pequeos comparados con los del material, longitud y la seccin transversal, ellos pueden ser importantes, en particular cuando deseamos mantener una resistencia a un valor fijo y la temperatura no es constante. En los metales la resistencia por lo general aumenta si la temperatura aumerla. Esto se rodlice electro_ por el hecho de que-Werierga calor-.17C-i-Pce ji fundametaim ente ________ dIffell-que -ESTOS fluyan nes libres de un material salretr -on --ratilidld; kliLdo ni -i' ---5."-la cual llamamos flujo de corriente. oiro de manera orcfelia de un toni-a En pocos materiales, tal como el carbn, la resistencia disminuye si la temperatura aumenta. -_-_-,-' Repaso de resistencia

1

Ha aprendido hasta ahora sobre las cualidades fundamentales del voltaje, corriente y resistencia, y est dispuesto a seguir adelante para ver cmo funcionan

1,u),ION

pi

pi 11114 MAI, 1141411 A I

1114.1A10

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eirei11/1014 1 14'111"1e0ii. A1111 8 d

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sabe acerca de la resistencia y como se

lit(-v4 41,141 04 4

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yo.

Inidt vt.:(11.

Qu le sucede a la corriente cuando se duplica la resistencia en un circuito On voltaje constante? Si se reduce a la mitad? Si se triplica? Qu le sucede a la corriente cuando se duplica el voltaje en un circuito con resistencia constante? Si se reduce a la mitad? Si se cuadruplica? Si se triplica? 4. Defina la unidad de resistencia. Cul es el smbolo que se usa para designarla? 5. Qu factores son los que determinan la resistencia de un resistor? D ejemplos de sus efectos. Calcule las conversiones siguientes usando los smbolos apropiados que se puedan aplicar.

* ""r10 s eo.ir e e

9 -29 e

9 9 9 41.4 9 99 9 9 -

t3 ^-#9he e

.'1.9-9" >Cr eele 9. rr. i4 r

1. RESISTENCIA. La oposicin que mil nifiesta un material al flujo de la r tt rriente.

2. OHM. Unidad bsica de medida de la resistencia, igual a la resistencia qua permite el paso de un ampere de (0 rriente, cuando se aplica una fem di un volt a travs de una resistencia El smbolo para ohm es 2.

6. Convertir a ohms 6.2 k 6.2 M 270 m2 3.3 k 9.1 k2 4.7 Mil 7. Convertir a kilohms

R "-n--"JVVVVVVV---"-"'A *O

3. RESISTOR. Dispositivo con resisten cia que se usa para controlar el flu de corriente. El smbolo para un re sistor es R.

4 700 2 8.2 MII 100 000 12 0.1 M2 0.39 M2 24 000 12 8. Convertir a megohms

4

4. OHMETRO. Instrumento de medicin que se usa para medir directamente la resistencia.

1 000 kit 120 000 2 82 000 2 68 k 470 000 12 330 k 9. Dibuje un diagrama esquemtico de un resistor. Cul es el smbolo que se usa para designar la resistencia? 10. Cules son los cuatro factores que afectan a la resistencia de un conductor? Cmo vara la resistencia con respecto a estos cambios?Rep aso de corriente (I), Voltaje (E) y Resistencia (R)

e

1 K = 100011

5. KILOHM. Un kilohm es igual a mil ohms.

1. Megrt = 1 000 00011Autoexamen Cuestionario de reputa

6. MEGOHM. Un megohm es igual a un milln de ohms.

1. Defina qu es la resistencia. Qu es un resistor? Cul es el smbolo que se usa para designar un resistor?

Como conclusin a su estudio de la electricidad en accin, se debe considerarotra vez lo que ya se ha aprendido de la corriente, el voltaje y la resistencia.

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CORRIENTE. Movimiento de electrones libres a travs de un conductor desde una carga ms negativa hacia una carga ms positiva.

El voltaje, como se sabe, es la cantidad de fuerza electromotriz ( fent) anli &phi a una carga (resistencia), con el objeto de hacer que fluya una corriente de electrones a travs de la resistencia. Como ya lo aprendi, si el voltaje que apilen a una resistencia es mayor, entonces el flujo de corriente es ms grande. Similarmente, si el voltaje que usted aplica es ms bajo, entonces el flujo de corriente ser menor. Como tambin sabe, la resistencia, es el efecto que impide el flujo de electrones. Si aumenta la resistencia de carga a travs de la cual se aplica un voltaje constante, el flujo de corriente ser menor. Similarmente, si reduce la resistencia, el flujo de corriente ser mayor. Esta relacin entre el voltaje, la resistencia y la corriente fue estudiada por el matemtico alemn George Simon Ohm. Su descripcin, que ahora se conoce como Ley de Ohm, dice que la corriente vara en forma directa con el voltaje e inversamente con la resistencia. El anlisis matemtico de la ley no le interesa por ahora, pero usted sabr acerca de ella cuando estudie el Volumen 2. La ley de Ohm es una herramienta bsica para todos los que trabajan con circuitos elctricos de cualquier forma o tamao.

VOLTAJE. Fuerza electromotriz entre dos car gas, igual a la diferencia de potencial de las dos cargas.

1,1,13 3.0

DE CORRIENTE

FEm CON CONSTANTE ItEsisTINCIA JO 'VOLTAJE BA .

CON c

CON

BAJA REsIsTENcm

RESISTENCIA. Oposicin que presenta un material al flujo de corriente.

=- _39 e NI _ es b 4- o e */ li) e

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110 OCA MAYOR v1-5113E

R .. COR RIENTEESISTENCIA-

PASA

110 CORRIENTE

k

POCA PASS -

*

LEY DE OHMLa corriente que fluye en un circuito es

DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL VOLTAJE (FEM aplicada) INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA RESISTENCIA

Debe recordar en especial, las relaciones entre la corriente, el voltaje y la resistencia. El flujo de corriente es producido por el voltaje entre dos puntos y est limitado por la resistencia entre los mismos. Al continuar su estudio de la electricidad, se enterar posteriormente acerca de los circuitos elctricos y de cmo se usa la corriente, el voltaje y la resistencia. La relacin entre corriente, volt