Experimentos de Fisica

Telebachillerato de Veracruz

ExperimentosFsica II

Cuarto semestre

Experimentos de Fsica II

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INDICE

INTRODUCCIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

MEDIDAS DE SEGURIDAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Instrucciones para el alumno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Normas de seguridad para el alumno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

BLOQUE I: COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Experimento 1. Presin Hidrosttica (variacin de la presin con la

profundidad). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Experimento 2. Presin Manomtrica (medicin de la presin de un

gas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Experimento 3. Capilaridad en vegetales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Experimento 4. Tensin superficial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Experimento 5. Presin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Experimento 6. Densidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Experimento 7. Principio de Pascal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Experimento 8. Principio de Arqumedes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

BLOQUE II: DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. . . . . . . . . . . . 17

Experimento 9. Dilatacin lineal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Experimento 10. Dilatacin superficial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Experimento 11. Dilatacin cbica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Experimento 12. Conduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Experimento 13. Conveccin en el agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Experimento 14. Conveccin en el aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Experimento 15. Radiacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Experimento 16. Ley Cero de Termodinmica, Equilibrio Trmico. . . . . . . 37

Experimento 17. Primera ley de Termodinmica, Conservacin de la

Energa. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Experimento 18. Segunda Ley de la Termodinmica, Flujo de Calor. . . . 41

Experimento 19. Tercera Ley de la Termodinmica, Entropa. . . . . . . . . 42

BLOQUE III: LEYES DE LA ELECTRIDAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43


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Experimento 20. Electrosttica, cmo hacer un pndulo electrosttico

casero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Experimento 21. Electrosttica, propiedades de las cargas elctricas. . . 54

Experimento 22. Ley de Ohm y Ley de Watt, resistencia y potencia

elctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Experimento 23. Ley de Joule, Fuego por Efecto Joule. . . . . . . . . . . . . . 58

Experimento 24. Comportamiento de la electricidad, circuito en

paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Experimento 25. Comportamiento de la electricidad, circuito en

serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Experimento 26. Comportamiento de la electricidad, circuito mixto. . . . 64

BLOQUE IV: RELACIN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. . . . . . . 66

Experimento 27. Caractersticas de los imanes, visualizar el campo

magntico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Experimento 28. Caractersticas de los imanes, polos magnticos y

magnitud del campo magntico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Experimento 29. Relacin entre electricidad y magnetismo, Ley de

Oersted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Experimento 30. Aplicaciones del electromagnetismo, motor elctrico. . 81

Experimento 31. Aplicaciones del electromagnetismo, generador

elctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Experimento 32. Aplicaciones del electromagnetismo, transformador

elctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

EXPLICACIN DE EXPERIMENTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95


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INTRODUCCIN

Actualmente los Bachilleratos SABES no cuentan con laboratorios para el desarrollo de prcticas experimentales del rea de Fsica, por lo que se propone desarrollar experimentos de bajo costo, con materiales fciles de adquirir y diseados para cualquier tipo de aula.

El aprendizaje por medio de la experimentacin no forzosamente requiere de instalaciones especiales o de experimentos complicados. En las Ciencias Experimentales, el trabajo prctico es una parte inseparable de la enseanza terica, pues no se puede concebir el quehacer cientfico sin la experimentacin.

Si queremos y deseamos que nuestros alumnos se interesen realmente en el estudio de la ciencia, debemos proporcionarles un medio de fcil acceso a la comprensin de los fenmenos cotidianos.

El manual de experimentos en el aula de Fsica II, pretende facilitar el acercamiento a la experimentacin sobre los fluidos tomando en cuenta la hidrosttica y la hidrodinmica, as como sus caractersticas principales (capilaridad, tensin superficial, presin y densidad) y como explicarlos mejor tomando en cuenta el principio de Pascal y el de Arqumedes. Tambin cmo el calor y la temperatura afecta a diferentes materiales y cmo cambia algunas de sus propiedades. Por ltimo, se ver las leyes de la electricidad, la relacin de esta con el magnetismo y cmo poder generarla.

Los experimentos presentados tienen el propsito de estimular en los alumnos la capacidad creativa y el inters por la investigacin, as mismo, proporcionar al asesor las herramientas alternativas que le permitan hacer su prctica experimental ms atractiva.

Los experimentos estn diseados en base a los contenidos temticos de la unidad de aprendizaje de Fsica II. Adems, contribuirn para que el alumno logre un aprendizaje significativo, tienen su fundamento en la prctica pedaggica del constructivismo, de manera que el asesor actuar como gua y el alumno participar activamente resolviendo problemas cientficos y de la vida cotidiana, y aprendiendo por descubrimiento. Adems, fomentarn el trabajo en equipo y el aprendizaje cooperativo.

Los experimentos tienen la caracterstica de ser flexibles, ya que los materiales y los objetos se pueden sustituir y no es necesario realizarlas en un laboratorio de Fsica.

El desarrollo de los experimentos y actividades del presente manual deber realizarse con precaucin y responsabilidad, de acuerdo a las instrucciones que se proporcionan.

La estructura de los experimentos se describe de la siguiente manera:

Materiales. Enlista los materiales necesarios para desarrollar el experimento.

Procedimiento. Describe las instrucciones para realizar el experimento.


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Explicacin de los experimentos. Describe de manera clara al asesor los resultados y la explicacin de los fenmenos.

Es importante mencionar que algunos experimentos requieren de materiales e instrumentos ms especializados para su desarrollo, que hoy en da no estn disponibles en los bachilleratos. Sin embargo, se disearon para desarrollarlos cuando se tenga los requerimientos necesarios.

MEDIDAS DE SEGURIDAD

Los materiales que se emplearn sern de bajo riesgo, lo cual no excluye la posibilidad de accidentes por lo que te recomendamos tener en cuenta las reglas de seguridad mnimas que se indican en este manual.

Instrucciones generales para el alumno:

1.- Lee cada experimento en su totalidad antes de empezar.

2.- Ten a mano todos los materiales necesarios.

3.- Al realizar el experimento, no te precipites, sigue cuidadosamente cada paso, no omitas ninguno.

4.- Si los resultados no son los descritos en el experimento, vuelve a leer las instrucciones e inicia de nuevo desde el primer paso.

Normas de seguridad para el alumno

1.- Sigue las instrucciones de tu asesor.

2.- Cualquier accidente debes de notificarlo de inmediato a tu asesor.

3.-Usa bata blanca en el laboratorio para proteger daos a la piel o uniforme escolar.

4.- Usa zapato escolar para prevenir accidentes provocados por algn material.

5.- No consumas alimentos al momento de realizar los experimentos.

6.- Lvate las manos antes y despus de realizar el experimento.

7.- Desarrolla tus experimentos con orden, limpieza y responsabilidad.


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BLOQUE I. COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS

En este bloque harn prcticas basadas en la mecnica de los fluidos, para esto debemos conocer primero algunas definiciones de los fluidos: hidrulica, hidrosttica e hidrodinmica.

Fluidos.- Son todos aquellos materiales que se pueden deslizar libremente (como lquidos y gases).

El trmino fluido se aplica a los lquidos y los gases, porque tienen propiedades comunes. Pero conviene recordar que un gas es muy ligero y, por lo tanto, puede comprimirse con facilidad, mientras que un lquido es prcticamente incompresible. Los fluidos estn constituidos por una gran cantidad de minsculas partculas de materia; en los lquidos stas se deslizan unas sobre otras y en los gases se mueven sueltas. Esto explica por qu los lquidos al igual que los gases no tienen forma definida, adoptando la del recipiente que los contiene. Finalmente, recordemos que un gas es expandible, por consiguiente, su volumen no es constante pues al pasarlo a un recipiente de mayor volumen inmediatamente ocupa todo el espacio libre. Un lquido, por su parte, no tiene forma definida, pero s volumen definido.

Hidrulica.- Es la rama de la fsica que tiene por objeto el estudio de los fluidos en general.

Hidrosttica.- Es la parte de la fsica que estudia a los fluidos (lquidos y gases) en reposo.

Hidrodinmica.- Es la parte de la fsica que estudia a los fluidos (lquidos y gases) en movimiento.

Las caractersticas principales de los fluidos son:

Fenmeno de capilaridad. Este fenmeno consiste en el ascenso y descenso de un lquido por el interior de tubos de dimetro pequeo.


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Tensin superficial. Es una fuerza ejercida sobre la superficie libre de un lquido almacenado.

Presin. Es una fuerza que se ejerce sobre una superficie determinada.

Densidad o masa especfica. Se refiere a la cantidad de materia contenida en un determinado volumen.

Principio de Pascal. Establece que al aplicar una fuerza sobre un lquido en un recipiente cerrado, esta fuerza se trasmitir ntegramente en todos y cada uno de sus puntos.


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Principio de Arqumedes. Se dice en este principio que al introducir un material en un lquido, este recibir un empuje ascendente, el cual ser de igual magnitud que el peso del material.

Principio de Bernoulli. Establece que la fuerza ascendente producida por un material aerodinmico hace que la presin del aire disminuya con la velocidad.


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Presin Hidrosttica

(Variacin de la presin con la profundidad)

Materiales:

1 botella de plstico vaca (vinagre, aceite, etc.).

Agua.

Procedimiento:

1.- Llena de agua la botella. 2.- Haz tres perforaciones a lo largo de la botella.

Reporte:

1.- Qu pas con el agua que sala por las perforaciones?

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2- Por qu pas esto?

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Experimento 1


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Presin Manomtrica

(Medicin de la presin de un gas)

Materiales:

1 globo.

1 manguera delgada transparente, de 1 m.

Agua.

Procedimiento:

1.- Infla el globo. 2.- Conecta la manguera al globo como se muestra en la figura. 3.- Mide la altura de desplazamiento del agua. 4.- Repite los pasos del 1 al 3, solo que infla menos el globo.

Reporte:

Cantidad de aire Altura (h)

Inflado

Medio inflado

1.- Por qu la diferencia de altura?

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Experimento 2


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Capilaridad

(Capilaridad en los vegetales)

Materiales:

1 flor blanca (clavel, margaritas, pompones, rosas, etc.).

1 recipiente de vidrio o plstico limpio, de preferencia alto.

1 cucharada sopera de colorante vegetal (color al gusto).

1 exacto u hojilla de afeitar.

litro de agua a temperatura ambiente (preferentemente sin cloro o agua

mineral.

Procedimiento:

1.- Mezcle bien el agua con el colorante vegetal en el recipiente.

2.- Utilizando un exacto u hojilla de afeitar, hacer un corte rpido y en diagonal en el tallo de la flor y debe quedar largo (25 cm aproximadamente).

3.- Introduce el tallo en el agua coloreada y colcalo en un lugar donde le de un poco de luz natural y deja reposar por lo menos 12 horas.

Reporte:

1.- Qu pas con la flor?

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Experimento 3


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Tensin Superficial

Materiales:

3 vasos desechables (preferentemente transparentes).

3 clips pequeos.

3 monedas de 10 centavos.

Agua.

Aceite.

Alcohol de caa.

Procedimiento:

1.- Llena de agua uno de los vasos y haz lo mismo con los otros dos, uno con aceite y otro con alcohol de caa.

2.- Coloca con cuidado un clip en cada vaso.

3.- Ahora haz lo mismo colocando una moneda de 10 centavos.

Reporte:

1.- Qu sucedi en ambos casos?

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Experimento 4


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Presin

Materiales:

1 cilindro pequeo de metal, de aproximadamente 4 cm (puede ser un clavo

sin punta).

1 tubo de cobre hueco, de la misma altura del cilindro de metal.

3 objetos de diferente peso.

1 regla de 30 cm.

1 barra de plastilina.

Procedimiento:

1.- Forma una base de plastilina sobre una superficie slida y fuerte.

2.- Coloca el clavo sobre la plastilina.

3.- Encima del cilindro pequeo (o clavo) deposita el objeto de menor peso.

4.- Mide cunto se introduce el cilindro en la plastilina.

5.- Repite el experimento con el tubo de cobre.

6.- Vuelve a realizar el experimento, pero ahora coloca los otros dos objetos, de menor a mayor peso, tanto en el cilindro pequeo como en el tubo de cobre.

Experimento 5


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Reporte:

Objeto Hundimiento (mm)

Clavo Tubo de cobre

De menor peso

De peso mediano

De mayor peso

1.- Por qu no son iguales las medidas?

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Densidad

Materiales:

1 recipiente transparente de por lo menos 1 litro (cristal o plstico).

100 ml de aceite.

100 ml de alcohol.

100 ml de agua.

Procedimiento:

1.- Vierte el aceite, alcohol y agua en el recipiente transparente.

2.- Deja reposar unos minutos y observa.

Reporte:

1.- Qu sucedi con estos lquidos?

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Experimento 6


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Principio de Pascal

Materiales:

1 jeringa de 3 ml (A1).

1 jeringa de 20 ml (A2).

1 manguera delgada y transparente.

80 ml de aceite rojo para madera.

Cinta diurex.

Procedimiento:

1.- Construye el siguiente dispositivo con las dos jeringas, con la manguera de hule llena de aceite rojo, y sllalo con la cinta diurex.

2.- Aplica fuerza sobre la jeringa chica.

Reporte:

1.- Qu sucede con el mbolo l, jeringa grande?

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Experimento 7


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Principio de Arqumedes

Materiales:

2 vasos de vidrio transparente.

2 huevos crudos.

Agua.

Sal de mesa.

Procedimiento:

1.- Llena con agua un vaso de vidrio hasta tres cuartas partes de su capacidad.

2.- Con cuidado, introduce en l un huevo crudo.

3.- Llena otro vaso con agua hasta tres cuartas partes de su capacidad.

4.- Disuelve en el agua doce cucharadas de sal de mesa.

5.- Introduce con cuidado el otro huevo en este vaso.

Reporte:

1.- Qu sucedi en ambos casos y por qu?

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Experimento 8


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BLOQUE II: DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

Es muy comn confundir el calor con la temperatura, aunque son cosas diferentes si guardan una relacin entre ambos, aqu demostraremos de forma prctica y sencilla la diferencia entre estos, as como los efectos de ellos sobre los cuerpos. Empecemos por recordar las definiciones de estos:

Calor.- Est definido como la forma de energa que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo, los cuales se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo, en termodinmica generalmente el trmino calor significa simplemente transferencia de energa. Este flujo de energa siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio trmico

Temperatura.- Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o fro que puede ser medida con un termmetro. En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica.

Las escalas ms empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centgrada), la Escala Kelvin. 1C es lo mismo que 1 K, la nica diferencia es que el 0 en la escala Kelvin est a - 273 C y, por ltimo, la menos utilizada la Escala Fahrenheit.

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 C) a la temperatura de congelacin del agua y el valor 100 (100 C) a la temperatura de ebullicin del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

En la escala Kelvin se asign el 0 a aquella temperatura en la cual las partculas no se mueven (temperatura ms baja posible). Esta temperatura equivale a -273 C de la escala Celsius.

La escala Fahrenheit tiene como referencia inferior el punto de fusin de una mezcla de sales con hielo (0F) y como referencia superior el punto de ebullicin del agua (212F). esta escala es utilizada actualmente en los pases de habla inglesa.


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Equivalencias entre escalas de temperatura.

Al aplicar temperatura sobre la materia, surgen varios efectos sobre sta, en lo particular veremos la dilatacin y para tal efecto empezaremos por ver su definicin.

Dilatacin Trmica Lineal.- Es el aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensin mtrica que sufre un cuerpo fsico debido al aumento de temperatura que se provoca en l por cualquier medio. La Contraccin Trmica es la disminucin de propiedades mtricas por disminucin de la misma.


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Dilatacin Trmica Superficial.- Cuando un rea o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporcin. Por ejemplo, una lmina metlica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de rea. La dilatacin de rea se diferencia de la dilatacin lineal porque implica un incremento de rea.

Dilatacin Trmica Volumtrica.- En un lquido o un gas se observa un cambio de volumen V, en una cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura t. En este caso, la variacin de volumen V es directamente proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura t, para la mayor parte de las sustancias y dentro de los lmites de variacin normalmente accesibles de la temperatura, es decir: se produce en gases, lquidos y cuerpos geomtricos.


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Otro de los efectos que veremos en las prcticas es la transferencia de calor y los diferentes tipos que hay de sta. La transmisin de calor siempre ocurre desde el cuerpo ms caliente al ms fro. Se puede dar por tres mecanismos: conduccin, conveccin y radiacin, aqu sus definiciones.

Conduccin.- El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un slido se llama conduccin. En la conduccin se transmite energa trmica, pero no materia. Los tomos del extremo que se calientan, empiezan a moverse ms rpido y chocan con los tomos vecinos transmitiendo la energa trmica.

Las sustancias tienen distinta conductividad trmica, existiendo materiales conductores trmicos y aislantes trmicos.

Conductores trmicos. Son aquellas sustancias que transmiten rpidamente la energa trmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales.

Aislantes trmicos. Son aquellas sustancias que transmiten lentamente la energa trmica de un punto a otro. Ejemplos: vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.


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Los gases son muy malos conductores del calor, por eso, el aire contenido entre las hojas de las ventanas con doble cristal constituye un mtodo muy eficaz para reducir las prdidas de calor a travs de ellas.

El hielo es un buen aislante trmico. La temperatura que se alcanza en el interior del igl se mantiene bastante estable.

Otro concepto que veremos y demostraremos con las prcticas, es la relacin existente entre el calor y otras formas de energa, la ciencia que estudia estos fenmenos es la Termodinmica, por lo cual veremos su definicin y leyes que la rigen.

Termodinmica.- Es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Fsica, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energa. Entre otras cuestiones la termodinmica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, densidad, presin, masa, volumen, en los sistemas y a un nivel macroscpico.

La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinmica es la circulacin de la energa y como sta es capaz de infundir movimiento.


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Primera ley de la termodinmica

Tambin, conocido como principio de conservacin de la energa para la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Eentra ?Esale = ?Esistema

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico, queda de la siguiente forma:

\ Q = \Delta U + \ W

Segunda ley de la termodinmica

Esta ley regula la direccin en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinmicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeo volumen). Tambin, establece en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin prdidas. De esta forma, La segunda ley impone restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente pudieran llevarse a cabo, teniendo en cuenta solo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fsica llamada entropa, la cual, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero.


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Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura ms alta a aquellos de temperatura ms baja.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacndose el de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius Diagrama del ciclo de Carnot en funcin de la presin y el volumen. Diagrama del ciclo de Carnot en funcin de la presin y el volumen.

En palabras de Sears es: " No es posible ningn proceso cuyo nico resultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura ms elevada".

Enunciado de Kelvin:

No existe ningn dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una nica fuente y lo convierta ntegramente en trabajo.

Otra interpretacin:

Es imposible construir una mquina trmica cclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energa termodinmica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energtico de una mquina trmica cclica que convierte calor en trabajo siempre ser menor a la unidad y esta se encontrar ms prxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energtico de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energtico de una mquina trmica, menor ser el impacto en el ambiente, y viceversa.


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Tercera ley de la termodinmica

La Tercera de las leyes de la termodinmica, propuesta por Walter Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual a cero absoluto mediante un nmero finito de procesos fsicos. Puede formularse tambin, a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropa tiende a un valor constante especfico. La entropa de los slidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una nocin exigida por la Termodinmica clsica, as que es probablemente inapropiado tratarla de ley.

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinmica son solo generalizaciones estadsticas, vlidas siempre para los sistemas macroscpicos, pero inaplicables a nivel cuntico. El demonio de Maxwell ejemplifica cmo puede concebirse un sistema cuntico que rompa las leyes de la Termodinmica.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservacin de la energa, es la ms slida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.


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Ley cero de la termodinmica

El equilibrio termodinmico de un sistema se define como la condicin del mismo, en el cual las variables empricas usadas para definir un estado del sistema (presin, volumen, campo elctrico, polarizacin, magnetizacin, tensin lineal, tensin superficial, entre otras) no son dependientes del tiempo. A dichas variables empricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinmicas del sistema.

A este principio se le llama del equilibrio termodinmico. Si dos sistemas A y B estn en equilibrio termodinmico, y B est en equilibrio termodinmico con un tercer sistema C, entonces A y C estn a su vez en equilibrio termodinmico. Este principio es fundamental, an siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibe la posicin 0.


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Dilatacin Lineal

Materiales:

1 m. de alambre delgado de cobre.

1 tuerca.

1 regla graduada.

1 soporte rectangular.

1 vela y cerillos.

Procedimiento:

1.- Amarra el alambre de cobre al soporte, a una altura tal que la vela pueda calentarlo, ver la figura de abajo.

2.- Cuelga la tuerca a la mitad del alambre.

3.- Mide la altura del alambre en el punto que la tuerca esta unida a l (h1) y la

longitud inicial del alambre (l i). Anota el dato en la tabla.

4.- Enciende la vela y empieza a calentar la tuerca, despus de un rato mide la altura en que la tuerca esta unida al alambre (h2). Anota el dato en la tabla.

5.- Cuando el alambre se enfre, vuelva a medir la altura (h3).

Experimento 9

l

h


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Reporte:

1. Completa la siguiente tabla:

Alturas Longitudes

h1= l i =

h2= l f =

h2-h1=

h3= l f - l i =

2.- A qu se debe la diferencia de altura al calentar el alambre?

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3.- Qu pasa cuando se enfra el alambre?

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Dilatacin Superficial

Materiales:

1 vela pequea.

2 trozos de papel aluminio de 10 X 3 cm cada uno.

1 trozo de papel muy delgado de 10 X 3 cm.

1 pinzas para colgar ropa (de preferencia de madera).

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Enciende la vela y con las pinzas toma uno de los trozos de papel aluminio y colcalo sobre la llama de la vela, como se muestra en la Figura 1, observa con atencin lo que pasa.

2.- Ahora toma el pedazo de papel delgado y pgalo al otro pedazo de papel aluminio, haciendo una lmina doble.

3.- Por ltimo, colocamos nuestra lmina doble sobre la llama de la vela con el papel aluminio en la parte inferior, como se muestra en la Figura 2, observa con atencin lo que pasa.

Figura 1

Experimento 10


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Figura 2

Reporte

1.- Qu sucedi en cada caso?

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__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

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__________________________________________________________________

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Dilatacin Trmica Cbica

Materiales:

1 botella chica de cristal.

1 globo de hule.

1 pinzas.

1 veladora.

Agua.

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Llena hasta la mitad la botella con agua y coloca el globo sobre la boca de l a botella.

2- Prende la veladora.

3.- Con cuidado toma la botella y colcala encima de la veladora prendida.

Experimento 11


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Reporte:

1.- Qu sucedi?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

2.- Qu fenmeno explica lo anterior?

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__________________________________________________________________

__________________________________________________________________


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Mecanismos de Transferencia de Calor

(Conduccin)

Materiales:

1 cuchara de madera.

1 cuchara de metal.

1 cuchara de plstico (desechable).

1 cuchara de cermica.

1 taza para caf.

Procedimiento:

1.- Vierte agua caliente en la taza para caf.

2.- Coloca al mismo tiempo las cuatro cucharas en el agua, de tal forma que no se toquen entre s.

3.- Siente con tus dedos la temperatura de cada una de ellas.

Experimento 12


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Reporte 1:

1.- Por qu se sienten diferentes las temperaturas?

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__________________________________________________________________

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(Conveccin en el agua)

Materiales:

1 olla pequea de cristal.

1 parrilla elctrica.

Agua.

Pequeos trozos de papel.

Procedimiento:

1.- Llena hasta la mitad la olla de cristal.

2.- Vierte en ella los trozos de papel y ponla sobre la parrilla encendida.

3.- Espera a que el agua se caliente y observa.

Reporte:

1.- Qu sucedi con los trozos de papel?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Experimento 13


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(Conveccin en el aire)

Materiales:

1 vela o veladora.

1 Espiral de papel.

Hilo.

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Coloca la vela o veladora sobre el piso y encindela con los cerillos.

2.- Amarra la espiral de papel con el hilo y colcala sobre la vela encendida, cuidando que esta no se encienda.

3.- Observa con atencin lo que pasa.

Reporte:

1.- Qu sucede con la espiral de papel?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Experimento 14


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(Radiacin)

Materiales:

1 socket de porcelana.

1 foco de 25 Watts.

1 foco de 100 Watts.

1 cable con clavija.

Procedimiento:

1.- Conecta el cable con el socket.

2.- Coloca primero el foco de 25 Watts y conecta a la corriente.

3.- Acerca tu mano al foco, con cuidado de no tocarlo y djala ah por 1 minuto.

4.- Posteriormente, desconecta el cable de la corriente y espera 5 minutos a que se enfre el foco para quitarlo.

5.- Finalmente, coloca el foco de 100 watts y conecta nuevamente la clavija a la corriente.

6.- Acerca tu mano al foco, con cuidado para no tocarlo.

Reporte:

1.- Qu sucedi?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Experimento 15


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Ley Cero de Termodinmica

(Equilibrio Trmico)

Materiales:

1 vaso de unicel de 1 litro.

1 termmetro.

Agua.

Hielo.

Procedimiento:

1.- Llena el recipiente de plstico hasta la mitad de agua.

2.- Con el termmetro toma y registra la temperatura del agua en el recipiente.

3.- Posteriormente, toma la temperatura del hielo con el termmetro y regstrala.

5.- Ahora vierte un poco de hielo en el recipiente.

6.- Toma peridicamente la lectura de la temperatura del agua, conforme se vaya derritiendo el hielo en esta y regstrala en la tabla.

Experimento 16


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Reporte:

1.- Registra los datos iniciales:

Temperatura inicial del Agua: ____________

Temperatura inicial del Hielo: ____________

2.- Llena la siguiente tabla:

SUSTANCIA TEMPERATURA DEL AGUA

INICIAL 5 min. 10 min. 15 min.

Agua con hielo

3.- Qu sucedi con la temperatura del agua?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________


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Primera Ley de Termodinmica

(Conservacin de la Energa)

Materiales:

1 Veladora.

2 globos medianos o del nmero 5.

Agua.

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Prende la veladora con los cerillos.

2.- Infla el primer globo solo con aire y el segundo con agua y aire.

3.- Acerca el globo que est inflado con agua al fuego de la veladora y observa.

4.- Ahora acerca el segundo globo al fuego de la veladora y observa qu pasa.

Experimento 17


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Reporte:

1.- Qu sucedi con el primer globo?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

2.- Qu sucedi con el segundo globo?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

3.- Explica Por qu?

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__________________________________________________________________

__________________________________________________________________


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Segunda Ley de la Termodinmica

(Flujo de Calor)

Materiales:


1 foco de 100 Watts.

1 cable con clavija.

Hielos.

Procedimiento:

1.- Conecta el cable con el socket y coloca el foco de 100 watts.

2.- Acerca el con cuidado el foco encendido a los hielos.

Reporte:

1.- Qu sucedi?

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__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

2.- Hay forma de volver el agua hielo sin aplicar otra forma de energa?

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__________________________________________________________________

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Experimento 18


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Tercera Ley de la Termodinmica

(Entropa)

Materiales:

2 Vasos de cristal.

2 cubos de hielo de color rojo (puede ser con sobre para prepara agua).

Agua fra.

Agua caliente.

Procedimiento:

1.- Llena cada vaso hasta la mitad, uno con el agua fra y el otro con el agua caliente.

2.- Coloca de manera simultneamente un cubo de hielo a cada vaso con agua.

3.- Observa con cuidado lo que sucede.

Reporte

1.- Qu sucedi?

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

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Experimento 19

Agua fra Agua caliente


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BLOQUE III: LEYES DE LA ELECTRIDAD

A partir del conocimiento de la electricidad, hace cientos de aos, esta ha estado presente en el desarrollo de la humanidad iluminando ciudades, siendo de ayuda en nuestra comunicacin, llevando agua a diferentes lugares y para diversos usos, dndonos comodidad y confort, haciendo la vida ms agradable y cmoda en casas, escuelas, hospitales y fbricas. Para obtener toda la energa que necesitamos en la actualidad el hombre produce, controlando y manipulando, su energa elctrica utilizando diversas formas de generacin como el agua (hidroelctricas), vapor (termoelctricas, nucleoelctricas, geotrmicas), viento (elicas), sol (fotovoltaicas, termosolares), etc. Todo esto ha sido posible con la comprensin de las leyes fsicas que explican y ayudan a comprender la electricidad, as como a los elementos que intervienen en sus diversas relaciones con la naturaleza.

En las prcticas de este bloque se demostrar de forma sencilla las leyes de la electricidad y todo lo que involucran, para esto veremos algunas definiciones bsicas

Carga Elctrica.- Es una propiedad fsica intrnseca de algunas partculas

subatmicas que se manifiesta mediante fuerzas de atraccin y repulsin entre

ellas. La materia cargada elctricamente es influida por los campos

electromagnticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada

interaccin electromagntica entre carga y campo elctrico es una de las

cuatro interacciones fundamentales de la fsica. Desde el punto de vista

del modelo estndar la carga elctrica es una medida de la capacidad que posee

una partcula para intercambiar fotones.

Una de las principales caractersticas de la carga elctrica es que, en cualquier

proceso fsico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir,

la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no vara en el tiempo.

Qi=Qf

La carga elctrica es de naturaleza discreta, fenmeno demostrado

experimentalmente por Robert Millikan. Por razones histricas, a los electrones se

les asign carga negativa: 1, tambin expresada e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e.


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Tipos de Cargas Elctricas.- Los tipos de cargas elctricas caen dentro de cuatro categoras: resistivas, capacitivas, inductivas o una combinacin de las anteriores. Algunas cargas son puramente resistivas, capacitivas o inductivas. La naturaleza imperfecta de cmo son construidos los dispositivos elctricos o electrnicos causa inductancia, capacitancia y resistencia para ser una parte inherente de muchos dispositivos.

Cargas resistivas.- Un resistor es un mecanismo que resiste el flujo de la electricidad. Al hacerlo, parte de la energa elctrica es disipada como calor. Dos cargas comunes resistivas son los bulbos de luz incandescente y los calentadores elctricos. La resistencia (R) es medida en ohms. Un bulbo de luz incandescente produce luz al pasar corriente elctrica a travs de un filamento en un vaco. La resistencia del filamento causa que se caliente y la energa elctrica es convertida en energa luminosa. Los calentadores elctricos trabajan de la misma manera, excepto que ellos producen una poca, si acaso, de luz. La corriente elctrica y el voltaje en una carga resistiva se dicen estar "en fase" uno con otro. Como el voltaje se eleva o cae, la corriente tambin se eleva y cae con este.

Cargas capacitoras.- Un capacitor almacena energa elctrica. Las dos superficies conductivas estn separadas por un aislante no conductivo. Cuando una corriente elctrica es aplicada a un capacitor, los electrones de la corriente se acumulan en la placa adjuntada a la terminal a la cual es aplicada la corriente elctrica. Cuando la corriente es retirada, los electrones fluirn de regreso a travs del circuito para alcanzar la otra terminal del capacitor. Los capacitores son utilizados en motores elctricos, radio circuitos, fuentes de poder y muchos otros circuitos. La capacidad de un capacitor para almacenar energa elctrica es llamada capacitancia (C). La unidad principal de medida es el faradio, pero la mayora de los capacitores estn medidos en microfaradios. La corriente lleva el voltaje de un capacitor. El voltaje a travs de las terminales comienza a cero voltios mientras la corriente est a su mximo. A medida que la carga se desarrolla en la placa del capacitor, el voltaje se eleva y la corriente cae. A medida que un capacitor se descarga, la corriente se eleva y el voltaje cae

Cargas inductivas.- Un inductor puede ser cualquier material conductor. Cuando un cambio de corriente pasa a travs de un inductor, este induce un campo magntico alrededor de este mismo. Girando el inductor en una bobina incrementa el campo magntico. Un principio similar ocurre cuando un conductor es colocado en un campo magntico cambiante. El campo magntico induce una corriente elctrica en el conductor. Ejemplos de cargas inductivas incluyen transformadores, motores elctricos y bobinas. Dos series de campos magnticos en un motor elctrico opuestos uno con otro, forzan al rbol del motor para que gire. Un transformador tiene dos inductores, uno primario y uno secundario. El campo magntico en el devanado primario induce una corriente elctrica en el devanado


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secundario. Una bobina almacena energa en un campo magntico que induce cuando un cambio de corriente pasa a travs de este y libera la energa cuando la corriente es retirada. La inductancia (L) es medida en henrios. El cambio de voltaje y corriente en un inductor estn fuera de fase. A medida que la corriente se eleva al mximo, el voltaje cae.

Cargas combinadas.- Todos los conductores tienen alguna resistencia bajo condiciones normales y tambin exhiben influencias inductivas y capacitivas, pero esas pequeas influencias son generalmente despreciadas para fines prcticos. Otras cargas hacen uso de varias combinaciones de inductores, capacitores y resistores para llevar a cabo funciones especficas. El condensador elctrico de un radio utiliza inductores variables o capacitores en combinacin con un resistor para filtrar un rango de frecuencias mientras permite solo una banda estrecha pasar a travs del resto del circuito. Un tubo de rayos catdicos en un monitor o televisor utiliza inductores, resistores y la capacitancia inherente del tubo para controlar y desplegar una imagen en las cubiertas de fsforo del tubo. Los motores de una fase con frecuencia utilizan capacitores para ayudar al motor durante el encendido y la marcha. El capacitor de inicio provee una fase adicional de voltaje al motor a partir de que este cambia la corriente y voltaje fuera de fase recprocamente.

La Electrosttica.- es la rama de la Fsica que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga elctrica, es decir, el estudio de las cargas elctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga elctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenmenos electrostticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Histricamente, la electrosttica fue la rama del electromagnetismo que primero se desarroll. Con la postulacin de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad


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del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicacin, y permitieron demostrar cmo las leyes de la electrosttica y las leyes que gobiernan los fenmenos magnticos pueden ser estudiadas en el mismo marco terico denominado electromagnetismo.

Ley de Coulomb.- La magnitud de cada una de las fuerzas elctricas con que interactan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la direccin de la lnea que las une. La fuerza es de repulsin si las cargas son de igual signo y de atraccin si son de signo contrario.

La constante de proporcionalidad depende de la constante dielctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

Las ecuaciones de Maxwell.- Son un conjunto de cuatro ecuaciones (originalmente 20 ecuaciones), quienes describen por completo los fenmenos electromagnticos. La gran contribucin de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos aos de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos elctricos y magnticos en un solo concepto: el campo electromagntico.


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Las cuatro ecuaciones de Maxwell describen todos los fenmenos electromagnticos, aqu se muestra la induccin magntica por medio de una corriente elctrica.

Ley de Ohm.- La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensin aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad especfica de ciertos materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss, por ejemplo.

La ecuacin matemtica que describe esta relacin es:

Donde, I es la corriente que pasa a travs del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (). Especficamente, la ley de Ohm dice que R en esta relacin es constante, independientemente de la corriente.1

Esta ley tiene el nombre del fsico alemn Georg Ohm, quien en un tratado publicado en 1827, hall valores de tensin y corriente que pasaba a travs de unos circuitos elctricos simples que contenan una gran cantidad de cables. l present una ecuacin un poco ms compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuacin de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.

Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (nicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un rgimen permanente.


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Ley de Watts.- La ley de Watts es tambin conocida la ley de la potencia elctrica dice que si un cuerpo se le agrega determinado voltaje, se producir dentro de l cierta corriente elctrica. Dicha corriente ser mayor o menor, dependiendo de la resistencia de dicho cuerpo, este consumo genera que la fuente de energa est entregando cierta cantidad de potencia elctrica, o sea, el cuerpo est consumiendo energa o potencia, esa potencia se mide en watts.

Ley de Joule.- Cuando la corriente elctrica atraviesa un conductor, este se calienta, emitiendo energa, de forma que calor desprendido es directamente proporcional a la resistencia del conductor, al tiempo durante el que est circulando la corriente y al cuadrado de la intensidad que lo atraviesa.

Ecalor = R I2 t

Si todas las magnitudes utilizadas en esta frmula estn expresadas en las unidades del sistema internacional, el resultado se obtiene en julios.

Sin embargo, es muy habitual utilizar la calora como unidad de energa. En ese caso para convertir el valor obtenido en julios a caloras debe multiplicarse por el factor de conversin 0,24.

Circuitos en Serie.- circuito en serie es una configuracin de conexin en la que los bornes o terminales de los dispositivos estn unidos para un solo circuito (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros), se conectan secuencialmente. La terminal de salida del dispositivo uno se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Siguiendo un smil hidrulico, dos depsitos de agua se conectarn en serie si la salida del primero se conecta a la entrada del segundo. Una batera elctrica suele estar formada por varias pilas elctricas conectadas en serie, para alcanzar as el voltaje que se precise.


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En funcin de los dispositivos conectados en serie, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

Para Generadores (pilas)

Para Resistencias

Para Condensadores

Para Interruptores


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Otra configuracin posible, para la disposicin de componentes elctricos, es el circuito en paralelo. En el cual, los valores equivalentes se calculan de forma inversa al circuito en serie.

Es importante conocer que para realizar la suma de las magnitudes, solo en corriente alterna, se debe hacer en forma fasorial (vectorial), para ser sumadas en forma de mdulo, cada rama debe tener como mximo un elemento.

Circuito elctrico en paralelo.- Es una conexin donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre s, lo mismo que sus terminales de salida.

Siguiendo un smil hidrulico, dos tinacos de agua conectados en paralelo tendrn una entrada comn que alimentar simultneamente a ambos, as como una salida comn que drenar a ambos a la vez. Las bombillas de iluminacin de una casa forman un circuito en paralelo, gastando as menos energa.

En funcin de los dispositivos conectados en paralelo, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

Para generadores:


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Tambin Para Resistencias:

Para Condensadores:

Para Interruptores:


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Electrosttica

(Cmo hacer un pndulo electrosttico casero)

Materiales:

1 mesa o escritorio.

1 libro grueso.

1 cinta adhesiva.

1 globo.

1 regla de plstico o madera de 30 cm.

Papel aluminio.

Hilo.

Procedimiento:

1.- Toma el papel aluminio y hacemos una bola con l, ata la bola con un tramo de hilo.

2.- Coloca la regla en la mesa, de tal manera que sobresalga unos 20 cm, la parte que queda en la mesa sujtala con el libro, como se muestra en la figura de abajo.

3.- Amarra el hilo con la bola de aluminio a la regla para que quede como en la figura.

4.- Ahora infla el globo y hazle un nudo, posteriormente frtalo con un trozo la lana o directamente con tu pelo, acrcalo a la bola de aluminio y observa.

Experimento 20


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Reporte:

1.- Qu sucedi inicialmente con la bola de aluminio?

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__________________________________________________________________

2.- Qu sucedi despus? Explica.

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Electrosttica

(Propiedades de las cargas elctricas)

Materiales:

1 globo.

1 pao de lana.

1 tijeras.

Pegamento.

Papel aluminio.

Procedimiento:

1.- Recortamos unas tiras de papel aluminio.

2.- Pega las tiras de papel de manera que formen una esfera.

Experimento 21


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3.- Llenamos el globo con aire y lo frotamos con el pao de lana.

4.- Acerca lentamente el globo a la esfera de aluminio.

Reporte:

1.- Qu ocurri?

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2.- Por qu sucede esto?

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Ley de Ohm y Ley de Watt

(Resistencia y Potencia Elctrica)

Materiales:

1 pila de 9 Volts.

1 foco de 9 volts con su base.

3 juegos de caimanes o cable de cobre delgado.

2 lpices.

1exacto.

1 repuesto para porta minas.

1 saca punta.

Procedimiento:

1.- Toma los cables o caimanes y conecta la pila de 9 Volts con la lmpara, como se muestra en la figura.

2.- Qutale a los lpices el borrador con todo y la parte metlica que lo sujeta.

3.- Corta uno a la mitad con el exacto, ahora scale punta a los dos lados del lpiz ms largo y a uno de los que se cortaron a la mitad.

4.- Une la punta A con la B por 3 segundos y observa la intensidad de la luz.

5.- Ahora toma ambas puntas de los cables y que toque cada una el grafito del lpiz ms corto por 3 segundos, observa la intensidad de la luz.

6.- Repite el paso anterior con el lpiz ms largo por 3 segundos y observa la intensidad de la luz.

7.- Realiza nuevamente el experimento, solo que ahora saca el grafito del portamira, coloca con tu dedo uno de los cables a un extremo del grafito y el otro cable lo deslizas lentamente a lo largo del grafito, observa qu sucede.

Experimento 22


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Reporte:

1.- Qu sucedi en el paso 4, 5 y 6?

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2.- Por qu varia la intensidad de la luz en el paso 7?

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A

B


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Ley de Joule

(Fuego por Efecto Joule)

Materiales:

1 plato de cristal.

1 batera de 9 Volts.

Virulana.

Servilleta.

Procedimiento:

1.- Coloca la servilleta sobre el plato de cristal.

2.- Pon encima de la servilleta la virulana y trata de envolverla, como se muestra en la figura.

3.- Ahora toma la pila y frota lentamente los bornes con la virulana y observa qu pasa.

Experimento 23


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Reporte:

1.- Qu sucedi?

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Comportamiento de la electricidad

(Circuito en paralelo)

Materiales:

1 metro de cable calibre 14.

1 regla de 30 cm.

3 focos de 25 Watts.


1 clavija.

1 desarmador.

1 pinzas de corte.

Procedimiento:

1.- Dobla el cable exactamente a la mitad y crtalo con las pinzas.

2.- Toma cada cable de una punta y haz dos marcas en cada uno con 10 cm de separacin.

3.- Toma las pinzas y con cuidado corta solo el forro de plstico en donde hiciste las marcas.

4.- Conecta los tres socket con los cables, como se muestra en la figura, de igual forma la clavija.

5.- Ahora coloca uno a uno los focos y observa qu pasa.

6.- Quita con cuidado uno a uno los focos y observa qu pasa.

Experimento 24


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Reporte:

1.- Qu sucedi con la luz cuando se pusieron y quitaron los focos?

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2.- Por qu no se apagaron los dems focos?

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Comportamiento de la Electricidad

(Circuito en serie)

Materiales:

1 metro de cable calibre 14.

1 regla de 30 cm.



1 clavija.

1 desarmador.

1 pinzas de corte.

Procedimiento:

1.- Toma cada cable de una punta y haz dos marcas en cada uno con 25 cm de separacin.

2.- Con las pinzas corta el cable donde hiciste las marcas y pela aproximadamente 1 cm del forro en cada punta de cada uno de los tramos.

3.- Conecta los sockets como se muestra en la figura.

4.- Ahora coloca y conecta la clavija y nuestro circuito est terminado.

5.- Coloca los tres focos y conecta la clavija a la corriente.

6.- Quita y pon nuevamente cada uno de los focos y observa qu pasa.

Experimento 25


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Reporte:

1.- Qu sucedi?

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2.- Explica

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Comportamiento de la Electricidad

(Circuito mixto)

Materiales:

1.5 metros de cable calibre 14.

1 Flexmetro.



1 clavija.

1 switch o interruptor elctrico.

1 desarmador.

1 pinzas de corte.

Procedimiento:

1.- Toma la cinta y marca el cable con las medidas de la tabla.

Cables

Tramo Medida Cantidad de

tramos

(a) 20 cm 2

(b) 15 cm 2

(c) 40 cm 2

2.- Corta el cable con las medidas de la tabla y pela aproximadamente 1 cm del forro en cada punta de estos.

3.- Toma el flexmetro y haz una marca a 10 cm en cada uno de los tramos (a).

4.- Con cuidado haz un corte en el puro forro del cable y arma el circuito de la figura siguiente.

Experimento 26


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5.- Conecta la clavija a la corriente y observa la intensidad de la luz en cada foco.

6.- Desconecta el cable de la corriente y quita el foco 1, vuelve a conectar a la corriente y observa que pasa.

7.- Repite el paso anterior con el foco 2 y el foco 3, observa con cuidado.

Reporte:

1.- Cmo es la intensidad de la luz en cada foco y por qu?

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2.- Qu sucedi en cada caso cuando quitaste los focos uno por uno?

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3.- Explica

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(c)

(a) (a)

(b)

(c)

(b)

A la clavija

Foco 3

Foco 1

Foco 2


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BLOQUE IV.- RELACIN ENTRE ELCTRICIDAD Y MAGNETISMO

La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es mbar) es el conjunto de fenmenos fsicos relacionados con la presencia y flujo de cargas elctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenmenos como los rayos, la electricidad esttica, la induccin electromagntica o el flujo de corriente elctrica.

Las cargas elctricas producen campos electromagnticos que interaccionan con otras cargas. La electricidad se manifiesta en varios fenmenos:

Carga elctrica: una propiedad de algunas partculas subatmicas, la cual determina su interaccin electromagntica. La materia elctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnticos.

Corriente elctrica: un flujo o desplazamiento de partculas cargadas elctricamente; se mide en amperios.

Campo elctrico: un tipo de campo electromagntico producido por una carga elctrica incluso cuando no se est moviendo. El campo elctrico produce una fuerza en toda otra carga menor, cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Adems, las cargas en movimiento producen campos magnticos.

Potencial elctrico: es la capacidad que tiene un campo elctrico de realizar trabajo; se mide en voltios.

Magnetismo: La corriente elctrica produce campos magnticos y los campos magnticos variables en el tiempo generan corriente elctrica.

Caractersticas de los Imanes

Se orientan en una direccin especfica del espacio cuando son suspendidos adecuadamente. Si colgamos cualquier imn en el espacio por medio de un hilo se observa que adquiere una orientacin especial: una parte del imn se orienta aproximadamente hacia el norte geogrfico y la otra se orienta hacia el Sur. El lado que se orienta hacia el norte se denomina polo norte del imn y el lado que se orienta hacia el sur se denomina polo Sur. Esta caracterstica dio origen a la Brjula, instrumento construido con una pequea aguja imantada que puede girar alrededor de un eje de rotacin que pasa por su centro geomtrico.

Efecto de fuerza (atrae el hierro y lo retiene).


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Efecto de orientacin (se sitan en direccin norte sur) Los extremos del imn se denominan polos, pues ellos ejercen las mayores fuerzas magnticas.

Efecto de repulsin y atraccin entre dos imanes

Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. Si se introduce un imn recto en un montn de limaduras de hierro, este las atrae por efecto de fuerzas magnticas, segn la siguiente distribucin:

Efecto de atraccin entre un imn y pequeos trozos de hierro

El espacio en que actan fuerzas magnticas se denomina campo magntico, el cual est formado por lneas de fuerza. Estas lneas tienen directa incidencia sobre sus propios polos o sobre cualquier elemento ubicado dentro de dicho campo, de la siguiente manera:

Distribucin de campo magntico

Observacin:

Las lneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por fuera del imn.

Las lneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por dentro del imn.

Todas las lneas de fuerza constituyen el flujo m.

Un campo magntico es una descripcin matemtica de la influencia

magntica de las corrientes elctricas y de los materiales magnticos. El campo

magntico en cualquier punto est especificado por dos valores, la direccin y

la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Especficamente, el campo

magntico es un vector axial, como lo son los momentos mecnicos y los campos

rotacionales. El campo magntico es ms comnmente definido en trminos de

la fuerza de Lorentz ejercida en cargas elctricas. Campo magntico puede

referirse a dos separados pero muy relacionados smbolos B y H.

Los campos magnticos son producidos por cualquier carga elctrica en

movimiento y el momento magntico intrnseco de las partculas

elementales asociadas con una propiedad cuntica fundamental, su espn. En

la relatividad especial, campos elctricos y magnticos son dos aspectos

interrelacionados de un objeto, llamado el tensor electromagntico. Las fuerzas

magnticas dan informacin sobre la carga que lleva un material a travs


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del efecto Hall. La interaccin de los campos magnticos en dispositivos

elctricos, tales como transformadores, se estudia en la disciplina de circuitos

magnticos.

Relacin entre Electricidad y Magnetismo

Hans Christian rsted (pronunciado en espaol Oersted. Nacido en

Rudkobing, Dinamarca el 14 de agosto de 1777 Falleci en Copenhague, Dinamarca 9 de marzo de 1851) fue fsico y qumico dans, influido

por el pensamiento alemn de Immanuel Kant y tambin de la filosofa de la

Naturaleza.

Fue un gran estudioso del electromagnetismo. En 1813 predijo la existencia de los

fenmenos electromagnticos, que no demostr hasta 1820, inspirando los

desarrollos posteriores de Andr-Marie Ampre y Faraday, cuando descubri la

desviacin de una aguja imantada al ser colocada en direccin perpendicular a

un conductor elctrico, por el que circula una corriente elctrica, demostrando as

la existencia de un campo magntico en torno a todo conductor atravesado por

una corriente elctrica, e inicindose de ese modo el estudio del

electromagnetismo. Este descubrimiento fue crucial en el desarrollo de

la electricidad, ya que puso en evidencia la relacin existente entre la electricidad

y el magnetismo. Oersted es la unidad de medida de la reluctancia magntica. Se

cree tambin fue el primero en aislar el aluminio, por electrlisis, en1825, y

en 1844 public su Manual de Fsica Mecnica.

Aplicacin del electromagnetismo en la construccin de motores

Un motor elctrico o electromagntico es una mquina elctrica que transforma energa elctrica en energa mecnica. Aprovecha el hecho de que cuando un conductor por el que circula una corriente elctrica se encuentra dentro de la


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accin de un campo magntico, tiende a desplazarse perpendicularmente a las lneas de accin de dicho campo magntico.

La imagen nos ensea el fundamento de un motor. Cuando circula corriente por la espira, sobre cada conductor se ejerce una fuerza magntica, el cual siguiendo la Ley de Lorentz, es perpendicular al plano que forman el campo magntico y el conductor. Sobre los dos conductores paralelos a las lneas del campo magntico, la fuerza es nula, y sobre los conductores perpendiculares a dichas lneas, las fuerzas componen un par que provoca el giro de la espira para llevarla a la posicin vertical (donde el campo magntico que produce la espira se alinea con el campo magntico del imn). Si se mantuviera la corriente, desde que la espira pasa por dicha posicin, el par de fuerzas se opondra a la rotacin. Por eso, la corriente se traslada del circuito exterior a la espira mediante un conmutador formado por dos chapas de metal con forma de media luna, denominadas delgas. Los extremos de la espira o escobillas hacen contacto primero con una delga y despus con la otra, lo que provoca que, mientras la corriente por el circuito exterior tiene siempre el mismo sentido, la corriente en la espira invierta su sentido de circulacin cada medio ciclo. As, el par de fuerzas siempre impulsa la rotacin

Aplicacin del electromagnetismo en la construccin de generadores

Los generadores elctricos son mquinas destinadas a transformar la energa mecnica en elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo magntico sobre los conductores elctricos dispuestos sobre una armadura (denominada tambin estator). Si mecnicamente se produce un movimiento relativo entre conductores y el campo se genera una fuerza electromotriz (F. E. M.).

En la actualidad, la generacin de corriente continua (C. C.) se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversin de corriente alterna (C. A.) a corriente continua (C. C.) mediante los puentes rectificadores. El uso del dnamo para la produccin de energa en forma de corriente continua, se estuvo utilizando


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hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada.

Generadores de corriente continua (Dinamo)

Se puede decir que un dnamo es una mquina elctrica rotativa que produce energa elctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenmeno de induccin electromagntica. Esta mquina consta fundamentalmente de un electroimn encargado de crear un campo magntico fijo conocido por el nombre de inductor y un cilindro donde se desarrollan bobinas de cobre, las cuales se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor que se conoce como inducido.

Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimn inductor, los conductores del inducido cortan en su movimiento el campo magntico fijo y en ellos se induce una fuerza electromotriz inducida, cuyo valor y sentido vara en cada instante con la composicin. Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posicin de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudindose comprobar como se obtiene a la salida una tensin alterna senoidal.


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Generador de corriente alterna

Un alternador es una mquina elctrica, capaz de transformar energa mecnica en energa elctrica, generando una corriente alterna mediante induccin. Un alternador consta de dos partes fundamentales, el Inductor, quien crea el campo magntico y el inducido, que es el conductor atravesado por las lneas de fuerza de dicho campo magntico.

El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energa mecnica en energa elctrica. El generador ms simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magntico uniforme.

El movimiento de rotacin de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroelctrica, o por un chorro de vapor en una central trmica.

El primer caso, una parte de la energa potencial agua embalsada se transforma en energa elctrica; en el segundo caso, una parte de la energa qumica se transforma en energa elctrica al quemar carbn u otro combustible fsil.

Alternador: Generador de corriente elctrica alterna (se llaman monofsicos, bifsicos o trifsicos segn el nmero de fase de la corriente que proporciona). Convierte la energa mecnica en energa elctrica.

Tanto los alternadores como los generadores (dinamos) producen corriente, creando movimiento entre un conductor y un campo magntico, los principios de electromagnetismo controlan e indican cmo se produce esta energa.


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En un alternador, el rotor (que crea el campo magntico) gira dentro del estator (el inductor).

La corriente alterna (A. C.), es inducida en el estator, luego cambia a corriente directa (D. C.) por un puente de diodos, para luego abastecer las necesidades del vehculo.

Los Transformadores

Los transformadores son dispositivos electromagnticos estticos que permiten, partiendo de una tensin alterna conectada a su entrada, obtener otra tensin alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador.

Permiten as, proporcionar una tensin adecuada a las caractersticas de los receptores. Tambin, son fundamentales para el transporte de energa elctrica a largas distancias a tensiones altas, con mnimas prdidas y conductores de secciones moderadas.

Un transformador se proyecta para unas tensiones dadas de servicios en primario y secundario, y una potencia mxima continua que pueda obtenerse en su secundario. El incrementar la tensin en su primario, y por lo tanto la corriente en l mismo, lleva a la saturacin del ncleo magntico, con lo que el mismo no es capaz de transferir mas potencia al secundario y el exceso de potencia de entrada solo produce sobrecalentamientos del ncleo por corrientes parsitas y el devanado primario, por efecto Joule, llevando a la rotura del devanado por fallo del aislante del mismo.


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Ncleo ferromagntico

Conexiones del primario

Conexiones del secundario

Devanado primario

Devanado secundario


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Caractersticas de los imanes

(Visualizar el Campo Magntico)

Materiales:

1 hoja de papel.

1 salero de cristal (vacio).

3 Imanes, uno rectangular, uno de herradura, y una bocina pequea.

Limaduras de hierro.

Notas:

1.- Las limaduras de hierro pueden comprarse en tiendas de juguetes cientficos. Tambin, pueden obtenerse minsculos hilos de hierro (cumplen el mismo papel que las limaduras) cortando con unas tijeras un estropajo de lana de acero (o de hierro), de los que se utilizan en la cocina para fregar las sartenes y cazuelas).

2.- Lo mejor es que previamente forres el imn con plstico del que se utiliza para envolver los alimentos, esto para que no entre en contacto con las limaduras, ya que puede resultar un tanto trabajoso el separarlas

3.- Para recuperar las limaduras separa con cuidado el papel del imn y vuelve a echarlas al recipiente (salero).

Procedimiento:

1.- Rellena el salero con las limaduras de hierro.

2.- Cubre el imn rectangular con la hoja de papel.

3.- Espolvorea lentamente las limaduras de hierro sobre el papel y observa.

4.- Recupera las limaduras.

5.- Repite los pasos del 2 al 4, ahora con el imn de herradura y observa.

6.- Repite los pasos del 2 al 4, ahora con el imn de la bocina y observa.

Experimento 27


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Reporte:

1.- Qu forma tomaron las limaduras sobre el papel?

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2.- Explica

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Lneas de campo magntico en un imn rectangular

Lneas de campo magntico en un imn redondo

Lneas de campo magntico en un imn de herradura


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Caractersticas de los imanes

(Polos Magnticos y Magnitud del Campo Magntico)

Materiales:

1 hoja de papel.

1 recipiente de plstico transparente.

2 Imanes.

Limaduras de hierro.

Aceite de cocina.

Procedimiento:

1.- Toma los dos imanes y colcalos sobre una mesa.

2.- Sujeta solo uno de ellos y acrcalo poco a poco al otro, observa.

3.- Ahora voltea solo uno de ellos y repite el paso anterior, observa.

4.- Coloca la limadura en la hoja de papel.

5.- Pasa el imn por debajo de la hoja de papel y observa.

6.- Coloca la limadura de fierro en el recipiente de plstico y agrega un poco de aceite, que no rebase ms de 2 cm de altura.

7.- Pasa el imn por debajo del recipiente y observa.

Experimento 28


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Reporte:

1.- Qu sucedi con los imanes cuando los acercaste y por qu?

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2.- Despus de voltear uno de los imanes, qu sucedi con el otro imn cuando los acercaste y por qu?

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3.- Qu sucedi con las limaduras sobre el papel?

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4.- Qu sucedi con las limaduras en el aceite?

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5.- Explica esto.

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Relacin entre Electricidad y Magnetismo

(Ley de Oersted)

Materiales:

1 Clavo de hierro grande (de unas 3 pulgadas o ms).

1 batera tipo D.

1 pinza de corte.

2 metros de cable de cobre (del ms delgado que se encuentre).

5 Clavos pequeos.

5 Clips pequeos.

Notas:

1.- Se debe tener mucho cuidado al hacer el electroimn, ya que este se puede calentar mucho.

Procedimiento:

1.- Toma las pinzas de corte y pela en cada punta 1 cm del forro.

2.- Toma el cable de cobre y deja libre unos 20 cm, a partir de ah enrllalo sobre el clavo grande y deja libre otros 20 cm, como se muestra en la figura.

3.- Agrupa por separado los clavos pequeos y los clips pequeos.

4.- Con cuidado, coloca cada punta pelada del cable a la batera (una a cada borne) y acrcalo a los grupos que hiciste y observa.

Experimento 29


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Reporte:

1.- Qu sucedi con los clips y clavos pequeos?

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2.- Por qu? Explica.

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Aplicaciones del Electromagnetismo

(Motores, Generadores y Transformadores Elctricos)

Recomendaciones especiales:

En las siguientes tres prcticas se vern las aplicaciones ms comunes del electromagnetismo, el objetivo principal es desarrollar de manera econmica dichos proyectos donde se demuestren plenamente las leyes del electromagnetismo y su funcin habilidad.

De igual forma se pide que se tenga estricto apego a las instrucciones, este tipo de aplicaciones requiere de mucha exactitud, al tratar de desarrollarlo de manera econmica sin mquinas o equipos especiales se corre el riesgo de que no salgan bien.

Los materiales que se solicita para hacer las siguientes tres prcticas no son caros, pero algunos van a ser difciles de conseguir, ya que hay lugares precisos o especiales para conseguirlos, por tal razn se recomienda verlos con tiempo y tratar de conseguirlos para que dichas prcticas se realicen al 100% y cumplan su objetivo primordial, ver las aplicaciones del electromagnetismo.

Lista de materiales:

Material Cantidad Utilidad / Recomendacin / Especificacin

Cable esmaltado 1 bobina Delgado del #30, para la construccin de rotores.

Probador electrnico 1 pieza Medidor de resistencia, voltaje de C. C. y C. A.

Imn permanente 4 piezas De cermica de 1cm X 2cm X 3cm.

Alambre galvanizado 2 metro De 1.1mm para hacer soportes

Tornillo cabeza redonda 4 piezas 3.5 mm de dimetro X 16 mm de longitud.

Clavo grande 1 pieza 8 cm.

Foco miniatura 1 pieza De 1.5 Volts a 25 mA.

Tira de cartn 1 pieza 8 cm X 30 cm.

Madera gruesa 1 pieza 2 cm de grueso X 10 cm largo X 6 cm ancho.

Madera gruesa 1 pieza 2 cm de grueso X 20 cm largo X 20 cm ancho.

Pila 1 pieza Tipo D de 1.5 Volts.

Pila 1 pieza Cuadrada de 9 Volts.

Cable con aislante 1 metro Del No. 20 AWG.

Regla 1 pieza De 30 cm. De plstico, madera o metal.

Destornilladoro 2 piazas Uno plano y otro de cruz.

Papel lija 1 pieza Para limpiar el esmalte, se puede usar un exacto.

Lapiz 1 pieza Para hacer marcas.

Tijeras I pieza Para hacer cortes en el cartn.

Pinzas de punta y corte 2 pieza Para doblar y cortar cables.

Barrena manual (broca) 1 pieza Para la colocacin de tornillos.


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Aplicaciones del Electromagnetismo

(Motor Elctrico)

Materiales:

1 imn permanente, de 1cm X 2cm X 3cm.

1 m de cable esmaltado.

2 tornillos de cabeza redonda,

Experimentos de Fisica

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