Fin Modulo Fisica-quimica
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Fsica y Qumica Segundo de Bachillerato
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SEGUNDO DE BACHILLERATO
NOMBRE: ___________________
PARALELO: __________________
AO LECTIVO
2014 - 2015
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Fsica y Qumica Segundo de Bachillerato
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Contenido
BLOQUE N 1 ............................................................................................................................. 1
Electricidad y Magnetismo ........................................................................................................ 1
LECCION N 1 ............................................................................................................................ 3
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO ......................................................................................... 3
LECCION N 2 .......................................................................................................................... 23
RESISTENCIA ELCTRICA Y CIRCUITOS ELCTRICOS ............................................. 23
LECCION 3 ................................................................................................................................ 35
LECCION N 4 .......................................................................................................................... 48
INDUCCIN ELECTROMAGNTICA .................................................................................. 48
LECCION 5 ................................................................................................................................ 63
CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA ....................................................... 63
BLOQUE N 2 ........................................................................................................................... 76
Calor y Temperatura ................................................................................................................ 76
LECCION N 6 .......................................................................................................................... 78
CALOR Y TEMPERATURA .................................................................................................... 78
DILATACIN DE SLIDOS Y LQUIDOS ........................................................................... 90
LECCION N 8 ........................................................................................................................ 102
TERMODINMICA ................................................................................................................. 102
LECCION N 9 ........................................................................................................................ 114
LOS ESTADOS DE LA MATERIA, PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO ............. 114
LECCION N 10 ...................................................................................................................... 127
LEYES DE LOS GASES ....................................................................................................... 127
BLOQUE N 3 ......................................................................................................................... 143
Los estados de la materia ..................................................................................................... 143
LECCION N 11 ...................................................................................................................... 145
ECUACIN GENERAL DE ESTADO ................................................................................. 145
LECCION N 12 ...................................................................................................................... 155
GASES REALES .................................................................................................................... 155
LECCION N 13 ...................................................................................................................... 164
SOLUCIONES ......................................................................................................................... 164
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BLOQUE N 4 ......................................................................................................................... 179
cidos, Bases y Sales ........................................................................................................... 179
LECCION N 14 ...................................................................................................................... 181
CIDOS y BASES ................................................................................................................ 181
LAS SALES ............................................................................................................................. 191
LECCION N 16 ...................................................................................................................... 199
ELECTROLITOS Y NO ELECTROLITOS ......................................................................... 199
LECCION N 17 ...................................................................................................................... 208
EQUILIBRIO QUMICO ......................................................................................................... 208
LECCION N 18 ...................................................................................................................... 218
CONSTANTE DE EQUILIBRIO............................................................................................ 218
BLOQUE N 5 ......................................................................................................................... 226
Equilibrio qumico y velocidad de reaccin ........................................................................ 226
LECCION N 19 ...................................................................................................................... 228
OXIDACIN REDUCCIN ................................................................................................ 228
LECCION N 20 .................................................................................................................. 243
Propiedades de los metales.................................................................................................. 244
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BLOQUE N 1
Electricidad y Magnetismo
TEMAS A TRATAR:
1. Relacionar la electricidad con el magnetismo
2. Componentes y circuitos elctricos
3. Diferenciar clases de corrientes.
OBJETIVO DEL BLOQUE:
Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un
circuito elctrico y de un circuito magntico. Explicar el proceso electroltico.
DESTREZAS CON CRITERIO DE DESEMPEO:
1. Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripcin de los
flujos de electrones, la corriente elctrica, la explicacin e interpretacin de la
ley de Ohm, la resistencia y los circuitos elctricos, la electrlisis, el entramado
existente entre energa, calor y potencia elctrica y el anlisis de los campos
magnticos generados por una corriente elctrica o por un imn.
2. Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un
circuito elctrico y de un circuito magntico. Explicar el proceso electroltico.
3. Analizar circuitos magnticos con la descripcin inicial de los instrumentos de
medicin ms utilizados en este campo, como los galvanmetros,
ampermetros y voltmetros
4. Diferenciar entre corriente continua y corriente alterna, mediante la observacin
y anlisis en una prctica de laboratorio sobre recubrimientos electrolticos para
conocer sus aplicaciones y concienciar sobre el ahorro de energa elctrica
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INDICADORES ESENCIALES DE EVALUACIN:
1. Relaciona la electricidad con el magnetismo a partir de la descripcin de los
flujos de electrones, la corriente elctrica, la explicacin e interpretacin de la
ley de Ohm, la resistencia y los circuitos elctricos, la electrlisis, el entramado
existente entre energa, calor y potencia elctrica y el anlisis de los campos
magnticos generados por una corriente elctrica o por un imn.
2. Distingue componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un
circuito elctrico y de un circuito magntico. Explicar el proceso electroltico.
3. Analiza circuitos magnticos con la descripcin inicial de los instrumentos de
medicin ms utilizados en este campo, como los galvanmetros,
ampermetros y voltmetros
4. Diferencia entre corriente continua y corriente alterna, mediante la observacin
y anlisis en una prctica de laboratorio sobre recubrimientos electrolticos para
conocer sus aplicaciones y concienciar sobre el ahorro de energa elctrica
EJE TRANSVERSAL DEL BUEN VIVIR:
El correcto desarrollo de la salud y la recreacin de los estudiantes
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LECCION N 1
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Destreza con criterio de desempeo:
Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la
descripcin de los flujos de electrones, la corriente elctrica, la
explicacin e interpretacin de la ley de Ohm, la resistencia y los
circuitos elctricos, la electrlisis, el entramado existente entre
energa, calor y potencia elctrica y el anlisis de los campos
magnticos generados por una corriente elctrica o por un imn.
Objetivo del bloque:
Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la
descripcin de los flujos de electrones, la corriente elctrica, la
explicacin e interpretacin de la ley de Ohm, la resistencia y los
circuitos elctricos, la electrlisis, el entramado existente entre
energa, calor y potencia elctrica y el anlisis de los campos
magnticos generados por una corriente elctrica o por un imn.
Contenido:
Flujo de electrones: electricidad y magnetismo
tomo: es la unidad de materia ms pequea de un
elemento qumico que mantiene su identidad o sus
propiedades, y que no es posible dividir
mediante procesos qumicos. Est compuesto
por un ncleo atmico, en el que se concentra
casi toda su masa, rodeado de una nube de
electrones.
PARTCULAS INESTABLE
DEL TOMO
POSITRN: partcula
elemental, antipartcula
del electrn. Posee la
misma cantidad de masa
y carga elctrica; sin
embargo, esta es positiva.
No forma parte de la
materia ordinaria, sino de
la antimateria.
NEUTRINO: Partculas sin
masa elctricamente
neutras, que responden a
la fuerza nuclear dbil
pero no a la fuerza
nuclear fuerte ni a las
fuerzas
electromagnticas.
DIPROTN: es un
hipottico tipo de ncleo
de helio consistente en
dos protones y sin
neutrones. Los diprotones
no son estables.
PARTCULA ALFA: Las
partculas () son ncleos
completamente ionizados,
es decir, sin su envoltura
de electrones
correspondiente.
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Partculas presentes en el tomo:
1. Partculas estables: protn electrn neutrn.
2. Partculas inestables: positrn neutrino diprotn partcula alfa mun pin
quartz, etc.
Partes del tomo:
1. Ncleo: sitio en el cual se alojan los protones y neutrones. En este se encuentra
toda la masa del tomo.
2. Nube, corona o envoltura: es donde se encuentran los electrones en
permanente dinamia con sus dos movimientos.
- De traslacin: alrededor del ncleo.
- De rotacin: sobre su propio eje.
Para el tema que vamos a tratar, son los
electrones los que juegan un papel muy
importante, por lo que recordamos que los
mismos en el tomo se encuentran
ubicados en los llamados niveles
cunticos, que son siete, sealados con los nmeros 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Antiguamente
fueron conocidos como capas u rbitas que se identificaban con las letras K, L, M, N,
O, P, Q.
Existen los llamados subniveles u orbitales, indicados mediante las letras S, Px, Py,
Pz. As los electrones se disponen en los niveles de acuerdo a la frmula 2N2.
Carga del electrn: tiene carga negativa, esto se comprob en el experimento
realizado por Crookes en los llamados tubos de vaci, donde los electrones o rayos
catdicos fueron desviados en su trayectoria por los polos de un imn de acuerdo al
principio de que cargas elctricas del mismo signo se repelen y de diferente
signo se atraen.
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Energa del electrn: Tomando en cuenta que el ncleo del tomo se encuentra
cargado positivamente, este ejerce atraccin sobre los electrones, por tanto al suprimir
electrones que se mueven en el nivel uno, estos tienen menor energa que los que
estn en el nivel siete debido a la mayor distancia que existe entre este nivel y el
ncleo.
Los electrones que se sitan en el ltimo nivel de cada tomo se denominan
electrones de valencia, de gran inters en los enlaces de los tomos para formar las
molculas.
ELECTRICIDAD
Constituye una forma especial de transmisin de
energa, caracterizada por el transporte de
materia mediante el movimiento de electrones
del ltimo nivel cuntico.
Naturaleza de la electricidad
Electricidad viene de la palabra electrn, que
significa mbar, esta es una sustancia resinosa y
gomosa, la misma que presenta una propiedad muy interesante que consiste en poder
atravesar cuerpos livianos cuando son frotados en un pedazo de cuero o fragmento de
piel de conejo.
Ejemplos:
Frotar una regla de plstico con un pedazo de seda. La regla adquiere la
carga elctrica negativa y es capaz de atraer pedacitos de papel.
Frotar una peinilla seca en el cabello, adquiere la carga negativa y,
tambin, puede atraer pedacitos de papel.
Los automviles en movimiento adquieren electricidad por el rozamiento
con el aire.
Masa del electrn: 6,109 x 10-23 gramos.
Masa atmica del electrn: 0,0005486 UMA.
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Qu es el flujo elctrico?
En la antigedad cuando la ciencia se mezclaba con el misterio, los autores Du Fay y
Franklin manifestaban que todo cuerpo tena fluido que no se puede ver y que no
tiene masa, pero s tena carga elctrica, y que se podan transmitir o pasar de un
cuerpo a otro. Posteriormente a este fluido se lo llam electrones.
De acuerdo a la cantidad de fluido que contena un cuerpo existan tres clases de
cuerpos, as:
1. Cuerpos positivos: aquellos que cuando son frotados adquieren carga positiva
porque pierden fluido.
2. Cuerpos negativos: aquellos que adquieren carga negativa ganando fluido.
3. Cuerpos neutros: aquellos que mantienen constante fluido.
De aqu se deduce la LEY DE LA CONSERVACIN DE LA CARGA ELCTRICA,
que dice la carga elctrica ni se crea ni se destruye, solo se transfiere de un
cuerpo a otro. Esto significa que la cantidad de fluido permanece constante.
Por lo tanto, la electrizacin consiste en la transferencia de carga elctrica entre dos
cuerpos que se frotan y se produce el paso de electrones de un cuerpo a otro.
LA CORRIENTE ELCTRICA
Consideremos dos cuerpos metlicos: el uno
tiene un exceso de electrones libres, por lo
mismo tiene carga negativa; el otro, en
cambio, tiene deficiencia de electrones, por lo
que tiene carga positiva. Si se unen los dos
cuerpos mediante un conductor, habr un
desplazamiento de electrones del que tiene
exceso de electrones al que no lo tiene, hasta
establecer un equilibrio.
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Sentido de la corriente
Existen dos sentidos de desplazamiento de los electrones:
1. Sentido real: es el que se desplaza del polo negativo al polo positivo, esto es, del
que tiene un mayor nmero de electrones libres al de menor nmero. Este sentido
se usa en electricidad.
2. El sentido convencional: es contrario al anterior: va del polo positivo al negativo.
Cabe sealar que en los metales, los
electrones de los ltimos niveles no
permanecen unidos a los tomos, no
estn en los niveles. Por ello reciben el
nombre de electrones libres.
Son los metales los que se caracterizan por tener electrones libres, que pueden ser
desplazados fcilmente. De all que existen metales de primera clase que tienen
muchos electrones libres como la plata, el platino; metales de segunda y tercera clase
que tienen pocos electrones libres como el plomo, el estao.
Trminos usados en electricidad
Diferencia de potencial, de voltaje o de tensin (V): es el desnivel elctrico que
existe entre dos puntos determinados en un circuito. La unidad es el voltio.
Todas las sustancias que poseen electrones libres como los metales, permiten el
desplazamiento de cargas elctricas a travs de ellos. Por eso se llaman conductores de
la electricidad.
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Cantidad de electricidad (Q): constituye la cantidad total de electrones que circula
por un alambre o conductor en un circuito elctrico. La unidad es el Culombio = 6.3 x
1018e-.
Intensidad (I): es la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en un
segundo. La unidad es el Amperio (A). Esta, est relacionada con la cantidad de
corriente y el tiempo. De all se obtiene la frmula:
Resistencia (R): es la dificultad que presenta un cuerpo al paso de la corriente
elctrica. La unidad es el Ohmio ().
=
I = intensidad (en A).
Q = cantidad de electricidad (en Q).
t = tiempo (segundos).
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No todos los cuerpos tiene el mismo valor de resistencia; al contrario, esta depende de
su constitucin atmica. Por ejemplo, si se combinan dos circuitos en los que se
intercala dos lminas metlicas (resistencias) una de plomo y otra de cobre, se
observa que la lmina de plomo presenta mayor
resistencia que la lmina de cobre. Esto significa que
los electrones que vienen del generador al llegar a la
lmina de plomo, muestran enorme resistencia y
salen de la lmina muy pocos electrones. Lo
contrario sucede cuando en el circuito se interpone
una lmina de cobre: los electrones encuentran muy
poca resistencia y circulan con facilidad, salen de la
lmina con el mismo nmero de electrones de los
que entran. Luego, los metales presentan diferentes
resistencias al paso de electrones.
El metal plomo es un mal conductor de los electrones por eso se usa ms bien como
fusible, en cambio el cobre es buen conductor.
LEY DE OHM
Establecida por el fsico alemn George Simn Ohm, que dice:
En un circuito elctrico, la intensidad de la
corriente que recorre, es directamente
proporcional al voltaje e inversamente
proporcional a la resistencia.
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Amperio: es la intensidad de la corriente que circula por la resistencia de un ohmio,
cuando el voltaje es de un voltio.
Ohmio: es la resistencia que presenta un conductor cuando por l circula una
corriente de un amperio con un voltio de potencia.
Voltio: es la fuerza electromotriz
necesaria para que por la resistencia de
un ohmio circule un amperio de
intensidad.
Aclaraciones a la ley de Ohm
Por lo explicado en lneas anteriores se tiene que un circuito consta de:
a. Un generador o batera.
b. Una resistencia.
c. Un ampermetro que marca la circulacin de la corriente de cierta intensidad a
travs de una resistencia.
Conclusin: si la resistencia permanece constante, la intensidad de la corriente es
directamente proporcional al voltaje. Aumenta la intensidad cuando aumenta el voltaje
ENERGA, CALOR Y POTENCIA ELCTRICA
Se dice que un cuerpo posee energa cuando es capaz de
realizar un trabajo, como puede demostrarse con los
siguientes ejemplos:
1. Una persona amante del deporte acutico rema una
canoa, pero para mover la embarcacin tiene que
gastar energa y as realiza el trabajo de poner en
movimiento la canoa.
Energa es la capacidad para realizar un trabajo.
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2. Un levantador de pesas, para levantar las pesas de 100 kilos pone en accin su
energa, est realizando un trabajo. La energa le proporciona los alimentos que
ingiere diariamente.
3. El vapor de agua realiza un trabajo al mover una turbina gracias a la energa que
posee.
Estos ejemplos permiten sealar que:
entre trabajo y energa existe una
relacin importante.
De acuerdo a la actividad, se
distinguen dos clases de energa:
1. Energa cintica o de
movimiento: es aquella que tiene
un cuerpo o un sistema en
movimiento para realizar un
trabajo, por ejemplo, un torrencial
aguacero, un viento fuerte, un
carro en movimiento, un toro en el tentadero, cuando se lanza una piedra, cuando
navega un barco.
Un cuerpo en movimiento tiene energa cintica y por lo tanto puede realizar un
trabajo.
2. Energa potencial de reposo, gravitacional o de posicin: es aquella energa
almacenada que tiene un cuerpo en relacin con la posicin en la que se
encuentra o a su composicin qumica. Por ejemplo el agua estancada en una
represa, el agua que se encuentra en
una cisterna en el dcimo piso, una teja
que est en el techo y un martillo
levantado tienen energa potencial
puesto que estn en capacidad de
realizar un trabajo. De acuerdo a los
ejemplos citados el trabajo consiste en
mover turbinas, clavar un clavo,
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desplazarse un cuerpo. La dinamita, la gasolina y una batera tienen energa
potencial debido a la composicin qumica.
Otros tipos de energa son:
Energa radiante: se presenta en
forma de ondas que pueden ser
luminosas y visibles a simple vista
como la luz solar, la luz de un foco.
Tambin pueden ser invisibles
como la energa de los rayos
ultravioletas, rayos X.
Energa trmica o calrica: es
aquella que est relacionada con la
temperatura de un cuerpo. Por
ejemplo, la energa que produce
una cocina de gas que calienta y
hierven los lquidos.
Energa nuclear: es aquella que
por efecto de ruptura o fusin de
tomos se libera en forma
extraordinaria. Actualmente es
motivo de estudio para el provecho
de la humanidad, sobre todo si se
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toma en consideracin que los yacimientos de petrleo del mundo se agotarn en
poqusimo tiempo.
Transformacin de una forma de energa en otra
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Es posible que una forma de energa se transforme en otras. Por ejemplo, en una
central elctrica se tiene una serie de formas de energa, inicindose desde la
potencial que es la posicin del agua en lo alto del reservorio, esta desciende por los
tubos transformndose en cintica, el agua mueve las turbinas y se transforma en
elctrica y sta puede convertirse en luz, en trmica en los reverberos y en mecnica
cuando mueve los motores.
Otros ejemplos de transformaciones de energa se pueden apreciar en la siguiente
lista.
Luz solar.
Fotosntesis.
Quemar lea.
Produccin de vapor.
Mover un generador.
Encender un foco.
Mover una mquina de coser.
(energa lumnica)
(energa qumica)
(energa calrica)
(energa calrica)
(energa elctrica)
(energa lumnica)
(energa mecnica)
LEYES DE LA ENERGA
Ley de la conservacin de la energa: La energa
no se crea ni se destruye, nicamente se
transforma
Albert Einstein en 1905 manifest que la materia y
la energa estn en ntima relacin, lo que est
demostrado en la ecuacin: E = mc2.
E = cantidad de energa (expresada en julios)
m = cantidad de materia (expresada en kg)
c = velocidad de la luz al cuadrado (300 000 km/s)
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Al aplicar la ecuacin de Einstein se comprueba que si un kilogramo de masa se
transforma en energa, se produce tanto calor, que se puede elevar la temperatura de
215 000 000 kilogramos de agua, en unos 100 grados centgrados.
Por lo tanto, la materia se puede convertir en energa y la energa en materia, pero el
total de la masa y la energa del universo es constante.
La materia y energa son dos formas diferentes en una misma cosa.
Potencia elctrica de un circuito
En el grfico se demuestra que cuando
la cargas elctricas pasan de un punto a
otro, esto es, del punto, pierden energa
elctrica, la misma que se transforma
en otro tipo de energa como lumnica,
calrica, una radio, TV, plancha,
aspiradora, afeitadora, etc.
Del grfico se aprende tambin, que si el
circuito estara formado por el alambre
que une la salida y la entrada de la corriente a la batera, la intensidad no variara, y la
potencia sera la misma.
Pero si se interrumpe el trnsito de la corriente intercalando unas resistencias
representadas por un foco, una radio, un televisor, una plancha, entre los puntos A, B
del circuito indicando, es lgico pensar y comprobar que la intensidad o potencia va a
disminuir, pues existir una diferencia entre los puntos A y B. Habr ms energa, ms
potencia en el punto A y menor en el B.
De manera que la energa perdida entre estos dos puntos se transformar en otro tipo
de energa: lumnica, calrica, etc.
Efecto joule
Consiste en la transformacin de la energa elctrica en calor (energa trmica)
mediante una resistencia que ha sido atravesada por una corriente elctrica.
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Con el grfico se demuestra que la energa elctrica ha disminuido su valor porque las
cargas al pasar del punto A al B se
transforman en energa calrica, es
decir en calor, que se pone en
manifiesto porque la resistencia se
pone al rojo y emite calor. La
intensidad de la corriente disminuye.
Un fenmeno similar se observa
cuando se prende un reverbero
elctrico, una ducha elctrica, un
foco. Este efecto de transformacin
de la energa elctrica en calor se llama efecto joule.
Aplicaciones del efecto joule
Principalmente se lo usa y aplica en el hogar para obtener calor y luz. Con los
ejemplos ya citados de un foco, planta, TV, aspiradora, horno elctrico, cocina
elctrica, ducha, queda explicado.
En el caso particular de un foco comn en su interior existe un alambre, resistencia o
filamento hecho de un metal especial como tungsteno que se caracteriza porque se
funde a alta temperatura y est en forma enrollada. Este filamento que se calienta
obtenindose la conversin de la energa elctrica en calor y luz.
El efecto Joule, tambin se usa en la fabricacin e instalacin de los llamados
fusibles, que se emplean para limitar la corriente que circula a travs de un circuito
elctrico.
Estn fabricados con metales o aleaciones que se funden a bajas temperaturas como
el estao y el plomo. Cuando la corriente normal circula por el fusible, este aguanta, no
se funde; pero s hay un aumento de voltaje, el fusible se funde (se hace lquido) por lo
cual se desconecta el circuito evitando que los aparatos electrodomsticos se quemen
o se produzca un corto circuito provocando incendios.
http://www.continental.edu.ec/http://www.google.com.ec/imgres?q=efecto+joule&um=1&hl=es&sa=N&qscrl=1&rlz=1T4ADFA_esEC411EC412&biw=1058&bih=449&tbm=isch&tbnid=eJ9Usb5eAYWS9M:&imgrefurl=http://eltamiz.com/2010/01/13/electricidad-i-efecto-joule/&docid=DUrFOxeMfFSiqM&imgurl=http://eltamiz.com/images/2010/January/circuito-bombilla-1.png&w=500&h=289&ei=a-1hUIz6D4Og9QTxy4HIAQ&zoom=1&iact=hc&vpx=64&vpy=62&dur=9603&hovh=171&hovw=295&tx=161&ty=43&sig=110882587751254122959&page=1&tbnh=84&tbnw=146&start=0&ndsp=13&ved=1t:429,r:7,s:0,i:117 -
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Por lo expuesto, se ha demostrado que la energa elctrica se transforma en calor y
luego en luz.
BIBLIOGRAFA:
ARMENDARIS, G., (2012). Armendaris 2: Fsica y Qumica, 2do Ao de
Bachillerato General Unificado. Ediciones Maya. Quito Ecuador:
BURNS. R. (2003). Fundamentos de Qumica. Edit. Pearson. (4ta ed.). Mxico.
http://www.continental.edu.ec/http://www.google.com.ec/imgres?q=aplicaciones+efecto+joule&um=1&hl=es&sa=N&qscrl=1&rlz=1T4ADFA_esEC411EC412&biw=1058&bih=449&tbm=isch&tbnid=dbxvUl5WNJFxKM:&imgrefurl=http://www.emagister.com/curso-electricidad-fisicos-tecnicos/aplicaciones-efectos-termico-luminoso&docid=QEcDCrNdLYbclM&imgurl=http://imagenes.mailxmail.com/cursos/imagenes/1/0/aplicaciones-de-los-efectos-termico-y-luminoso_20801_11_1.gif&w=250&h=350&ei=me5hUK2wDIfk9ATsl4CwDA&zoom=1&iact=hc&vpx=260&vpy=2&dur=328&hovh=266&hovw=190&tx=105&ty=48&sig=110882587751254122959&page=2&tbnh=130&tbnw=89&start=12&ndsp=17&ved=1t:429,r:1,s:12,i:114 -
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INVESTIGO 1
Investigar sobre el tomo, sus partes y las 3 teoras atmicas.
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PARALELO _____________________________
GLOSARIO 1
1. Defina los siguientes trminos:
Electricidad: ___________________________________________________
Electrones libres: _____________________________________________
Corriente elctrica: _____________________-_______________________
Resistencia: ____________________________________________________
Intensidad: ____________________________________________________
2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la leccin con su concepto:
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PARALELO _____________________________
RESUMO 1
Dibuje un circuito simple y explique su funcionamiento.
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CUESTIONARIO 1
1. ESCRIBA LA LETRA V O F SI CONSIDERA QUE LA RESPUESTA ES
VERDADERA O FALSA:
a) Cuando una peinilla sea se frota en el cabello, adquiere carga. ( )
b) Cuando se frotan dos cuerpos se produce paso de electrones. ( )
c) Una carga elctrica se destruye. ( )
d) Cuando un cuerpo pierde electrones, se carga negativamente. ( )
e) En lo mismo decir tensin que voltaje. ( )
f) La intensidad de la corriente se mide en Culombios. ( )
g) La intensidad es directamente proporcional al voltaje. ( )
h) Los electrones libres se localizan en los niveles cunticos ( )
i) Cuando los electrones se mueven el fenmeno se llama electricidad( )
j) El electrn tiene un solo movimiento ( )
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2. COLOQUE EN EL PARNTESIS LA LETRA QUE LE CORRESPONDE A
CADA ENUNCIADO
A. Luz solar, luz de un foco, rayos
ultravioletas, rayos X.
( ) ENERGA POTENCIAL
B. Bombas nucleares.
( ) ENERGA TRMICA
C. Torrencial aguacero, viento fuerte,
carro en movimiento.
( ) ENERGA RADIANTE
D. Energa que produce una cocina de
gas que calienta y hierve lquidos.
( ) ENERGA CINTICA
E. Agua estancada en una represa,
martillo levantado.
( ) ENERGA NUCLEAR
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LECCION N 2
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Destreza con criterio de desempeo:
Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripcin de los flujos de
electrones, la corriente elctrica, la explicacin e interpretacin de la ley de Ohm, la
resistencia y los circuitos elctricos, la electrlisis, el entramado existente entre
energa, calor y potencia elctrica y el anlisis de los campos magnticos generados
por una corriente elctrica o por un imn.
Objetivo del bloque:
Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un
circuito elctrico y de un circuito magntico. Explicar el proceso electroltico.
Contenido:
RESISTENCIA ELCTRICA Y CIRCUITOS ELCTRICOS
Las planchas, los focos y las hornillas de las cocinas elctricas, as como algunos
elementos de ciertos aparatos elctricos, suelen ser llamados resistencias, debido a
que presentan una tendencia a evitar que una corriente elctrica fluya a travs de
ellos. Esta caracterstica se conoce con el nombre de resistencia elctrica (R).
Cuando un voltaje (V) se aplica a los extremos de un conductor elctrico, fluye en el
conductor una corriente elctrica, i. De esta manera, la resistencia del conductor se
expresa como:
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Esta expresin permite demostrar que, a medida que aumenta la resistencia generada
por el conductor, disminuye la intensidad de corriente que pasa por l.
En el SI, la resistencia elctrica se expresa en Ohmios (V), en memoria del fsico
alemn George S. Ohm.
Resistividad de un material
La resistencia de cualquier material con un rea
transversal uniforme depende de cuatro aspectos:
longitud, rea de la seccin transversal, clase del
material y temperatura.
Si consideramos diferentes conductores, como los
que se observan en la figura 10, es posible calcular
que, cuando hay una mayor longitud, existe una
gran probabilidad de choques entre las cargas, por
lo cual se ofrece una mayor oposicin al paso de la
corriente y aumenta as la resistencia del material.
Experimentalmente se encuentra que la resistencia,
R, y la longitud, l, son dos magnitudes directamente
proporcionales, es decir:
Si la superficie transversal presenta una mayor rea (figura 10b), existe un mayor flujo
elctrico, as como ocurre con el flujo de agua en un tubo de gran dimetro en
comparacin con uno ms angosto.
Si este flujo es mayor, la resistencia que ofrece el conductor es menor, por lo cual se
presenta una relacin inversamente proporcional:
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Sin embargo, tambin influye la resistividad elctrica (r) propia de cada material. Por
tanto, la resistencia elctrica de un conductor queda definida por la expresin:
As, para cada material, la medida de la
resistencia de un conductor de 1 m de largo y
de 1 m2 de rea se conoce como resistividad y
se mide en ohmios por metro
La resistividad de un material y, por tanto, la resistencia dependen de la temperatura,
ya que al elevar la temperatura de un conductor aumenta la rapidez del movimiento
aleatorio de las cargas; por ello, disminuye el orden de su arreglo, lo cual influye en el
flujo de electrones.
Asociacin de resistencias
En los circuitos elctricos se utilizan conductores que se caracterizan por su
resistencia. Estos conductores, utilizados para unir el resto de los elementos de un
circuito, tienen una resistencia despreciable y solamente las llamadas resistencias
elctricas tienen un valor significativo de esta magnitud.
En un circuito pueden usarse varias resistencias. En esta situacin se define la
resistencia equivalente (Req) de un conjunto de resistencias como el valor de una
resistencia hipottica por la cual, al aplicarle la misma diferencia de potencial que al
conjunto, circula la misma intensidad de corriente elctrica que en el conjunto. En la
siguiente figura se representa la resistencia equivalente para un conjunto de
resistencias.
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Resistencias en serie
Dos o ms resistencias se encuentran asociadas en
serie cuando estn conectadas unas a continuacin de
otras, de tal forma que cada una de ellas es parte del
circuito, como se observa en la figura 11.
En este caso, todas las cargas que circulan por la
primera resistencia pasan por la segunda y las que
circulan por la segunda resistencia pasan por la
tercera, y as sucesivamente. Por tanto, la intensidad de corriente que fluye por cada
resistencia siempre es la misma, es decir:
Resistencia Equivalente
DEFINICIN: La resistencia equivalente a varias resistencias asociadas en serie es igual a la
suma de todas las resistencias conectadas.
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Resistencia en paralelo
En el caso de las resistencias asociadas en
paralelo, estas se encuentran unidas de sus
extremos; es decir que cada una de ellas forma
parte de una rama diferente que divide el
circuito, tal como se observa en la figura 12.
Como las resistencias no se encuentran
distribuidas de la misma manera, las cargas
que llegan al punto A se reparten:
Por la rama en la cual se encuentra la
resistencia R1.
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R2.
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R3.
Por tanto, la intensidad de corriente se divide por cada una de las ramas. Como la
carga elctrica se conserva, el nmero de cargas que circulan por las tres ramas
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corresponde al nmero de carga que ingres en el punto A y que posteriormente
saldr por el punto B, es decir: i = i1 + i2 + i3
Las cargas elctricas no se reparten por las diferentes ramas de forma aleatoria; estas
se desplazan hacia la rama del circuito en la cual la resistencia es menor. De esta
manera, la intensidad es menor por la rama del circuito en la que la resistencia es
mayor.
Electrlisis
La electrlisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de
la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el ctodo
(una reduccin) y la liberacin de electrones por los aniones en el nodo (una
oxidacin).
Proceso
Se aplica una corriente elctrica continua mediante un par
de electrodos conectados a una fuente de alimentacin elctrica y sumergidos
en la disolucin. El electrodo conectado al polo positivo se conoce
como nodo, y el conectado al negativo como ctodo.
Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. As, los iones negativos,
o aniones, son atrados y se desplazan hacia el nodo (electrodo positivo),
mientras que los iones positivos, o cationes, son atrados y se desplazan hacia
el ctodo (electrodo negativo).
http://www.continental.edu.ec/http://es.wikipedia.org/wiki/Descomposici%C3%B3n_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electricidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electrodohttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electrolitohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodohttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1todohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ani%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cati%C3%B3n -
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AMPERMETRO, GALVANMETRO, VOLTMETRO Y MULTMETRO
AMPERMETRO: mide la intensidad de corriente
que circula por una conexin. Este artefacto se co-
necta intercalado al inicio o al final de la conexin,
de tal manera que la corriente pase a travs de l.
GALVANMETRO: es
todo instrumento que
puede indicar la presencia de corriente en una conexin.
De acuerdo con su calibracin, este instrumento puede
medir intensidades de varios cientos de amperios; es decir,
se pueden realizar mediciones en amperios, miliamperios o
microamperios.
VOLTMETRO: mide la diferencia de
potencial o voltaje. Para medir el voltaje
al que se encuentra conectado un foco,
se conecta cada terminal del voltmetro
del foco, sin intercalar el instrumento en
la conexin.
MULTMETRO: instrumentos de medida que permiten
realizar medidas del voltaje o de la corriente de una
conexin. Son muy habituales y se encuentran con
mayor facilidad en el mercado que los ampermetros y
voltmetros.
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INVESTIGO 2
Investiga explica la utilidad que brindan las resistencias elctricas:
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GLOSARIO 2
1. Defina los siguientes trminos:
Electrolito:_______________________________________________
Electrodo:________________________________________________
Voltaje:__________________________________________________
Resistencia elctrica:______________________________________
Magnitud:________________________________________________
2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la leccin con su concepto:
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RESUMO 2
Realice un resumen de los instrumentos de medicin ms utilizados en
electricidad:
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CUESTIONARIO 2
1. SEALE LA RESPUESTA CORRECTA:
I. La resistencia de cualquier material con un rea transversal uniforme
depende de:
a. La longitud, rea de la seccin transversal, clase del material y
temperatura.
b. La masa, el peso y la densidad.
c. Del rea de la seccin transversal, de la gravedad, del material por la
que est constituido.
II. La funcin de un generador elctrico es:
a) No suministrar energa a los electrones libres de un conductor.
b) Suministrar energa a los protones y neutrones de un conductor, de tal
modo que pueda recorrer la conexin elctrica.
c) Suministrar energa a los electrones libres de un conductor, de tal modo
que pueda recorrer la conexin elctrica.
III. Resistencia equivalente de un conjunto de resistencias es:
a) El inverso de la resistencia equivalente de varias resistencias asociadas
en paralelo es igual a la suma de los inversos de las resistencias que se
asocien.
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b) El valor de una resistencia hipottica por la cual, al aplicarle la misma
diferencia de potencial que al conjunto, circula la misma intensidad de
corriente elctrica que en el conjunto.
c) No se crea ni se destruye, nicamente se transforma.
2. ESCRIBA VERDADERO (V) O FALSO (F) SEGN CORRESPONDA:
a) La resistencia tiene como unidad el Ohm. ( )
b) La resistencia elctrica ayuda a conducir la corriente elctrica. ( )
c) La resistividad depende de la clase o tipo de material ( )
d) las resistencias en serie se encuentran unidos de sus extremos o rama
diferentes. ( )
e) La electrlisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por
medio de la electricidad. ( )
3. COLOQUE EN EL PARNTESIS LA LETRA QUE LE CORRESPONDA.
A. Ampermetro Indica la presencia de corriente en una reaccin
B. Voltmetro Mide la intensidad de corriente
C. Galvanmetro Mide el voltaje
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LECCION 3
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Destreza con criterio de desempeo:
Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripcin de los flujos de
electrones, la corriente elctrica, la explicacin e interpretacin de la ley de Ohm, la
resistencia y los circuitos elctricos, la electrlisis, el entramado existente entre
energa, calor y potencia elctrica y el anlisis de los campos magnticos generados
por una corriente elctrica o por un imn.
Analizar circuitos magnticos con la descripcin inicial de los instrumentos de medicin
ms utilizados en este campo, como los galvanmetros, ampermetros y voltmetros
Objetivo del bloque:
Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un
circuito elctrico y de un circuito magntico. Explicar el proceso electroltico.
MAGNETISMO
Magnetismo natural: Los imanes
Los fenmenos magnticos, como los elctricos, se
conocen desde la Antigedad; sin embargo, pudieron
explicarse recin en el siglo XIX. No se sabe en qu
momento se percibi por primera vez la existencia de
los fenmenos magnticos, aunque existe una
referencia de hace 2 000 aos sobre ciertas piedras
que atraan metales. El nombre magnetismo
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proviene de Magnesia, una ciudad de la antigua Grecia en la que abundaba un mineral
con propiedades magnticas, que en la actualidad se conoce con el nombre de
magnetita.
Un imn natural es un mineral metlico que tiene la propiedad de atraer a otros me-
tales. Se encuentra formado por elementos como el hierro, el cobalto y el nquel.
Todo imn tiene dos polos magnticos, el polo norte y el polo sur, cuya interaccin
produce dos tipos de fuerza: fuerzas de repulsin y fuerzas de atraccin.
Las fuerzas de repulsin se producen al interactuar polos del mismo tipo (sur y
sur o norte y norte).
Las fuerzas de atraccin se generan cuando interactan polos de distinto tipo
(sur y norte).
En la siguiente figura se puede observar el comportamiento de los polos del imn.
Este arreglo de las limaduras permite demostrar la semejanza entre las lneas de
fuerza de un dipolo elctrico y el comportamiento de cargas elctricas con los polos de
un imn. Una gran diferencia entre ellos es que se puede obtener un solo tipo de carga
aislada, positiva o negativa, pero jams se podr obtener un solo polo; es decir, no
existen los monopolos magnticos.
La comparacin con las cargas elctricas puede extenderse a la intensidad de la
fuerza y su dependencia con la distancia: la fuerza de repulsin o atraccin entre dos
polos magnticos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente
entre ellos.
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Magnetismo artificial: La imantacin
En la exploracin magntica, no todos los
materiales son atrados por un imn. Esta
atraccin suele presentarse con mayor
fuerza en el hierro, el nquel y el cobalto,
por lo cual a estos materiales se los conoce
con el nombre de ferromagnticos, palabra
proveniente del latn ferrum, que significa
hierro.
Asimismo, existen otros materiales, denominados diamagnticos, como el plstico, la
madera, el aluminio, el plomo y el cobre, en los cuales la atraccin magntica no es
significativa.
Pero qu tienen en especial los materiales ferromagnticos para ser atrados
fuertemente por un imn? Las propiedades magnticas estn relacionadas con su
estructura atmica. El movimiento de los electrones permite que cada tomo se
comporte como un imn; de esta manera, todos los tomos se alinean paralelamente
entre s distribuyndose en grupos con la misma orientacin, denominados dominios
magnticos.
Los objetos de material ferromagntico pueden transformarse en imanes bajo un
proceso denominado imantacin, el cual consiste en dejar durante cierto tiempo el
material en contacto con un imn y, as, producir un imn artificial. Esta imantacin
puede ser temporal o permanente.
Lneas de campo magntico
Hemos mencionado que la fuerza con la cual se atraen o se repelen dos imanes
disminuye al aumentar la distancia entre ellos, y que lo mismo sucede con la fuerza
que un imn ejerce sobre un objeto de material ferromagntico. Sin embargo, si el
imn y el objeto se encuentran a una distancia relativamente grande, el objeto no
experimenta ningn tipo de atraccin. En este caso, se dice que el objeto est fuera
del campo magntico generado por el imn.
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La intensidad del campo magntico se mide en una unidad llamada tesla (T), en honor
de Nikola Tesla, cientfico que realiz trabajos relacionados con la electricidad y el
magnetismo. Tambin realiz una experiencia en la cual suele emplearse otra unidad,
denominada gauss (G).
Para poder visualizar el campo magntico, Michael Faraday (1791-1887) esparci
limaduras de hierro sobre un papel ubicado encima de un imn. Faraday observ que
las limaduras se situaban en lneas cerradas, es decir, lneas que parten de un polo
del imn y que llegan al otro polo, y determin que dichas lneas no se cortaban.
En un imn, estas lneas se
denominan lneas de campo y, por
convenio, se dice que salen del polo
norte e ingresan al polo sur.
Estas lneas de campo presentan
ciertas caractersticas.
En el exterior del imn, cada
lnea se orienta desde el polo
norte al polo sur.
Las lneas son cerradas, es decir, no se interrumpen en la superficie del imn.
El vector de campo magntico en cada punto del espacio es tangente a la lnea
de campo que pasa por ese punto.
La cantidad de lneas por unidad de rea en la vecindad de un punto es
proporcional a la intensidad del campo en dicho punto.
Las lneas nunca se intersecan ni se cruzan en ningn punto del espacio.
Definicin: Se denomina campo magntico (B) a la regin del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnticas producidas por el imn.
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Fuerza magntica sobre una carga elctrica
Cuando una carga elctrica se encuentra en un campo magntico y se desplaza
dentro de l, experimenta una fuerza debida a la accin del campo. Esta fuerza
magntica que experimenta una carga cuando se encuentra en un campo magntico
es:
Directamente proporcional al valor de la carga q: cuanto mayor sea esta, mayor
ser la fuerza que actuar sobre la carga.
Directamente proporcional a la velocidad v de la carga, de tal forma que, si la
carga est en reposo, el campo no acta sobre ella.
Directamente proporcional al valor del campo magntico en el cual se
encuentra inmersa la carga.
Directamente proporcional al seno del ngulo a que se forma entre la direccin
del campo magntico y la direccin de la velocidad. Si el ngulo es de 0 o de
180, el campo no acta sobre la carga, solo acta sobre la componente
perpendicular de la velocidad con relacin a la direccin del campo magntico.
Fuerzas sobre corrientes
El campo magntico formado por el enfrentamiento de los polos de un imn de he-
rradura se considera un campo magntico constante. Si colocamos en este campo B
un alambre por el cual circula una corriente i, este experimenta una fuerza magntica
perpendicular al plano que forman el campo magntico y el alambre.
Para hallar la expresin de esta fuerza, consideremos que el conductor por el cual
fluye corriente es de longitud l, y que las cargas lo recorren en un tiempo t. Por lo ello,
su velocidad es:
Definicin de velocidad:
Al reemplazar l en la ecuacin de fuerza magntica:
Definicin de corriente elctrica:
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Por tanto, la fuerza magntica que experimenta un conductor por el cual fluye corriente
elctrica y se encuentra en un campo magntico B es:
La direccin se obtiene con la regla de la mano derecha, haciendo coincidir la direc-
cin convencional de la corriente con la del pulgar, los dems dedos con la direccin
del campo magntico y la palma de la mano con la direccin de la fuerza.
Accin de un campo magntico sobre un circuito
Un circuito rectangular como el que
se muestra en la siguiente figura
consiste en un conductor,
denominado espira, que puede girar
libremente alrededor del eje e, si se
encuentra en el campo magntico
generado por los dos imanes.
La corriente que fluye desde A hasta D genera una fuerza magntica perpendicular al
plano y que sobresale de l. Por otra parte, la corriente que fluye de D a C no genera
fuerza y la corriente que fluye desde C hasta B provoca una fuerza perpendicular al
plano e ingresa en l. Por tanto, las fuerzas forman una dupla y generan un giro
alrededor de e en sentido positivo.
Fuentes de campos magnticos
El motor elctrico
Una de las aplicaciones ms tiles de la
fuerza experimentada por un conductor
elctrico en presencia de un campo
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magntico perpendicular a l es el motor elctrico. El funcionamiento del motor
elctrico se basa en la rotacin de una serie de espiras conductoras por las cuales
circula una corriente, cuando se encuentran al interior del campo magntico creado
por un imn. Un motor necesita de una fuente de poder, que puede ser una pila, la
cual produce una corriente que siempre tiene el mismo sentido.
Una variacin de este tipo de motor es aquel en el que el movimiento rotatorio de la
espira se produce a travs de una fuerza externa. En este caso se genera una
corriente de intensidad variable, pero cuyo sentido siempre es el mismo. En la figura
de la izquierda se representa un motor elctrico.
Al pasar la corriente por la espira, como esta se encuentra ubicada en un campo
magntico (el creado por los imanes fijos), comienza a girar y produce as su
movimiento a partir de dicha corriente elctrica.
El campo magntico terrestre
La primera aplicacin prctica del
magnetismo la constituy un imn empleado
en la navegacin. Las referencias de la
utilizacin de imanes en la navegacin
martima se remontan al siglo XII, cuando se
observ que uno de los polos de un imn se
orientaba siempre hacia el norte geogrfico.
Por tal razn, a partir de all se comenz a
emplear imanes para la orientacin
geogrfica.
El fsico y mdico ingls William Gilbert, basndose en sus estudios de magnetismo,
fue la primera persona en sugerir que la Tierra actuaba como un gran imn cuyo
campo terrestre es tal que las lneas de campo salen aproximadamente del polo sur y
circundan la Tierra siguiendo los meridianos hasta entrar por el polo norte. Por esta
razn es que una brjula seala aproximadamente el norte, debido a la accin del
campo magntico terrestre.
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Un fenmeno sorprendente que ocurre en el campo
magntico de la Tierra es que sus polos magnticos
se han invertido varias veces durante el transcurso
de la existencia del planeta. Este fenmeno de
inversin de los polos se ha presentado a intervalos
de miles de aos. En la actualidad, el polo norte
magntico se encuentra prximo al polo sur
geogrfico y el polo sur magntico se ubica cerca al polo norte geogrfico.
Una de las propiedades que permite orientarse a las aves migratorias es la capacidad
que tienen para detectar la intensidad y la direccin del campo magntico terrestre
Dicha capacidad se explicara por dos mecanismos complementarios. Uno est
relacionado con la accin de la luz. Las molculas de rodopsina que se encuentran en
las clulas de la retina del ojo absorben fotones y se convierten en pequeos imanes
transitorios, alinendose en la direccin del campo. Este mecanismo se
complementara con el efecto producido por los cristales de magnetita presentes en el
crneo de las aves.
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PARALELO _____________________________
INVESTIGO 3
Realizar una investigacin sobre las consecuencias del debilitamiento del
campo magntico terrestre.
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PARALELO _____________________________
GLOSARIO 3
1. Defina los siguientes trminos:
Magnetismo:______________________________________________
Imn natural_______________________________________________
Imantacin:_______________________________________________
Campo magntico: _________________________________________
Solenoide:________________________________________________
2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la leccin con su concepto:
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PARALELO _____________________________
RESUMO 3
Con sus propias palabras realice un resumen de los aspectos ms importantes
contenidos en la leccion, para ello puede utilizar un mapa conceptual, cuadro
sinptico un escrito:
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PARALELO _____________________________
CUESTIONARIO 3
1. SEALE LA RESPUESTA CORRECTA:
Todo imn tiene dos polos magnticos, estos son:
a) Polo este y polo oeste.
b) Polo este y polo norte.
c) Polo norte y polo sur.
d) Polo oeste y polo sur.
El electroimn es:
a) La regin del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnticas
producidas por el imn.
b) Una bobina larga cuyo ncleo se encuentra formado de hierro y produce un
campo magntico cuando pasa cierta corriente por las espiras de la bobina.
c) Se encarga de transformar en sonido las seales elctricas que llegan al
amplificador de un equipo de sonido.
El plstico, la madera y el aluminio son materiales :
a) Magnticos
b) Diamagnticos
c) Imanes
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2. COMPLETE CON LA PALABRA CORRECTA:
a) Los polos opuestos se.. y los polos iguales
se........
b) Los imanes poseen dos polos, el polo.. y polo..
3. ESCRIBA VERDADERO (V) O FALSO (F) SEGN CORRESPONDA.
a) La magnetita es un material con propiedades electromagnticas ( )
b) Todo imn tiene dos polos opuestos ( )
c) el campo magntico est formado por fuerzas electromagnticas ( )
d) Los polos de la Tierra se han invertido varias veces ( )
Firma del profesor Firma del Estudiante Calificacin
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LECCION N 4
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Destreza con criterio de desempeo:
Interpretar el proceso de induccin electromagntica como resultado de la interaccin
entre bobinas por las cuales circula la corriente elctrica.
Relacionar las estructuras de los generadores y de los motores elctricos a partir del
anlisis de sus partes y sus funciones especficas.
Objetivo del bloque:
Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un
circuito elctrico y de un circuito magntico. Explicar el proceso electroltico.
Contenido:
INDUCCIN ELECTROMAGNTICA
Los experimentos de Faraday y Henry
Despus del hallazgo de Oersted en 1820 con relacin al campo magntico inducido
por una corriente elctrica, los fsicos empezaron a realizar experimentos para hallar el
proceso contrario; es decir, que a partir de un campo magntico se produzca una
corriente elctrica.
Esta poca de esfuerzo culmin con xito en el ao 1831, en el cual Joseph Henry en
Estados Unidos y, de manera independiente, Michael Faraday en Inglaterra puso en
manifiesto que un campo magntico variable en el tiempo era capaz de generar
electricidad.
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Los trabajos realizados por los investigadores se resumen en un experimento por
medio del cual es posible crear corriente elctrica en un circuito a partir de fenmenos
magnticos.
Este experimento consiste en un circuito elctrico formado por una espira conectada a
un galvanmetro y un imn de barra colocado perpendicular a la espira (figura a).
Cuando se acerca e introduce el imn a la espira, se observa que el galvanmetro
indica el paso de una corriente por ella, la misma que se interrumpe cuando el imn
se detiene.
Si ahora se saca el imn de la espira, se vuelve a observar el paso de la corriente
mientras el imn est en movimiento, pero esta vez en sentido contrario al de la
situacin anterior
Faraday concluy respecto a este fenmeno que la corriente elctrica aparece porque,
al acercarse o alejarse el imn de la espira, se produce un cambio en el nmero de
lneas de campo magntico que atraviesan la espira, tal como se observa en la
siguiente figura.
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Induccin electromagntica
Faraday y Henry establecieron que era posible generar
corriente elctrica a travs de un alambre con el simple
hecho de ingresar y sacar un imn de una bobina. Con
ello demostraron que no era indispensable la utilizacin
de algn generador elctrico; solo con el movimiento
relativo entre el alambre y un campo magntico era
factible inducir un voltaje.
Sin embargo, la magnitud de este voltaje inducido
depende de la rapidez con la cual el alambre recorre las
lneas de campo magntico, ya que si este movimiento
es muy lento, el valor del voltaje es muy pequeo, mientras que si el movimiento se
realiza con cierta rapidez, el voltaje inducido presenta un valor mayor.
Asimismo, la cantidad de espiras tambin permite obtener diferentes valores para el
voltaje inducido, ya que cuanto mayor es el nmero de espiras de alambre que se
desplazan en el campo magntico, mayores son el voltaje inducido y la corriente en el
alambre.
En conclusin, no importa qu accin es la que induce el voltaje, ya que este se
genera debido al movimiento relativo entre la bobina y el campo magntico. Por ello es
posible afirmar que toda variacin en el flujo del campo magntico a travs del rea
limitada por un circuito genera corriente elctrica en l. Este fenmeno de inducir
voltaje alternando el campo magntico en torno a un conductor se denomina induccin
electromagntica.
Las corrientes generadas por la induccin electromagntica se conocen como
corrientes inducidas, como lo son las corrientes que se generan al momento de cerrar
o abrir un circuito.
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Ley de Faraday
Faraday, durante sus observaciones, estableci que cunto ms rpido cambia el flujo
magntico, mayor es la corriente inducida en la bobina. En el momento de introducir o
retirar el imn en la bobina, el galvanmetro registra una corriente en ella. Pero este
valor del galvanmetro aumenta a medida que aumenta la rapidez en la introduccin o
el retiro del imn.
La ley de induccin de Faraday enuncia que el valor de la fuerza electromotriz (fem)
inducida en el conductor que limita la superficie atravesada por el flujo magntico
depende de la rapidez de la variacin del flujo magntico.
Esta ley se expresa como:
Donde es la variacin del flujo magntico y es la variacin
del tiempo.
Despus de analizar esta consecuencia de los trabajos de Faraday, Maxwell imagin
que tal vez este fenmeno inverso fuera verdadero, es decir, que un campo elctrico
variable debera inducir un campo magntico.
DEFINICIN: La fuerza electromotriz fem (e) inducida en un circuito es igual a la variacin con respecto al tiempo (t) del flujo (F) que atraviesa dicho circuito. Estas experiencias se traducen en la ley de Faraday.
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Autoinduccin
Al variar la corriente que recorre un circuito, tambin lo hace el flujo magntico del
propio circuito. Esta variacin de flujo es la causa de una fem inducida en el circuito. Si
la permeabilidad magntica es constante, la fem es proporcional a la variacin de la
intensidad de corriente en la unidad de tiempo.
Donde L es una constante llamada coeficiente de autoinduccin o simplemente
autoinduccin del circuito. Si hay un signo menos, indica que la fem asociada
autoinducida se opone a la variacin de la corriente que la produce. Si se expresa en
V y el cociente i/t en A/s, L viene medida en henrios (H). La autoinduccin de un
circuito es de 1 H cuando se induce en l una fem de 1 V al variar la corriente que lo
recorre a razn de 1 A/s.
Induccin mutua
Al variar la corriente que circula por el circuito primario de un acoplamiento, se induce
una fem en el secundario, por el que pasa parte del flujo magntico del primario. La
fem inducida en el secundario, 2, es proporcional a la variacin de corriente en el
primario en la unidad de tiempo, i1/t.
Donde M es una constante llamada coeficiente de autoinduccin mutua o induccin
mutua del sistema.
Si se expresa en V y el cociente i/t en A/s, M viene medida en henrios (H).
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Generadores y motores elctricos
Aunque las bateras y las pilas generan electricidad, estas presentan ciertas
limitaciones, ya que no sirven para aparatos elctricos con un gran consumo
energtico, como la mayor parte de los electrodomsticos. En este caso, es necesario
implementar el uso de alternadores y dinamos, cuya estructura se encuentra formada
por un imn fijo y una bobina que gira en el campo magntico creado por el imn.
El alternador. Cuando la bobina se
encuentra en reposo, no es posible
generar corriente. Pero, a medida que la
bobina gira, se origina una variacin de
campo magntico y se genera una
corriente elctrica que cambia
peridicamente de sentido.
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La corriente elctrica generada se enva al exterior a travs de un colector conectado a
la bobina y unido a dos escobillas o contactos de salida.
El alternador es un generador de corriente alterna. Los generadores de las centrales
elctricas, por ejemplo, son alternadores.
La dinamo. El funcionamiento de una dinamo es similar al del alternador.
El colector est formado por un nico anillo y, mediante un sistema mecnico sencillo,
se consigue que los extremos de la
bobina hagan contacto
alternativamente con las escobillas, de
tal manera que una sea siempre
positiva y la otra, negativa. De este
modo, la corriente alterna generada se
transforma en corriente continua.
Una de las aplicaciones ms corrientes de la dinamo ha sido la de generar energa
elctrica para el funcionamiento de un automvil. Sin embargo, su utilizacin
disminuy debido a que presentaba problemas al suministrar corriente cuando el motor
estaba en pleno rendimiento.
La produccin de corriente alterna es muy sencilla; por tal razn es la ms utilizada
tanto a nivel domstico como a nivel industrial. Su produccin se encuentra rela-
cionada con la variacin en el flujo magntico que atraviesa un conductor, es decir, al
giro a gran velocidad entre los polos de un electroimn (inductor) de una bobina
(inducido) en un campo magntico.
Al producirse el giro, el flujo magntico que el inductor genera sobre el inducido
experimenta una variacin continua, por lo cual se produce una corriente alterna en el
inducido, que es transportada por medio de cables hasta los lugares donde poste-
riormente ser utilizada.
Cuando al inducido se le genera una velocidad angular (v) constante mientras est en
el interior del inductor (se crea un campo magntico uniforme B), se induce una
corriente debido a que el movimiento hace variar el flujo magntico sobre el inducido.
La fuerza electromotriz inducida que se genera en cada espira cambia de manera
sinusoidal y se expresa como:
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Como la funcin seno toma como mximo valor la unidad, mx es:
Para el caso de que el inducido conste de N espiras iguales, el valor de la fem mxima
generada por el inducido es:
Si se unen los extremos del inducido a una resistencia R y consideramos despreciable
la resistencia propia del inducido, circular una corriente que en aplicacin de la ley de
Ohm es igual a:
De acuerdo con el valor mximo del seno, entonces:
El transformador
Al observar las indicaciones tcnicas de muchos aparatos elctricos utilizados a diario,
es posible encontrar que se especifica el voltaje al cual puede someterse para que
funcione, es decir, el voltaje que tiene el generador del circuito.
Los aparatos elctricos que se conectan a la red elctrica reciben un voltaje
residencial de 110 V suministrado por la compaa de energa elctrica en nuestro
pas. Asimismo, ciertos aparatos que funcionan con un voltaje menor y una corriente
continua, suministrada por las pilas, pueden conectarse a la red elctrica y funcionar
sin llegar a ocasionar algn dao en el aparato.
Para tal efecto, emplean la ayuda de un elemento denominado transformador, que
modifica y rectifica la corriente elctrica. El transformador convierte la corriente de la
red elctrica en una corriente con menor diferencia de potencial y el rectificador
convierte la corriente alterna en continua.
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Un transformador est compuesto de dos partes:
el devanado primario (primera bobina) y el
devanado secundario (segunda bobina), tal como
se representa en la siguiente figura.
Cuando circula corriente alterna por el primario,
se induce una corriente alterna al secundario. Si
el transformador es un reductor de voltaje, la cantidad de espiras en el primario ser
mayor que en el secundario, por lo cual la corriente inducida presentar un menor
voltaje que el inicial. Pero si el transformador es un elevador de voltaje, el secundario
tendr mayor cantidad de espiras y, por tanto, un mayor voltaje.
La relacin entre el voltaje proporcionado por el generador a la bobina primaria (V1) y
el voltaje obtenido de salida (V2) es:
Segn la ley de Faraday, la relacin entre la fuerza electromotriz inducida y el nmero
de espiras es:
Si suponemos que la resistencia del conductor es despreciable y, por lo tanto, el efecto
Joule no se percibe, seguramente la potencia suministrada a la bobina primaria deber
ser igual a la potencia suministrada a la bobina secundaria. Como la potencia
elctrica es P 5 i? V, obtenemos:
Leyes del magnetismo
A finales del siglo XVIII y durante el siglo XIX, los fenmenos elctricos y magnticos
fueron el quehacer diario de los fsicos de la poca. El uso del concepto de campo
magntico y elctrico solo se difundi cuando James Clerk Maxwell demostr que
todos los fenmenos elctricos y magnticos podan describirse y sintetizarse en tan
solo cuatro ecuaciones.
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La primera ecuacin relaciona la carga y la distribucin del campo magntico.
Incluye la ley de Coulomb pero es ms general, ya que abarca cargas en
movimiento. Esta ecuacin es la ley de Gauss, en la que el flujo elctrico es
igual a la carga neta encerrada en la superficie (Q) sobre la constante de
permisividad en el espacio vaco (e0).
La segunda ecuacin es la aplicacin de la ley de Gauss al campo magntico,
lo que corrobora la inexistencia de monopolos magnticos y establece que las
distribuciones de fuentes magnticas son siempre neutras en el sentido de que
poseen un polo norte y un polo sur, por lo que su flujo a travs de cualquier
superficie cerrada es nulo.
La tercera ecuacin corresponde a la ley de
Faraday, segn la cual un campo elctrico es
producido por un campo magntico fluctuante.
La cuarta ecuacin es la ley de Faraday
aplicada al campo magntico, que determina
que un campo magntico es producido por un
campo elctrico fluctuante.
A partir de las dos ltimas ecuaciones, Maxwell
concluy que el resultado neto de estos dos campos
variantes, elctricos y magnticos, es la produccin de una onda electromagntica que
se propaga por el espacio, y define de esta manera la composicin electromagntica
de luz. En general, las ondas electromagnticas se originan en cargas elctricas
aceleradas y de acuerdo con su frecuencia pueden ser de radio, ultravioletas
infrarrojas etc.
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