Lectura basica fisica II

1. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 1 CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLGICO AGROPECUARIO NO. 289 LECTURA BSICA DE FSICA II ELABORADO POR: L.I. ELITH AVILS OCHOA AGOSTO 4 DE 2014 CORRAL FALSO, GRO.

2. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 2 NDICE DE CONTENIDO 1. TERMOLOGA....................................................................................................................................................3 1.1. Diferencia entre calor y temperatura .............................................................................................................3 1.2. Medida de la temperatura ..............................................................................................................................3 1.3. Diferentes escalas termomtricas: grados Celsius, Kelvin y Fahrenheit.......................................................4 1.4. Dilatacin de los cuerpos...............................................................................................................................5 1.5. Formas de propagacin del calor...................................................................................................................7 1.6. Capacidad calorfica ......................................................................................................................................8 1.7. Calor especfico.............................................................................................................................................8 1.8. Cambio de estado ....................................................................................................................................... 10 1.9. Los gases y sus leyes .................................................................................................................................. 10 2. ELECTRICIDAD.............................................................................................................................................. 15 2.1. Antecedentes de la electricidad .................................................................................................................. 15 2.2. Campo elctrico.......................................................................................................................................... 16 2.3. Potencial elctrico ...................................................................................................................................... 17 2.4. Capacitancia ............................................................................................................................................... 18 2.5. Corriente elctrica ...................................................................................................................................... 19 2.6. Circuitos elctricos..................................................................................................................................... 20 2.7. Leyes elctricas .......................................................................................................................................... 22 3. MAGNETISMO................................................................................................................................................ 27 3.1. Orgenes del Magnetismo........................................................................................................................... 27 3.2. Imanes......................................................................................................................................................... 27 3.3. El campo magntico, flujo magntico e intensidad de campo magntico.................................................. 28 3.4. Propiedades magnticas de la materia........................................................................................................ 29 3.5. Electromagnetismo..................................................................................................................................... 30 3.6. Campo magntico creado por una corriente elctrica................................................................................. 30 3.7. Fuerza electromagntica............................................................................................................................. 31 3.8. Induccin electromagntica y la fuerza electromotriz inducida ................................................................. 31 3.9. Motor elctrico, generador y transformador............................................................................................... 33 3. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 3 1. TERMOLOGA A fines del siglo XVIII Benjamin Thompson descubri, al barrenar un can, que la friccin produce calor. Ms adelante, Joule demostr que cuando se proporciona energa, ya sea por friccin, corriente elctrica, radiacin o cualquier otro medio, para producir trabajo mecnico, ste puede ser transformado en una cantidad equivalente de calor. Con estas investigaciones se desech la Teora del Calrico para explicar qu era el calor. De ah naci la Teora Cintica, la cual atribuye el calor de los cuerpos a su energa interna, misma que depende de las energas cintica y potencial provenientes del movimiento y de las posiciones de las molculas en cada cuerpo. 1.1. Diferencia entre calor y temperatura La temperatura y el calor estn muy ligados, pero no son lo mismo. Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frio segn la temperatura que tenga, as como de su capacidad para producir el calor. Es por ello que, si colocamos sobre una mesa un bloque de madera y una placa de metal, al tocar la placa se siente ms fra porque conduce mejor el calor de su cuerpo que la madera, no obstante, los dos tienen la misma temperatura (Fig. 11.1). La temperatura de un cuerpo o sistema es una propiedad intensiva, ya que no depende de la cantidad de la materia ni de su naturaleza, sino del ambiente en el que se encuentren. Por tanto, una piedra, un trozo de metal o de madera, etc., que se localizan en un mismo lugar, por ejemplo, en una habitacin, tendrn la misma temperatura (Fig. 11.2). Se denomina calor a la transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo o entre distintos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El calor es energa en trnsito y siempre fluye de cuerpos de mayor temperatura (Fig. 11.3). Todo cuerpo o sistema, debido a su temperatura, tiene la capacidad de transferir energa a otro cuerpo o sistema que est a temperatura ms baja. Potencial trmico y energa trmica. Si colocamos un cuerpo caliente junto a uno fro notaremos que al transcurrir el tiempo el primero se enfra y el segundo se calienta. Cuando un cuerpo se encuentra demasiado caliente su temperatura o potencial trmico es alto, esto le permite ceder calor o energa trmica a otro cuerpo de menor temperatura que se encuentre cercano a l, de esta manera ambos poseern igual potencial trmico. 1.2. Medida de la temperatura Para medir la temperatura se utiliza el termmetro. Existen diferentes termmetros, el ms comn es el de mercurio; dicho instrumento consiste en un tubo capilar que lleva en la parte inferior un bulbo con mercurio, el cual al calentarse se dilata y sube por el tubo capilar, al enfriarse se contrae y desciende. Su escala de temperatura puede ser de 357C a -39C. Cuando se requiere medir temperaturas menores de -39C, se utiliza el termmetro de alcohol que registra temperaturas hasta de - 130C Para temperaturas an menores, se usa el tolueno y los teres de petrleo. Si se trata de temperaturas altas se emplean los termmetros de resistencia, cuyo funcionamiento se basa en el hecho de que la resistencia elctrica de un conductor vara con la temperatura. Por ejemplo, la resistencia elctrica del platino manifiesta variaciones uniformes tiles en la industria. 4. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 4 1.3. Diferentes escalas termomtricas: grados Celsius, Kelvin y Fahrenheit El alemn Gabriel Fahrenheit (1686-1736) soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, construy en 1714 el primer termmetro. Para ello, lo coloc a la temperatura ms baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio, marc el nivel que alcanzaba el mercurio; despus, al registrarla temperatura del cuerpo humano volvi a marcar el termmetro y entre ambas seales hizo 96 divisiones iguales. Ms tarde, observ que al colocar su termmetro en una mezcla de hielo en fusin yagua, registraba una lectura de 32F y al colocarlo en agua hirviendo lea 212F. En 1742 el bilogo sueco Andrs Celsius (1701-1744) bas su escala en el punto de fusin del hielo (0 C) y en el punto de ebullicin del agua (100 C) a la presin de una atmsfera, o sea, 760 mm de Hg, es decir, dividi su escala en 100 partes iguales cada una de 1C. Aos despus el ingls William Kelvin (1824-1907) propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en esta temperatura la energa cintica de las molculas es cero. El tamao de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273 K, tal como se muestra en la figura 11.3. Cuando la temperatura se da en grados Kelvin se dice que es absoluta y sta es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI). Existe un lmite mnimo de temperatura: 0K = -273C = -460F, pero no hay lmite mximo de ella, pues en forma experimental se obtienen en los laboratorios temperaturas de miles de grados, mientras que en una explosin atmica se alcanzan temperaturas de millones de grados. Se supone que la temperatura en el Sol alcanza los mil millones de grados. Conversin de temperaturas de una escala a otra. Aunque la escala Kelvin es la usada por el SI para medir temperaturas, an se emplea la escala Celsius o centgrada y la escala Fahrenheit, por tanto, es conveniente manejar sus equivalencias de acuerdo con las siguientes expresiones: 1. Para convertir de grados Celsius a grados Kelvin: K = C + 273 2. Para convertir de grados Kelvin a grados Celsius: C = K -273 3. Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit: F = 1.8C + 32 4. Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius: C = F32 1.8 Resolucin de problemas de conversin de temperaturas de una escala a otra 1. Convertir 100C a K. Solucin: K = 100C + 273 = 373K 2. Convertir 273 K a C. Solucin: C = 273 K - 273 = 0C 3. Convertir 0C a F. Solucin: F = 1.8 x 0C + 32 = 32F 4. Convertir 212F a C. Solucin: C= 212F 32 1.8 = 100C 5. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 5 1.4. Dilatacin de los cuerpos Los cambios de temperatura afectan el tamao de los cuerpos, pues la mayora de ellos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfran. Los gases se dilatan mucho ms que los lquidos y stos ms que los slidos. Coeficiente de dilatacin lineal: es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado Celsius. Por ejemplo: una varilla de aluminio de un metro de longitud aumenta 0.000024 metros (22.4 X 106 m) al elevar su temperatura 1C. A este incremento se le llama coeficiente de dilatacin lineal y se representa con la letra griega alfa () Algunos coeficientes de dilatacin lineal de diferentes sustancias se dan en el cuadro 11.1. Para calcular el coeficiente de dilatacin lineal se emplea la siguiente ecuacin: = LfL0 L0(TfT0) Dnde: = coeficiente de dilatacin lineal en 1/C o en C1 Lf = Longitud final medida en metros (m) L0 = Longitud inicial expresada en metros (m) Tf = Temperatura final medida en grados Celsius (C) T0 = Temperatura inicial expresada en grados Celsius (C) Si conocemos el coeficiente de dilatacin lineal de una sustancia y queremos calcular la longitud final que tendr un cuerpo al variar su temperatura, despejamos la longitud final de la ecuacin anterior: Lf = L0[1 + (Tf T0)] Resolucin de problemas de dilatacin lineal 1. A una temperatura de 15C una varilla de hierro tiene una longitud de 5 m. Cul ser su longitud al aumentar la temperatura a 25C? Datos Fe = 11.7 x 106 C1 L0 = 5 m T0 = 15 C Tf = 25 C Lf = ? Frmula Lf = L0[1 + (Tf T0)] Sustitucin y resultado Lf = 5 m [1 + 0.0000117 C1 (25C - 15C)] Lf = 5.000585 m Se dilat 0.000585 m. 2. Cul es la longitud de un cable de cobre .al disminuir la temperatura a 14C, si con una temperatura de 42C mide 416 m? Datos Lf = ? Tf = 14 C T0 = 42 C L0 = 416 m Cu = 16.7 x 106 C1 Frmula Lf = L0[1 + (Tf T0)] Sustitucin y resultado Lf = 416 m [1 + 0.0000167C1 (14C - 42C)] Lf = 415.80547m Se contrajo 0.19453 m. 6. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 6 Dilatacin cbica implica el aumento en las dimensiones de un cuerpo: largo, ancho y alto, lo que significa un incremento de volumen. La dilatacin cbica se diferencia de la dilatacin lineal porque adems implica un incremento de volumen. Coeficiente de dilatacin cbica es el incremento de volumen que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de volumen igual a la unidad, al elevar su temperatura un grado Celsius. Este coeficiente se representa con la letra griega beta (), Por lo general, el coeficiente de dilatacin cbica se emplea para los lquidos. Sin embargo, si se conoce el coeficiente de dilatacin lineal de un slido, su coeficiente de dilatacin cbica ser tres veces mayor. = 3 Por ejemplo: el coeficiente de dilatacin lineal del hierro es 11.7 x 106 C1 , por tanto, su coeficiente de dilatacin cbica es: = 3 = 3 x 11.7 x 106 C1 = 35.1 x 106 C1 En el cuadro 11.2 se dan algunos valores de coeficientes de dilatacin cbica para diferentes sustancias. Al conocer el coeficiente de dilatacin cbica de una sustancia se puede calcular el volumen que tendr al variar su temperatura con la siguiente expresin: Vf = V0[1 + (Tf T0)] Dnde: Vf = Volumen final determinado en metros cbicos (m3) V0 = Volumen inicial expresado en metros cbicos (m3) = Coeficiente de dilatacin cbica determinado en 1/ C o C1 Tf = Temperatura final medida en grados Celsius (C) T0 = Temperatura inicial medida en grados Celsius (C) Resolucin de problemas de dilatacin cbica 1. Una barra de aluminio de 0.01 m3 a 16C se calienta a 44C. Calcular: a) Cul ser el volumen final? b) Cul fue su dilatacin cbica? Datos = 67.2 x 106 C V0 = 0.01 m3 T0= 16C Tf = 44C a) Vf = ? b) V = ? Frmulas a) Vf = V0[1 + (Tf T0)] b) V = Vf V0 Sustitucin y resultados a) Vf = 0.01 m3 [1 + 0.0000672C1 (44C - 16C)] = 0.0100188 b) V = Vf V0 = 0.0100188 m3 - 0.01 m3 = 0.0000188 m3 = 1.88 x 2. Una esfera hueca de acero a 24C tiene un volumen de 0.2 m3 . Calcular: a) Qu volumen final tendr a -4C en m3 y en litros? b) Cunto disminuy su volumen en litros? Datos = 34.5 x 106 C V0 = 0.2 m3 T0 = 24C a) Vf = ? Tf = -4C b) V = ? Frmulas a) Vf = V0 [1 + (Tf T0)] b) V = Vf V0 7. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 7 Sustitucin y resultados a) Vf = 0.2 m3 [1 + 0.0000345 (-4C - 24C)] = 0.1998068 m3 Conversin de unidades 0.1998068 m3 x (1000 l/1m3 ) V0 = 199.8068l b) 0.2 m3 x (1000l/1m3)= 200l V = 199.8068l 200l = -0.1932l Dilatacin irregular del agua. Por regla general, un cuerpo se dilata cuando aumenta su temperatura. Sin embargo, hay algunas sustancias que en lugar de dilatarse se contraen, tal es el caso del agua: un gramo de agua a 0C ocupa un volumen de 1.00012 cm3, si se calienta, en lugar de dilatarse se contrae, por lo que a la temperatura de 4C el agua tiene su volumen mnimo de 1.00000 cm3, alcanza su densidad mxima, si se sigue calentando comienza a aumentar su volumen. Dilatacin de los gases. El coeficiente de dilatacin cbica es igual para todos los gases. Es decir, cualquier gas, al ser sometido a una presin constante, por cada grado Celsius que cambie su temperatura, variar 1/273 el volumen que ocupaba a 0C. = 1/273 para cualquier gas. 1.5. Formas de propagacin del calor Si dos cuerpos se ponen en contacto y no manifiestan tendencia a calentarse o enfriarse, es porque su temperatura y la energa cintica media de sus molculas es igual; pero cuando diversas partes de un mismo cuerpo, o varios cuerpos en contacto, estn ms calientes, todos tendern a alcanzar la misma temperatura y el calor se propagar de un punto a otro. El calor o energa trmica siempre se propaga de los cuerpos calientes a los fros, de tres maneras diferentes: a) Conduccin. b) Conveccin. c) Radiacin. La conduccin es la forma de propagacin del calor a travs de un cuerpo slido, debido al choque entre molculas. Cuando el extremo de una varilla metlica se pone en contacto con el fuego, al cabo de cierto tiempo el otro extremo tambin se calienta. Esto se debe a que las molculas del extremo calentado por el fuego vibran con mayor intensidad, es decir, con mayor energa cintica. Una parte de esa energa se transmite a las molculas cercanas, las cuales al chocar unas con otras comunican su exceso de energa a las contiguas, as su temperatura aumenta y se distribuye en forma uniforme a lo largo de la varilla. Esta transmisin de calor continuar mientras exista una diferencia de temperatura entre los extremos, y cesar totalmente cuando sea la misma en todas las partes. La conveccin es la propagacin del calor ocasionada por el movimiento de la sustancia caliente. Al poner agua en un vaso de precipitados y calentarla posteriormente, observamos que transcurrido cierto tiempo comienza un movimiento en el seno del lquido. Esto se debe a que al recibir calor el lquido del fondo, la temperatura sube y provoca su dilatacin, aumentando el volumen y en consecuencia disminuye la densidad de esa porcin, por lo que sube a la superficie y es reemplazada por agua ms fra y con mayor densidad. Este proceso se repite con la circulacin de masas de agua ms caliente hacia arriba y las de agua ms fra hacia abajo, provocndose las llamadas corrientes de conveccin. La radiacin es la propagacin del calor por medio de ondas electromagnticas esparcidas incluso en el vaco, a una velocidad de 300 mil km/s. 8. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 8 Como ya sealamos, el calor es una forma de energa llamada energa trmica o energa calorfica. Por tanto, las unidades para medir el calor son las mismas del trabajo mecnico y de la energa: a) Sistema Internacional de Unidades (SI): joule = newton metro = Nm = J b) Sistema CGS: ergio = dina centmetro = dina cm Recordemos que 1 J = 1 X 107 erg. Aunque existen las unidades anteriores, an se utilizan unidades como: la calora y el Btu que a continuacin describiremos. Calora es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura 1C. Kilocalora es un mltiplo de la calora y equivale a: 1 kcal = 1000 cal Btu es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (454 g), para que eleve su temperatura un grado Fahrenheit: 1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal La equivalencia entre joules y caloras, es la siguiente: 1 joule = 0.24 cal 1 calora = 4.2 J 1.6. Capacidad calorfica A partir de experimentos se ha observado que al suministrar la misma cantidad de calor a dos sustancias diferentes, el aumento de temperatura no es el mismo. Por consiguiente, para conocer el aumento de temperatura que tiene una sustancia cuando recibe calor, emplearemos su capacidad calorfica, la cual se define como la relacin existente entre la cantidad de calor Q que recibe y su correspondiente elevacin de temperatura T. C = Q T Como el calor puede estar expresado en caloras, kcal, joule, erg o Btu; y la temperatura en C, K, o F; las unidades de la capacidad calorfica pueden ser en: cal/C, kcal/C, J/C, J/K, erg/C, Btu/F. En la determinacin de la capacidad calorfica de una sustancia debe especificarse si se hace a presin o a volumen constante y se indicar de la siguiente manera: Cp si es a presin constante, C, si es volumen constante. La capacidad calorfica de una sustancia tiene un valor mayor si se lleva a cabo a presin constante, que si es realizada a volumen constante. Toda vez que al aplicar presin constante a una sustancia, sta sufre un aumento en su volumen, lo que provoca una disminucin en su temperatura y, consecuentemente, necesitar ms calor para elevarla. A volumen constante, todo el calor suministrado a la sustancia pasa a aumentar la energa cintica de las molculas, por tanto, la temperatura se incrementa con mayor facilidad. Es evidente que mientras ms alto sea el valor de la capacidad calorfica de una sustancia, requiere mayor cantidad de calor para elevar su temperatura. 1.7. Calor especfico Puesto que la capacidad calorfica de una sustancia es la relacin entre el calor recibido y su variacin de temperatura; si calentamos diferentes masas de una misma sustancia, observaremos que su capacidad calorfica es distinta. Por ejemplo, al calentar dos trozos de hierro, uno de dos kg y otro de diez kg, la relacin Q/T = C es diferente entre los dos trozos, aunque se trata de la misma sustancia. Pero si dividimos el valor de la capacidad calorfica de cada trozo de hierro entre su masa, encontraremos que la relacin: capacidad calorfica/masa, o bien, C/m para cada trozo es la misma. De donde: para un mismo material independientemente de su masa C/m = constante. A esta relacin se le nombra calor especfico y es una propiedad caracterstica de la materia. 9. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 9 Por definicin: el calor especfico Ce de una sustancia es igual a la capacidad calorfica C de dicha sustancia entre su masa m: Ce = C m , como C = Q T Ce = Q mT Q = mCeT En trminos prcticos, el calor especfico se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado Celsius. En el cuadro 11.14 se dan valores del calor especfico para algunas sustancias. En el caso del agua su valor es de 1 cal/gC, esto quiere decir que un gramo de agua aumenta su temperatura un grado Celsius cuando se le suministra una cantidad de calor igual a una calora. Segn el cuadro 11.4 el agua tiene mayor calor especfico, lo cual significa que necesita ms calor para elevar su temperatura. Por ejemplo, cuando se ponen a calentar por separado la misma masa de dos sustancias diferentes, como el agua y la plata, se observar que al aplicarles cantidades iguales de calor, la plata se calentar aproximadamente 18veces ms rpido en comparacin con el agua, por tanto, cuando sta tenga 1C de temperatura la plata tendr 18C. Resolucin de problemas de calor especfico 1. Qu cantidad de calor se debe aplicar a una barra de plata de 12 kg para que eleve su temperatura de 22C a 90C? Datos Q = ? m = 12 kg = 12000 g T0 = 22C Tf = 90C CeAg = 0.056 cal/gC Frmula Q = mCeT Sustitucin y Resultado Q = 12000 g x 0.056 cal/gC (90C - 22C) = 45696 cal 2. 600 g de hierro se encuentran a una temperatura de 20C. Cul ser su temperatura final si le suministran 8000 caloras? Datos m= 600 g T0 = 20C Tf = ? Q= 8 000 cal CeFe = 0.113 cal/gC Frmula Q = mCe (Tf T0) Despejando a Tf por pasos Tf T0 = Q mCe Tf = Q mCe + T0 Sustitucin y resultado Tf = 8000 Cal 600g x 0.113 cal g c +20C Tf = 117.99C + 20C = 137.99C 10. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 10 1.8. Cambio de estado En fsica y qumica se denomina cambio de estado a la evolucin de la materia entre varios estados de agregacin sin que ocurra un cambio en su composicin. Los tres estados bsicos son el slido, el lquido y el gaseoso. Los tres estados de la materia son transformables entre s mismos. Cuando calentamos un slido, se funde para formar un lquido (a la temperatura que eso ocurre se le llama punto de fusin). Si seguimos calentando, el lquido se evaporar y se convertir en gas (esta conversin ocurre a la temperatura del punto de ebullicin). Por otra parte, la condensacin ocurre cuando se enfra un gas produciendo un lquido que, al enfriarse an ms, se congelar o solidificar para producir un slido. 1.9. Los gases y sus leyes Un gas se caracteriza porque sus molculas estn .muy separadas unas de otras, razn por la cual carece de forma definida y ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene. Son fluidos, como los lquidos pero se diferencian de stos por ser sumamente compresibles debido a la mnima fuerza de cohesin entre sus molculas. De acuerdo con la Teora Cintica Molecular, los gases estn constituidos por molculas independientes como si fueran esferas elsticas en constante movimiento, chocando entre s y contra las paredes del recipiente que los contienen. Cuando la temperatura de un gas aumenta, se incrementa la agitacin de sus molculas y en consecuencia se eleva la presin. Pero, si la presin permanece constante, entonces aumentar el volumen ocupado por el gas. Si un gas se comprime, se incrementan los choques entre sus molculas y se eleva la cantidad de calor desprendida, como resultado de un aumento en la energa cintica de las molculas. Todos los gases pueden pasar al estado lquido siempre y cuando se les comprima a una temperatura inferior a su temperatura crtica. La temperatura crtica de un gas es aquella temperatura por encima de la cual no puede ser licuado independientemente de que la presin aplicada sea muy grande. Los gases licuados tienen muchas aplicaciones, tal es el caso del oxgeno lquido utilizado en la soldadura autgena o el hidrgeno lquido que sirve como combustible de las naves espaciales. Los gases cuyo punto de ebullicin se encuentra cercano a la temperatura del medio, generalmente se conservan a alta presin en recipientes hermticamente cerrados, como son los tanques estacionarios o mviles en los que se almacena el gas butano de uso domstico, o el gas de los encendedores comerciales de cigarrillos. 11. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 11 Un gas ideal es un gas hipottico que permite hacer consideraciones prcticas que facilitan algunos clculos matemticos. Se le supone conteniendo un nmero pequeo de molculas, por tanto, su densidad es baja y su atraccin intermolecular es nula. Debido a ello, en un gas ideal el volumen ocupado por sus molculas es mnimo en comparacin con el volumen total, por este motivo no existe atraccin entre sus molculas. Es evidente que en el caso de un gas real sus molculas ocupan un volumen determinado y existe atraccin entre las mismas. Sin embargo, en muchos casos estos factores son insignificantes y el gas puede considerarse como ideal. La Teora Cintica de los Gases parte de la suposicin de que las molculas de un gas estn muy separadas y se mueven en lnea recta hasta que al encontrarse con otra molcula se colisionan con ella o con las paredes del recipiente que las contiene. Sus consideraciones principales son: 1. Los gases estn constituidos por molculas de igual tamao y masa para un mismo gas, pero sern diferentes si se trata de gases distintos. 2. Las molculas de un gas contenido en un recipiente, se encuentran en constante movimiento, razn por la cual chocan entre s o contra las paredes del recipiente que las contiene. 3. Las fuerzas de atraccin intermoleculares son despreciables, pues la distancia entre molcula y molcula es grande comparada con sus dimetros moleculares. 4. El volumen que ocupan las molculas de un gas, es despreciable en comparacin con el volumen total del gas. Ley de Boyle. El ingls Robert Boyle (1627-1691) es considerado el padre de la qumica moderna. Fue el iniciador de las investigaciones respecto a los cambios en el volumen de un gas, como consecuencia de las variaciones en la presin aplicada, y enunci la siguiente ley que lleva su nombre: Ley de Boyle enuncia que a una temperatura constante y para una masa dada de un gas, el volumen del gas vara de manera inversa mente proporcional a la presin absoluta que recibe. Lo anterior quiere decir que cuando un gas ocupa un volumen de un litro a una atmsfera de presin, si la presin aumenta a dos atmsferas, el volumen del gas ser ahora de medio litro (figura 11.17). Por tanto, esta ley tambin significa que la presin (P) multiplicada por el volumen (V) es igual a una constante (k) para una determinada masa de un gas a una temperatura constante. De donde, la Ley de Boyle se expresa matemticamente dela siguiente manera: PV = k De acuerdo con la figura 11.10, tenemos que en (a) existe un estado 1 de presin y volumen: P1V1 = k En (b) existe un estado 2 de presin y volumen: P2V2 = k donde: 2 atm x 0.5 l = 1 atm l por tanto: P1V1 = P2V2 Esta ecuacin relaciona los dos estados de presin y volumen para una misma masa de un gas a igual temperatura. Resolucin de problemas de la ley de Boyle. 1. Un gas ocupa un volumen de 200 cm3 a una presin de 760 mm de Hg. Cul ser su volumen si la presin recibida aumenta a 900 mm de Hg? Datos Vl = 200 cm3 P1 = 760 mm de Hg V2 = ? P2 = 900 mm de Hg Frmula P1V1 = P2V2 V2= P1V1 P2 Sustitucin y resultado V2 = 760mm de Hg x 200 cm3 900mm de Hg = 163.89 cm3 12. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 12 2. Calcular el volumen de un gas al recibir una presin de 2 atmsferas, si su volumen es de 0.75 litros a una presin de 1.5 atmsferas. Datos Vl = ? P1 = 2 atm V2 = 0.75 l P2 = 1.5 atm Frmula P1V1 = P2V2 V1= P2V2 P1 Sustitucin y resultado V1= 1.5 atm x 0.75 l 2 atm = 0.56 l Ley de Charles. En 1785 el cientfico francs Jacques Charles fue el primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar su temperatura y enunci una ley que lleva su nombre: Ley de Charles: a una presin constante y para una masa dada de un gas, el volumen del gas vara de manera directamente proporcional a su temperatura absoluta. La Ley de Charles se expresa de la siguiente manera, de acuerdo con la figura 11.18, vemos que a una temperatura de 0K, es decir, en el cero absoluto de temperatura y equivalente a -273C, el volumen de un gas es nulo, lo cual significa que todo el movimiento de las molculas ha cesado. En el cero absoluto de temperatura, la ausencia de volumen del gas y del movimiento de sus partculas implica el estado mnimo de energa y, por consiguiente, la mnima temperatura posible. Al considerar a un gas bajo dos diferentes condiciones de volumen y temperatura tenemos: V1 T1 = k (para un estado 1 de volumen y temperatura). V2 T2 = k (para un estado 2 de volumen y temperatura) Dnde: V1 T1 = V2 T2 Esta ecuacin relaciona los dos estados de volumen y temperatura de un gas, para una masa y presin constantes. Resolucin de problemas de la ley de Charles 1. Se tiene un gas a una temperatura de 25C y con un volumen de 70 cm4 a una presin de 586 mm de Hg. Qu volumen ocupar este gas a una temperatura de 0C si la presin permanece constante? Datos T1 = 25C V1 = 70 cm3 V2 = ? T2 = 0C P = cte. Frmula V1 T1 = V2 T2 V2 = V1T2 T1 Conversin de unidades Para T1: K = C + 273 = 25C + 273 = 298 K Para T2: K = C + 273 = 0C + 273 = 273K Sustitucin y resultado V2 = 70 cm3 x 273K 289K = 64.13 cm3 2. Una masa determinada de nitrgeno gaseoso ocupa un volumen de 0.03 f a una temperatura de 23C y a una presin -de una atmsfera, calcular su temperatura absoluta si el volumen que ocupa es de 0.02 f a la misma presin. Datos V1 = 0.03 l T1 = 23C T2 = ? V2 = 0.02 l P = cte Frmula V1 T1 = V2 T2 Despejando T2 por pasos V1T2 =V2T1 T2 = V2T1 T2 Conversin de la temperatura en C a temperatura bsoluta, es decir, a K Para T1: K = C + 273 = 23C + 273 = 296K Sustitucin y resultado T2 = 0.02 l x 296K 0.03 l = 197.3K 13. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 13 Ley de Gay-Lussac. El cientfico francs Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) encontr la relacin existente entre la temperatura y la presin de un gas cuando el volumen del recipiente que lo contiene permanece constante. Como resultado de ello enunci la siguiente ley que lleva su nombre; Ley de Gay-Lussac: a un volumen constante y para una masa determinada de un gas, la presin absoluta que recibe el gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Lo anterior significa que si la temperatura de un gas aumenta, tambin aumenta su presin en la misma proporcin, siempre y cuando el volumen del gas permanezca constante. En forma matemtica esta ley se expresa de la siguiente manera: P T =k Si consideramos a un gas bajo dos diferentes condiciones de presin y temperatura tenemos: P1 T1 = k (para un estado 1 de presin) P2 T2 = k (para un estado 2 de presin) Dnde: P1 T1 = P2 T2 Esta ecuacin relaciona los dos estados de presin y temperatura de un gas, para una masa y volumen constantes. Resolucin de problemas de la ley de Gay-Lussac 1-. Una masa dada de gas recibe una presin absoluta de 2.3 atmsferas, su temperatura es-de 33C y ocupa un volumen de 850 cm3. Si el volumen del gas permanece constante y su temperatura aumenta a 75C, cul ser la presin absoluta del gas? Datos P1 = 2.3 atm T1 = 33C +273 = 306K T2=75C + 273=348K P2 = ? V = cte. Formula P1 T1 = P2 T2 P2 = P1T2 T1 Solucin y resultado P2 = 2.3 atm x 348K 306K = 2.6 atm 2. En un cilindro metlico se encuentra un gas que recibe una presin atmosfrica de 760 mm de Hg, y cuando su temperatura es de 16C con el manmetro se registra una presin de 1650 mm de Hg. Si al exponer el cilindro a la intemperie eleva su temperatura a 45C debido a los rayos solares, calcular: a) Cul es la presin absoluta que tiene el gas encerrado en el tanque? b) Cul es la presin manomtrica? Datos Patm= 760 mm de Hg P1manom= 1650mm de Hg T1= 16C + 273 = 289K T2 = 45C + 273 = 318K a) P2abs = ? b) P2manom= ? V = cte. Frmula P1 T1 = P2 T2 P2 = P1T2 T1 Solucin: a) Como la presin absoluta del gas es igual a la presin atmosfrica ms la presin manomtrica tenemos: P1abs = 760 mm de Hg + 1650 mm de Hg = 2410 mm de Hg Por tanto, la presin absoluta P2abs ser: P2abs = 2410 mm de Hg x 318K 289K = 2651.8 mm de Hg b) La presin manomtrica ser igual a la presin absoluta menos la presin atmosfrica, es decir: P2manom. = P2abs Patm = 2651.8 mm de Hg - 760 mm de Hg = 1891.8 mm de Hg 14. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 14 Ley General del Estado Gaseoso. Con base en las leyes de BoyJe, Charles y Gay- Lussac, se estudia la dependencia existente entre dos propiedades de los gases conservndose las dems constantes. No obstante, se debe buscar una relacin real que involucre los cambios de presin, volumen y temperatura sufridos por un gas en cualquier proceso en que se encuentre. Esto se logra mediante la expresin: P1V1 T1 = P2V2 T2 La relacin anterior recibe el nombre de Ley General del Estado Gaseoso y resulta de gran utilidad cuando se desea conocer alguna de las variables involucradas en el proceso, como la presin, el volumen o la temperatura de un masa dada de un gas del cual se conocen los datos de su estado inicial y se desconoce alguno de ellos en su estado final. Por tanto, la Ley General del Estado Gaseoso establece que para una masa dada de un gas, su relacin PV T siempre ser constante. Resolucin de problemas de la Ley General del Estado Gaseoso 1. Una masa de hidrgeno gaseoso ocupa un volumen de 2 litros a una temperatura de 38C y a una presin absoluta de 696 mm de Hg. Cul ser su presin absoluta si su temperatura aumenta a 60C y su volumen es de 2.3 litros? Datos V1 = 2 l T1 = 38C + 273 = 311K P1 = 696 mm de Hg V2 = 2.3 l T2 = 60C + 273 = 333K P2 = ? Frmula P1V1 T1 = P2V2 T2 Despeje por pasos P1V1T2 = P2V2T1 P2 = P1V1T2 V2T1 Sustitucin y resultado P2 = 696 mm de Hg x 2 l x 333K 2.3 l x 311K P2 = 648.03 mm de Hg 15. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 15 2. ELECTRICIDAD 2.1. Antecedentes de la electricidad La historia de la electricidad se remonta al ao 600 a. C., cuando el filsofo, astrnomo y matemtico Tales de Mileto observ que el mbar (trozo de resina fsil) al ser frotado con piel de gato produca chispas y atraa partculas de pelusa y de paja; tambin not la fuerza de atraccin en los trozos de una roca magntica llamada piedra imn. El vocablo electricidad viene del griego elektron, como se le llamaba a un trozo de resina fsil en el ao 600 a. C. hoy conocida como mbar. La electricidad es un movimiento de electrones. As de sencillo. Si conseguimos mover electrones a travs de un conductor (cable) hemos conseguido generar electricidad. Como ya sabes, la palabra tomo significa en griego indivisible, y as se consider durante mucho tiempo. Posteriormente, los trabajos de Rutherford, Bohr y otros investigadores revelaron que est formado por partculas subatmicas mucho ms pequeas, como los electrones, los protones, los neutrones, los positrones, los mesones, los neutrinos, los antiprotones, etc. Centremos nuestra atencin en los tres primeros (figura 1.2). Electrones: giran a gran velocidad alrededor del ncleo describiendo orbitas elpticas y se mantienen en estas orbitas gracias a la energa de atraccin del ncleo. A diferencia del sistema planetario, esta fuerza no es gravitatoria sino elctrica. La carga elctrica de los electrones es negativa y su masa es de 9,1091 x 1031 kg. Protones: forman el ncleo del tomo. El valor absoluto de su carga elctrica es igual a la del electrn pero positiva. Su masa es 1 836,11 veces superior a la del electrn. Neutrones: son partculas elementales sin carga, situadas en el ncleo del tomo y con una masa aproximadamente igual a la del protn. Cada tomo tiene el mismo nmero de electrones que de protones. Si la carga del electrn es igual que la del protn, podemos considerar el tomo elctricamente neutro. Los electrones, en su recorrido orbital, estn sometidos a la fuerza de atraccin del campo elctrico del ncleo y a la fuerza de repulsin de los electrones de las capas inferiores (energa potencial). Adems, a causa de su velocidad, tienen tambin energa cintica. Si sumamos estas dos energas, obtenemos la energa total del electrn en una determinada orbita o capa. Cuanto ms alejados estn los electrones del ncleo, ms pequea ser la fuerza de atraccin de este ncleo y, por lo tanto, ms pequea ser la energa que le debemos suministrar para vencer la fuerza de atraccin y hacer que salte de la ltima capa o capa perifrica. 16. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 16 El tomo, al perder un electrn, queda instantneamente sin equilibrio elctrico, ya que el nmero de protones es superior al de electrones. En este caso, diremos que el tomo quedara cargado positivamente y se convertir en un ion positivo o catin. Si, en el caso contrario, un tomo 2.2. Campo elctrico Cuando colocamos en una zona del espacio una carga elctrica se crea una zona de influencia que se manifiesta cuando acercamos otra carga con unas fuerzas de atraccin o de repulsin. La zona en la que se manifiestan estas fuerzas se denomina campo elctrico. El campo elctrico debido a una carga Q es la regin del espacio alrededor de esta carga en el que se manifiestan las fuerzas de atraccin o de repulsin sobre otras cargas elctricas situadas en este espacio. El campo elctrico se representa mediante las lneas de fuerza, que corresponden a los caminos que seguira una carga elctrica puntual positiva al ser atrada o repelida por la carga elctrica que ha creado el campo (figura 1.7). La intensidad de campo elctrico ( ) creada por una carga Q en un punto del espacio es la fuerza elctrica que acta sobre una unidad de carga situada en este punto. = = 2 . 1 = 2 = 2 De esta expresin podemos deducir que la intensidad de campo en un punto es de 1 N/C cuando, al colocar una carga de 1 C en este campo, recibe una fuerza de 1 N. Por lo tanto, la fuerza elctrica a la que est sometida una carga Q' en el interior de un campo elctrico es: = La direccin del campo elctrico en un punto coincide con la direccin de la fuerza realizada sobre una carga positiva en este punto, o bien con la tangente a las lneas de fuerza del campo (figura 1.8). El modulo del vector o la intensidad de campo elctrico viene determinada por la densidad de lneas de fuerza. Si en lugar de una carga puntual la que crea el campo elctrico es una distribucin de cargas, la intensidad del campo ser la suma vectorial de las intensidades de campo que crean cada una de las cargas. Eso se denomina principio de superposicin. = 1 + 2 + 3 + + Ejemplo: Dos cargas de 3C y 4 C estn situadas en el vaco, en los puntos que indica la figura 1.9. Calcula el vector intensidad de campo en el punto A. Solucin Como tenemos dos cargas, tendremos un campo creado por cada una de las cargas. Para calcular la intensidad del campo deberemos aplicar el principio de superposicin: la intensidad del campo en el punto A ser la suma vectorial de las intensidades de campo de cada una de las cargas. 17. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 17 La distancia entre las cargas y el punto A ser: = 22 + 22 = 8 = 2 2 1 = 1 2 = 9 . 109 2 2 . 3 . 106 (2 2)2 2 = 3375 2 = 2 2 = 9 . 109 2 2 . 4 . 106 (2 2)2 2 = 4500 Si observas la figura, podrs comprobar que los vectores 1 y 2 que hay que sumar forman un ngulo de 90. El modulo vector suma lo calcularemos aplicando el teorema de Pitgoras; en caso de que el ngulo no fuese de 90, deberamos calcular las componentes ortogonales de los vectores para calcular el vector suma. La direccin es la que muestra la figura. 2 = 1 2 + 2 2 2 = 1 2 + 2 2 = 33752 + 45002 = 2.3. Potencial elctrico El potencial elctrico (V) en un punto es el trabajo (cambiado de signo) que hay que hacer para vencer las fuerzas del campo elctrico, para trasladar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta este punto (figura 1.13). Caracteriza los distintos puntos del espacio y es independiente de la carga. Esto equivale al cociente entre la energa potencial elctrica de una carga Q' colocada en este punto y la carga Q', es decir, la energa potencial elctrica por unidad de carga. = = = = = () La unidad en el SI es el voltio (V): voltio (V) = () () Si en lugar de una carga puntual tenemos una distribucin de cargas, el potencial ser la suma de los potenciales que crean cada una de las cargas. El signo del potencial es positivo o negativo en funcin del signo de la carga. Todos los puntos que se encuentran a una misma distancia de la carga Q tienen el mismo potencial. Estos puntos pertenecen a una superficie esfrica que tiene por radio la distancia r hasta la carga; esta superficie se denomina superficie equipotencial (figura 1.14). Si tenemos solo una carga, las superficies equipotenciales son esferas concntricas. 18. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 18 Ejemplo: Dos cargas puntuales de 20C y -30C estn situados en el vaco y distan 1m de un punto A en sentidos opuestos (figura 1.15). Calcula el potencial en el punto A. Solucin: 1 = = 1 2 = 9 . 109 2 2 . 20 . 106 1 = 180000 2 = = 2 2 = 9 . 109 2 2 . 30 . 106 1 = 270000 = 1 + 2 = 180000 + (270000 ) = 2.4. Capacitancia La razn de la cantidad de carga Q al potencial elctrico V producido ser constante para un conductor especfico. Esa razn refleja la capacidad del conductor para almacenar carga y se le llama su capacitancia C. = La unidad de capacitancia es el coulomb por volt, que se define como farad (F). Por consiguiente, si un conductor tiene una capacitancia de un farad, la transferencia de un coulomb de carga al conductor elevar su potencial un volt. Volvamos ahora a la pregunta original acerca de las limitaciones que se presentan cuando se carga un conductor. Se ha dicho que cada conductor tiene una determinada capacitancia C para almacenar carga. El valor de C para un determinado conductor no es una funcin de la carga que soporta el conductor ni del potencial producido. En principio, la razn Q/V permanecer constante mientras se aade carga indefinidamente, pero la capacitancia depende del tamao y la forma del conductor, as como de la naturaleza del medio que lo rodea, o medio circundante. Suponga que se trata de transferir una cantidad de carga indefinida Q a un conductor esfrico de radio r, como se presenta en la figura 26.2. El aire que rodea al conductor es un aislante, a menudo llamado dielctrico, que contiene unas cuantas cargas en libertad de movimiento. La intensidad del campo elctrico E y el potencial V en la superficie de la esfera estn dados por = 2 = . Puesto que el radio r es constante, tanto la intensidad del campo como el potencial en la superficie de la esfera aumentan en proporcin directa a la carga Q. Sin embargo, hay un lmite para la intensidad del campo que puede haber en un conductor sin que se ionice el aire a su alrededor. Cuando esto sucede, el aire se vuelve esencialmente un conductor y cualquier carga adicional que se coloque en la esfera se fugar al aire. Este valor lmite de la intensidad del campo elctrico en el que un material pierde sus propiedades aislantes se conoce como la rigidez dielctrica de ese material. La rigidez dielctrica de un material es la intensidad del campo elctrico para la que el material deja de ser un aislante y se convierte en un conductor. La rigidez dielctrica para el aire seco a 1 atm de presin es de 3 MN/C, aproximadamente. Puesto que la rigidez dielctrica de un material vara considerablemente con las condiciones ambientales, como la presin atmosfrica y la humedad, es difcil calcular valores exactos. 19. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 19 Ejemplo: Cul es la carga mxima que puede transferirse a un conductor esfrico cuyo radio es de 50 cm? Suponga que est rodeado de aire. Plan: La carga mxima queda determinada por la intensidad del campo elctrico necesario para volver el aire circundante un conductor de electrones. Estableceremos la carga necesaria para alcanzar la rigidez dielctrica del aire para un radio de 0.5 m. Solucin: Se tiene que = 0.50 = 3 = 3 106 /, de forma que la carga mxima Q ser = 2 = 2 = (0.5)2(3 105 /) (9 109 . 2/2) = . o 83.3C En este ejemplo se ilustra la enorme magnitud del coulomb cuando se usa como unidad de carga electrosttica. 2.5. Corriente elctrica En los circuitos elctricos hay un desplazamiento de cargas elctricas a travs de los conductores, que recibe el nombre de corriente elctrica. La corriente elctrica es un fenmeno resultante de la propiedad que tienen todos los cuerpos de neutralizarse elctricamente. As, un cuerpo cargado negativamente tiende a ceder su exceso de electrones, mientras que un cuerpo cargado positivamente tiende a neutralizarse capturando electrones de tomos que tienen en exceso. Si unimos a travs de un conductor dos cuerpos, uno cargado positivamente y el otro negativamente, habr una circulacin de electrones hasta que los dos cuerpos tengan el mismo potencial (figura 1.20). Esta circulacin de electrones o cargas elctricas se denomina corriente elctrica. Veamos ahora como se desplazan los electrones por un conductor. Al estudiar los materiales conductores hemos dicho que haba electrones libres que estaban en movimiento continuo, un movimiento catico debido a la agitacin trmica, de manera que no existe desplazamiento de cargas en un sentido determinado (figura 1.21). Al situar un conductor en el interior de un campo elctrico externo , los electrones libres se mueven en sentido contrario al campo elctrico (figura 1.22). El movimiento de los electrones es muy lento, de unos pocos milmetros por segundo. Por lo tanto, un electrn no se puede desplazar instantneamente de un punto a otro del circuito para encender una lmpara o poner en funcionamiento un motor elctrico. En realidad, cuando nosotros conectamos un circuito elctrico hay una perturbacin. Los electrones ms prximos al generador son repelidos por su potencial negativo; estos electrones repelen otros y as sucesivamente hasta llegar al otro extremo del conductor, es decir, por el interior del conductor circula la perturbacin originada por el generador. Su velocidad se acerca a la velocidad de la luz, aproximadamente de 3 x 108 m/s. La magnitud que nos da idea de la cantidad de electrones que pasan por un conductor en un tiempo determinado es la intensidad de corriente. 20. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 20 Tipos de corriente elctrica La corriente elctrica puede ser C.D. o C.A. La cd es la corriente directa, que es el flujo de cargas en una direccin. Un acumulador produce corriente directa en un circuito, porque sus terminales tienen siempre el mismo signo: la terminal positiva siempre es positiva y la terminal negativa siempre es negativa. Los electrones fluyen de la terminal negativa, que los repele, hacia la terminal positiva, que los atrae, y siempre se mueven por el circuito en la misma direccin. Aun cuando la corriente se haga en impulsos desiguales, mientras los electrones se muevan slo en una direccin ser C.D. La corriente alterna C.A. es lo que su nombre implica. Los electrones en el circuito se mueven primero en una direccin, y despus en direccin contraria, alternando de aqu para all con respecto a posiciones relativamente fijas. Esto se hace alternando la polaridad del voltaje en el generador o en la fuente de voltaje. 2.6. Circuitos elctricos Para que una lmpara se encienda o un motor se ponga en funcionamiento es necesario conectarlos a una pila o batera (acumulador) mediante conductores elctricos. La unin correcta de estos elementos forma un circuito elctrico. Un circuito elctrico est formado por un generador (pila o acumulador) que proporciona la energa necesaria, el receptor (lmpara, motor, etc.) y los conductores que unen los diferentes componentes (figura 1.19). Los generadores son los aparatos que transforman el trabajo u otro tipo de energa cualquiera en energa elctrica. Los receptores elctricos transforman la energa elctrica en otra forma de energa, es decir, realizan la funcin inversa a la de los generadores. El conductor elctrico es cualquier sistema material que tenga las siguientes propiedades: que no ofrezca resistencia apreciable al paso de la corriente y que no aparezca ninguna diferencia de potencial entre sus extremos cuando circule una corriente elctrica. Para poder gobernar los circuitos hacen falta unos componentes llamados elementos de maniobra o control; los ms importantes son los interruptores, los pulsadores y los conmutadores. 21. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 21 22. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 22 Tipos de circuitos Circuito en serie: Los receptores se conectan una a continuacin del otro, el final del primero con el principio del segundo y as sucesivamente. Veamos un ejemplo de dos lmparas en serie: Circuito en paralelo: Son los circuitos en los que los receptores se conectan todas las entradas de los receptores unidas y todas las salidas tambin se unen por otro lado. Veamos el ejemplo de 2 lmparas en paralelo. Circuito Mixtos: Son aquellos circuitos elctricos que combinan serie y paralelo. Lgicamente estos circuitos tendrn ms de 2 receptores, ya que si tuvieran 2 estaran en serie o en paralelo. Veamos un ejemplo de un circuito mixto. 2.7. Leyes elctricas La ley de Coulomb dice que la fuerza de atraccin o de repulsin entre dos cargas es directamente proporcional al producto de sus cargas (Q y Q) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r). Esta fuerza tiene como direccin la recta que una las dos cargas (Figura 1.5). = 2 Donde K = constante que depende del medio que rodea las dos cargas. 23. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 23 En el aire o el vaco, K = 9 x 109 2 2 . En cualquier otro medio, su valor es siempre ms pequeo, lo que provoca que la interaccin entra las cargas disminuya. En el sistema internacin (SI) se define la K = 1 4 , donde es permitividad o constante dielctrica del medio, que, por lo tanto, es una constante (tabla 1.1). Definimos como permitividad relativa , la relacin entre las permitividad del medio y la permitividad del vaco. = Donde = permitividad relativa = permitividad del medio 0 = perimitividad del vaco En caso de que haya tres o ms cargas elctricas puntuales, la fuerza elctrica resultante que ejercen sobre una de las cargas es la suma vectorial de las fuerzas que actan sobre esta. Ejercicio: Dos cargas puntuales de 20C y 35C se encuentran en el vaco separadas por una distancia de 20 cm (figura 1.6). Cmo es la fuerza y qu valor tiene? Solucin Al ser las dos cargas de signo contrario, la fuerza entre ellas es de atraccin y de valor: = 2 = 9 . 109 2 2 . 20 . 106 . 106 0.04 2 = . La ley de Ohm. El fsico Georg Simn Ohm dictamin: la corriente que circula por un circuito elctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensin que tiene aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece a su paso la carga que tiene conectada. Que podemos expresar mediante la ecuacin: = Donde: I = Intensidad de corriente en ampere (A) V = Voltaje o tensin en volt (V) R = Resistencia en ohm () La anterior ecuacin se puede tambin expresar de las siguientes formas: = . = La Ley de Ohm nos permite relacionar las tres magnitudes fundamentales de un circuito elctrico, intensidad, voltaje y resistencia, de manera que conociendo dos de ellas, podemos calcular la tercera. 24. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 24 EJEMPLOS 1. Calcular la intensidad que circula por una resistencia de 8, si entre sus extremos hay una tensin de 32V. = = 32 8 = 2. Si por una resistencia circulan 6A, cuando entre sus extremos hay 72V, Cul ser el valor de la resistencia? = = 72 6 = 3. Qu tensin hay que aplicar a una resistencia de 25, para que por ella circule una intensidad de 3A? = . = 25 . 3 = 4. Calcular la intensidad que circula por una resistencia de 18k, si entre sus extremos hay una tensin de 72V. Hay que tener en cuenta, que la resistencia la tenemos que pasar a ohmios, ya que esta en un mltiplo, el kilo-ohm: = 18 = 18 , 1000 = 18 . 103 Con lo que tendremos: = = 72 18 . 103 = . Cuando tengamos una solucin como la anterior, el resultado lo pasaremos a otro submltiplo, en este caso al mili, con lo que el resultado ser de: = 0.004 A = 4 . 103 = 4 Es muy frecuente utilizar la ley de Ohm, empleando para la intensidad mA, para el voltaje V, y para la resistencia k. Siempre que utilicemos mA y k al mismo tiempo, los resultados no varan. Ley de Joule. Cuando la corriente elctrica circula por un conductor, encuentra una dificultad que depende de cada material y que es lo que llamamos resistencia elctrica, esto produce unas prdidas de tensin y potencia, que a su vez den lugar a un calentamiento del conductor, a este fenmeno se lo conoce como efecto Joule. En definitiva, el efecto Joule provoca una prdida de energa elctrica, la cual se transforma en calor, estas prdidas se valoran mediante la siguiente expresin: = . 2 Donde: = Potencia perdida en W R = Resistencia del conductor en I = Intensidad de corriente en A La resistencia que presenta un conductor es: = . Donde: = Resistividad en ohm por metro ( m). L = Longitud en metros (m). A = Seccin en metros cuadrados (2 ). La seccin transversal del conductor es: = . 2 = ( 2 )2 = . 2 4 Donde: d = dimetro del conductor El conductor tpicamente usado es el cobre, cuya resistividad es de 1.7 . 108 ( m). Finalmente se calcula la energa perdida en calor como sigue: = . o = . Donde: Q = Energa calrica en caloras 0.24 = Representa las caloras de energa trmica (1 jouls de trabajo = 0.24 caloras) 25. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 25 I = Intensidad de corriente en A t = tiempo en segundo (s) Este efecto es aprovechado en aparatos calorficos, donde estas prdidas se transforman en energa calorfica, que se expresa por la letra Q, y se mide en caloras. Ejemplo: Un tostador elctrico de pan tiene una resistencia de 20 y se conecta durante dos minutos a una diferencia de potencial de 120 V. Qu cantidad de calor produce? Datos: R = 20 t = 2 min = 120s V = 120V Q = ? Frmula: = 0.24 2 Clculo de I: = = 120 20 = 6 Sustitucin y resultado: = 0.24 (6)2 . 20 . 120s = 20736 caloras Las leyes de Kirchhoff. Cuando tenemos circuitos elctricos con ms de una pila o generador se tienen que aplicar las leyes de Kirchhoff para poder resolver el circuito. Existen dos leyes de Kirchhoff: Ley de nodos o ley corrientes. En todo nodo, donde la densidad de la carga no vare en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Ficho de otra forma la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo. Suma de corrientes entrantes = Suma de las corrientes salientes 1 = 2 + 3 Un enunciado alternativo es, en todo nodo la suma algebraica de corrientes debe ser 0. = 1 + 2 + 3 + = 0 =1 Ejemplo: Calcular la corriente desconocida del circuito Suma de corrientes entrantes = Suma de las corrientes salientes 7 = 2 + 4 7 4 = 2 2 = Ley de mallas o ley de voltajes. En toda malla la suma de todas las cadas de tensin es igual a la suma de todas las subidas de tensin. Ficho de otra forma el voltaje aplicado a un circuito cerrado es igual a la suma de las cadas de voltaje en ese circuito. Voltaje aplicado = Suma de cadas de voltaje = 1 + 2 + 3 Un enunciado alternativo es, en toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial elctrico debe ser 0. = 1 + 2 + 3 + = 0 =1 26. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 26 Ejemplo: Calcular el voltaje desconocido del circuito Voltaje aplicado = Suma de cadas de voltaje 24 = 8 + 10 + 3 24 8 10 = 3 3 = Ley de Watt. La potencia elctrica suministrada por un receptor es directamente proporcional a la tensin de la alimentacin (V) del circuito y a la intensidad de corriente (I) que circule por l. P = V . I Donde: P = Potencia en watt (W) V = Tensin en volt (V) I = Intensidad de corriente en ampere (A) Watt es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades, su smbolo es W. Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s). Expresado en unidades utilizadas en electricidad, el Watt es la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente elctrica de 1 amperio (1 VA). La potencia elctrica de los aparatos elctricos se expresa en Watt, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW). Ejemplos: 1. Cul es la potencia consumida por un cautn de soldar por el cual circula una corriente de 0,16A (160mA) y est conectado a la red de 220V? P = V . I P = 220 . 0.16 = 35W 2. Qu corriente circula por una lmpara de 100W, conectada a la red de 220V? = = 100 220 = 0.45 = 3. Encuentre el voltaje aplicado a una plancha de 1000W, que consume una corriente de 4.55A = = 1000 4.55 = 27. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 27 3. MAGNETISMO 3.1. Orgenes del Magnetismo Los fenmenos magnticos fueron conocidos por primera vez por los antiguos griegos, a travs de una mineral llamado magnetita (de ah surge el trmino magnetismo). Se dice que se pudo observar por primera vez en la ciudad de Magnesia, en Asia Menor. Originariamente se pens que la magnetita se podra utilizar con fines teraputicos. Esta reputacin de la magnetita se transmiti tambin a los griegos, los cuales la usaban para la curacin de dolencias. En el siglo III A.C., Aristteles escribi acerca de las propiedades curativas de los imanes naturales, que llamaba "imanes blancos". Posteriormente las aplicaciones basadas en el magnetismo fueron desarrollndose. Por el siglo 12 D.C., los marineros chinos ya utilizaban magnetitas como brjulas para la navegacin martima. Para qu sirven los imanes? Un gran nmero de mdicos y sanadores utilizaron los imanes para curar diferentes problemas mdicos a lo largo de la historia. Hoy en da la ciencia mdica utiliza el magnetismo ms que nunca, por ejemplo: La magnetoencefalografa (MEG) se utiliza para medir la actividad cerebral. La terapia de choque para volver a iniciar corazones. El uso de imanes en aplicaciones industriales y mecnicas tambin es muy comn. Los imanes son la fuerza motriz bsica para todos los motores elctricos y generadores elctricos. El magnetismo es un fenmeno fsico por el que los objetos ejercen fuerzas de atraccin o repulsin sobre otros materiales. Hay materiales que presentan propiedades magnticas detectables fcilmente, como el nquel, el hierro o el cobalto, que pueden llegar a convertirse en un imn. Existe un mineral llamado magnetita que es conocido como el nico imn natural. De hecho de este mineral proviene el trmino de magnetismo. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magntico. 3.2. Imanes Qu es un imn? Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo. Hay que destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. El ms comn de los imanes naturales es un mineral llamado magnetita. Los imanes pueden ser permanentes o temporales, segn el material con el que se fabriquen y segn la intensidad de campo magntico al que le sometan. Cualquier imn presenta dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza. Estas zonas estn situadas en los extremos del imn y son los denominados polos magnticos: Norte y Sur. La magnetita es un mineral ferromagntico, formado principalmente por xido ferroso frrico Imn artificial temporal (a) y permanente (b) 28. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 28 Una de las propiedades fundamentales de la interaccin entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los polos opuestos se atraen. El efecto de atraccin y repulsin tiene que ver con las lneas de campo magnticas. Las lneas de campo magnticas exteriores suelen ir del polo Norte al polo Sur. Por lo tanto, cuando se acercan dos polos opuestos, estas lneas tienen a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Y segn sea la distancia entre los dos imanes esta atraccin ser mayor o menor. En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas lneas de campos no tienden a saltar de un polo a otro, si no que se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresin es mxima, las lneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan. Otra caracterstica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imn se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur. Si tenemos un imn suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma direccin. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imn se alinean segn los polos magnticos de la Tierra, que acta como imn natural. 3.3. El campo magntico, flujo magntico e intensidad de campo magntico El campo magntico es la agitacin que produce un imn a la regin que lo envuelve. Es decir, el espacio que envuelve el imn en donde son apreciables sus efectos magnticos, aunque sea imperceptible para nuestros sentidos. Para poder representar un campo magntico utilizamos las llamadas lneas de campo. Estas lneas son cerradas: parten (por convenio) del polo Norte al polo Sur, por el exterior del imn. Sin embargo por el interior circulan a la inversa, de polo Sur a polo Norte. Las lneas de campo no se cruzan, y se van separando, unas de las otras, en alejarse del imn tangencialmente a la direccin del campo en cada punto. El recorrido de las lneas de fuerza recibe el nombre de circuito magntico, y el nmero de lneas de fuerza existentes en un circuito magntico se le conoce como flujo magntico. Estas lneas nos dan una idea de: Direccin que tendr el campo magntico. Las lneas de campo van desde el polo sur al polo norte en el interior del imn y desde el polo norte hasta el polo sur por el exterior. La intensidad del campo magntico, tambin conocida como intensidad de campo magntico, es inversamente proporcional al espacio entre las lneas (a Detalle sobre las zonas de accin de mayor fuerza magntica Efecto repulsin y atraccin en un imn Efecto de un imn al ser dividido en varias partes Sentido de los polos magnticos de la tierra 29. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 29 menos espacio ms intensidad). En un campo magntico uniforme, la densidad de flujo de campo magntico que atraviesa una superficie plana y perpendicular a las lneas de fuerza valdr: = Donde la letra griega phi () es el flujo magntico y su unidad es el Weber (Wb). En el caso de que la superficie atravesada por el flujo magntico no sea perpendicular a la direccin de este tendremos que: = . . cos Donde alfa es el ngulo que forma B con el vector perpendicular a la superficie. 3.4. Propiedades magnticas de la materia Las lneas de campo magntico atraviesan todas las sustancias. No se conoce ninguna sustancia que impida la penetracin del campo magntico, pero no todas las sustancias se comportan de la misma manera. Segn su comportamiento, los materiales se pueden clasificar de la siguiente manera: Materiales ferromagnticos Cuando a un material ferromagntico se le somete a un campo magntico este se magnetiza: se consigue un imn artificial. Este fenmeno se conoce como imantacin. Una vez se aleja el imn del material magntico y segn la intensidad de campo magntico aplicada, este puede quedarse imantado permanentemente o mantener sus propiedades magnticas durante un periodo determinado de tiempo (imn temporal). El ferromagnetismo est presente en el cobalto, el hierro puro, en el nquel y en todas las aleaciones de estos tres materiales. Materiales paramagnticos Los materiales paramagnticos son aquellas sustancias, como el magnesio, el aluminio, el estao o el hidrgeno, que al ser colocados dentro de un campo magntico se convierten en imanes y se orientan en la direccin del campo. En cesar el campo magntico desaparece el magnetismo inmediatamente y, por tanto, dejan de actuar como imanes. Materiales diamagnticos Los materiales diamagnticos son aquellas sustancias, como el cobre, el sodio, el hidrgeno, o el nitrgeno, que en ser colocadas dentro de un campo magntico, se magnetizan en sentido contrario al campo aplicado. La permeabilidad relativa El hecho de que los materiales ferromagnticos, se queden imantados permanentemente, y que tengan la propiedad de atraer y de ser atrados con ms intensidad que los paramagnticos o diamagnticos, es debido a su permeabilidad relativa. Le permeabilidad relativa es el resultado del producto entre la permeabilidad magntica y la permeabilidad de vaco (constante magntica). = 0 La permeabilidad del vaco es una constante magntica cuyo valor es: 0 = 4 107 / Para los materiales ferromagnticos esta permeabilidad relativa tiene que ser muy superior a 1, para los paramagnticos es aproximadamente 1, y para los diamagnticos es inferior a 1. Detalle de un imn con la direccin de las lneas de campo 30. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 30 3.5. Electromagnetismo El electromagnetismo es la parte de la electricidad que estudia la relacin entre los fenmenos elctricos y los fenmenos magnticos. Los fenmenos elctricos y magnticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relacin fue descubierta por casualidad. As, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad haban sido tratados como fenmenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin embargo, esto cambi a partir del descubrimiento que realiz Hans Chirstian Oersted, observando que la aguja de una brjula variaba su orientacin al pasar corriente a travs de un conductor prximo a ella. Los estudios de Oersted sugeran que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenmeno: las fuerzas magnticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas elctricas en movimiento. El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los motores elctricos y generadores elctricos. Esta relacin entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el fsico dans Hans Christian Oersted. ste observ que si colocaba un alfiler magntico que sealaba la direccin norte-sur paralela a un hilo conductor rectilneo por el cual no circula corriente elctrica, sta no sufra ninguna alteracin. Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magntico se desviaba y se orientaba hacia una direccin perpendicular al hilo conductor. En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volva a su posicin inicial. De este experimento se deduce que al pasar a una corriente elctrica por un hilo conductor se crea un campo magntico. 3.6. Campo magntico creado por una corriente elctrica Una corriente que circula por un conductor genera un campo magntico alrededor del mismo. El valor del campo magntico creado en un punto depender de la intensidad del corriente elctrico y de la distancia del punto respecto el hilo, as como de la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente elctrica. El campo magntico creado por un elemento de corriente hace que alrededor de este elemento se creen lneas de fuerzas curvas y cerradas. Para determinar la direccin y sentido del campo magntico podemos usar la llamada regla de la mano derecha. En el caso de un hilo conductor rectilneo se crea un campo magntico circular alrededor del hilo y perpendicular a l. Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espiral, el campo magntico ser circular. La direccin y el sentido del campo magntico dependen del sentido de la corriente elctrica. Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hlice tenemos una bobina o solenoide. El campo magntico en su interior se refuerza todava ms en existir ms espiras: el campo magntico de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la regin central. Experimento de Oersted La regla de la mano derecha nos dice que utilizando dicha mano, y apuntando con el dedo pulgar hacia el sentido de la corriente, la curvatura del resto de dedos nos indicar el sentido del campo magntico 31. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 31 Una aplicacin muy comn de las bobinas es utilizarlas como electroimanes. Este tipo de electroimanes consiste en una bobina, por donde circula una corriente elctrica, y un ncleo ferromagntico, colocado en el interior de la bobina. Cuando por la bobina circula una corriente elctrica, el ncleo de hierro se convierte en un imn temporal. Cuantas ms espiras tenga la bobina, mayor ser su campo magntico. 3.7. Fuerza electromagntica Cuando una carga elctrica est en movimiento crea un campo elctrico y un campo magntico a su alrededor. As pues, este campo magntico realiza una fuerza sobre cualquier otra carga elctrica que est situada dentro de su radio de accin. Esta fuerza que ejerce un campo magntico ser la fuerza electromagntica. Si tenemos un hilo conductor rectilneo por donde circula una corriente elctrica y que atraviesa un campo magntico, se origina una fuerza electromagntica sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magntico genera fuerzas sobre cargas elctricas en movimiento. Si en lugar de tener un hilo conductor rectilneo tenemos un espiral rectangular, aparecern un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magntico. Esto no provocar un desplazamiento, sino que la espira girar sobre s misma. La direccin de esta fuerza creada se puede determinar por la regla de la mano izquierda. Si la direccin de la velocidad es paralela a la direccin del campo magntico, la fuerza se anula y la trayectoria de la partcula ser rectilnea. Si la direccin de la velocidad es perpendicular al campo magntico la fuerza vendr dada por la expresin: = Y si esta fuerza es perpendicular al plano formado por la velocidad y el campo magntico, la partcula entonces describir una trayectoria circular. Si la direccin de la velocidad es oblicua a la del campo magntico, la partcula describir una trayectoria en espiral. 3.8. Induccin electromagntica y la fuerza electromotriz inducida La induccin electromagntica es la produccin de corrientes elctricas por campos magnticos variables con el tiempo. Este fenmeno es justamente el contrario al que descubri Oersted, ya que es la existencia de un campo magntico lo que nos producir corrientes elctricas. Adems, la corriente elctrica incrementa en aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magntico. Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz. La ley de Faraday-Lenz. Basado en el principio de conservacin de la energa, Michael Faraday pensaba que si una corriente elctrica era capaz de generar un campo magntico, entonces un campo magntico deba tambin producir una corriente elctrica. Espiral por la cual circula una corriente, esta corriente genera un campo magntico a su alrededor Espira rectangular girando de un campo magntico 32. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 32 En 1831 Faraday llev a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenmeno de induccin electromagntica. Descubri que, moviendo un imn a travs de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente elctrica, llamada corriente inducida. Adems, esta corriente tambin apareca al mover el alambre sobre el mismo imn quieto. Faraday explic el origen de esta corriente en trminos del nmero de lneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La Ley de Faraday nos dice que: "La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que vara el flujo magntico que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo. Para determinar el sentido de una corriente inducida se utiliza la llamada Ley de Lenz, que formulaba que: "La corriente inducida crea un campo magntico que se opone siempre a la variacin de flujo magntico que la ha producido. Estas leyes se pueden resumir en la siguiente expresin: = Donde se establece que el cociente entre la variacin de flujo () respecto la variacin del tiempo (t) es igual a la fuerza electromotriz inducida (). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz, e indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida. La corriente inducida, pues, se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imn. La induccin electromagntica constituye un fenmeno destacado en el electromagnetismo. Se han desarrollado un sin nmero de aplicaciones prcticas de este fenmeno fsico: El transformador, que se emplea para conectar un telfono mvil a la red. La dinamo de una bicicleta. El alternador de una gran central hidroelctrica . La induccin electromagntica en una bobina Para entender correctamente qu es la induccin electromagntica analizaremos una bobina (componente del circuito en forma de espiral que almacena energa elctrica): Cuando el imn y la bobina estn en reposo el galvanmetro no seala paso de corriente elctrica a travs de la bobina. Si acercamos un imn a esta bobina, observamos que el galvanmetro marca el paso de una corriente elctrica en la bobina. Si alejamos el imn, el galvanmetro marcar el paso de la corriente elctrica a travs de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercbamos. Si en vez de mover el imn movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a travs del galvanmetro. De esta experiencia se puede deducir que el corriente dura mientras se realiza el movimiento del imn o de la bobina y es ms intenso como ms rpido se haga este movimiento. La corriente elctrica que aparece a la bobina es la corriente inducida. Corrientes de Foucault Este fenmeno se produce cuando un material conductor atraviesa un campo magntico variable (o viceversa. En este caso, el movimiento relativo entre el material conductor y el campo magntico variable, causa una circulacin de electrones, o corriente inducida a travs del material conductor. Sin embargo, hay infinidad de aplicaciones que se basan en las corrientes de Foucault, como: Los hornos de induccin, de gran utilidad en la industria ya que funcionan a altas frecuencias y con grandes corrientes. Las corrientes Foucault, tambin, son la base del funcionamiento de los detectores de metales. Tambin estn presentes en los sistemas de levitacin magntica usado en los trenes. 33. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 33 En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que representan una disipacin de energa en forma de calor, pero, como ya hemos visto, estas corrientes son la base de muchas aplicaciones. Tambin son la causa principal del efecto pelicular en conductores que transportan corriente alterna , lo que crea la mayor parte de las prdidas en el transporte de la electricidad. 3.9. Motor elctrico, generador y transformador Un motor elctrico es una mquina elctrica que transforma energa elctrica en energa mecnica por medio de interacciones electromagnticas. Algunos de los motores elctricos son reversibles, pueden transformar energa mecnica en energa elctrica funcionando como generadores. Los motores elctricos de traccin usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos. Un generador elctrico es un dispositivo que convierte energa mecnica en energa elctrica. Mantiene por tanto una diferencia de potencial entre dos puntos denominados polos. Por la ley de Faraday, al hacer girar una espira dentro de un campo magntico, se produce una variacin del flujo de dicho campo a travs de la espira y por tanto se genera una corriente elctrica. El transformador es un dispositivo que convierte la energa elctrica alterna de un cierto nivel de tensin, en energa alterna de otro nivel de tensin, por medio de interaccin electromagntica. Est constituido por dos o ms bobinas de material conductor, aisladas entre s y por lo general enrolladas alrededor. 34. Lectura bsica de Fsica II C.B.T.A. No. 289, Corral Falso, Gro. Elabor L.I. Elith Avils Ochoa Todos los derechos reservados a las fuentes de informacin referidas. Fsica II Pgina 34 BIBLIOGRAFA Paul G. Hewit, Fsica conceptual, dcima edicin, Pearson, 2007. Tippens. Fsica, conceptos y aplicaciones, sexta edicin, Mc Graw Hill, 2007 Hctor Prez Montiel, Fsica General, tercera edicin, Publicaciones Cultural, 2006. Raymond A. Serway, Clement J. Moses Curt A. Moyer, Fsica Moderna, tercera edicin, Thomson, 2006. Raymond A. Serway, Jerry S. Faughn, Fsica, Para bachillerato general, Volumen 1, sexta edicin, Thomson, 2006. Raymond A. Serway, Jerry S. Faughn, Fsica, Para bachillerato general, Volumen 2, sexta edicin, Thomson, 2006. Frederick J. Bueche, Fsica General, novena edicin, Mc. Graw-Hill, 2005. Grupo mio+d. (2006). Fsica. 5 de Junio de 2014, de madrimasd.org Sitio web: http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/taller/fisica/energia/default.asphttp://www.fisicarecreativa.com/libro/i ndice_exp.htm J. L., Arroyo & J. A., Gallego. (2000). Fsica y Qumica. 10 de Junio de 2014, de Edured Sitio web: http://www.edured2000.net/fyq/http://www.mysvarela.nom.es/problfisqui/probemas.htm R., Santiago Neto . (2007). Fsica . 11 de Junio de 2014, de Fisica.Net Sitio web: http://www.fisicanet.com.ar/ Grupo Entrada gratis. (2006). Enciclopedia de Fsica . 11 de Junio de 2014, de EntradaGratis.com Sitio web: http://www.entradagratis.com/18/Enciclopedia-de-Fisica.htm

Lectura basica fisica II

Education

Transcript of Lectura basica fisica II