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COLEGIO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS

DEL ESTADO DE SONORA

Módulo de aprendizaje

FÍSICA II

Hermosillo, Sonora. Enero de 2013.

2

COLEGIO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y

TECNOLÓGICOS DEL ESTADO DE SONORA

Bachillerato General (EMSaD)

Dirección Académica

Subdirección de Desarrollo Académico

Departamento de Desarrollo Curricular

Calle La Escondida #34, Col. Santa Fe,

Hermosillo, Sonora, México. CP. 83249

Física II

Módulo de aprendizaje

Cuarto semestre

Elaboradores

Claudia Meraz Quiroz Felipe Trinidad Acosta Soto José Trinidad Sánchez Gastelum

Supervisión académica

María Asunción Santana Rojas

Jesús Enrique Córdova Bustamante

Edición y diseño

Miguel Ángel Velasco González

Coordinación técnica

Ana Lisette Valenzuela Molina

Coordinación general

José Carlos Aguirre Rosas

Copyright ©, 2013 por Colegio de Estudios

Científicos y Tecnológicos del Estado de Sonora

Todos los derechos reservados

3

Directorio

MTRO. Martín Alejandro López García

Director General

M.C. José Carlos Aguirre Rosas

Director Académico

ING. José Francisco Arriaga Moreno

Director Administrativo

L.A.E. Martín Francisco Quintanar Luján

Director de Finanzas

LIC. Alfredo Ortega López

Director de Planeación

LIC. Jesús Andrés Miranda Cota

Director de Vinculación

L.A. Mario Alberto Corona Urquijo

Director del Órgano de Control

4

Nombre _____________________________________________

Plantel _______________________________________________

Grupo ______ Turno _________ Teléfono __________________

Correo Electrónico _____________________________________

Domicilio _____________________________________________

Datos del alumno

Ubicación Curricular

Componente:

Formación Básica

Campo de Conocimiento:

Ciencias experimentales

Créditos:

10

Horas:

5 HSM

Asignatura Antecedente:

Física I

Asignatura Consecuente:

Ninguna

5

ESTRUCTURA GENERAL DE LA ASIGNATURA DE FÍSICA II

BLOQUE I: FLUIDOS

EN REPOSO Y

MOVIMIENTO

BLOQUE II: CALOR

Y TEMPERATURA

BLOQUE III.

LEYES DE LA

ELECTRICIDAD

BLOQUE IV:

MAGNETISMO

FLUIDOS EN

REPOSO

FLUIDOS EN

MOVIMIENTO

HIDRÁULICA

PROPIEDADES

FÍSICAS DE

LOS FLUIDOS

PRESIÓN

PRINCIPIO

DE PASCAL

PRINCIPIO DE

ARQUÍMEDES

TEOREMA DE

BERNOULLI

ECUACIÓN DE

CONTINUIDAD

Y GASTO

ESCALAS

TERMOMÉTRICAS

MECANISMOS DE

TRANSFERENCIA

DE CALOR

DILATACIÓN

IRREGULAR

DEL AGUA

CAPACIDAD

CALORÍFICA

CARGA

ELÉCTRICA

MATERIALES

CONDUCTORES

Y AISLANTES

CIRCUITOS

ELÉCTRICOS

POTENCIA

ELÉCTRICA

ANTECEDENTES

CARACTERÍSTICAS

DE LOS IMANES

FÍSICA II

CONCEPTO DE

ELECTROMAGNETISMO

CAMPOS

MAGNÉTICOS

INDUCCIÓN

ELECTROMAGNÉTICA

FUNCIONAMIENTO

DEL MOTOR

ELÉCTRICO

IMPACTO SOCIAL,

CULTURAL Y

AMBIENTAL DE LAS

CONTRIBUCIONES DE

LA FÍSICA

7

ÍNDICE

Presentación……………………….……………………………………………………………...... 10

Recomendaciones para el alumno ……………………………………………………………..... 11

Competencias………………………………………………………………………………………. 14

Bloque I. Describe los fluidos en reposo y movimiento 15

1.1 Características fundamentales de los fluidos en reposo……….…………….…. 17

1.1.1 División de la hidráulica en el estudio de fluidos……………………………………... 17

1.1.2 Propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos………….. 22

1.1.3 Diferentes tipos de presión………………………………………………………………. 27

1.1.4 Principio de Pascal………………………………………………………………………... 38

1.1.5 Principio de Arquímedes………………………………………………………………… 43

1.2 Características fundamentales de los fluidos en movimiento………….……… 47

1.2.1 Líquidos en movimiento………………………………………………………………….. 47

1.2.2 Ecuaciones de continuidad, gasto y flujo……………………………………………… 50

1.2.3 Teorema de Bernoulli……………………………………………………………………. 50

Autoevaluación…………………………………………………………………………………… 57

Bloque II. Analiza las diferencias entre calor y temperatura 59

2.1. Diferencias entre calor y temperatura………………...…………………………….. 61

8

2.1.1. Diferencia entre calor y temperatura……………………………………….……………. 61

2.1.2. Escalas termométricas y conversiones………………………………………………….. 66

2.1.3. Mecanismos de transferencia de calor……………………………………………….. 71

2.2. Dilatación…………………………..…………………………………………………….. 75

2.2.1. Dilatación térmica…………………………………………………………………………… 75

2.2.2. Dilatación Irregular…………………………………………………………………………. 84

2.2.3 Capacidad calorífica y calor específico…………………..…………………………… 86

2.2.4 Problemas relacionando la temperatura y el calor………………………..………… 89

Autoevaluación…………………………………………………………………………………… 93

Bloque III. Comprende las leyes de la electricidad 97

3.1. Electricidad y otros conceptos básicos……………….………………………….... 99

3.1.1. Electrostática y electrodinámica……………………………………….…………………. 99

3.1.2. Carga eléctrica…………………………………………………………………………….. 102

3.1.3 Materiales conductores y aislantes………………….………………..………………. 104

3.2. Leyes de la electricidad……………………………………………………………….. 107

3.2.1 Ley de Coulomb…………………………………………………………………………….. 107

3.2.2 Problemas de intensidad de corriente, resistencia eléctrica, voltaje y ley de Ohm 118

3.2.3 Problemas de circuitos eléctricos con resistencia: serie, paralelo y mixto…………….. 127

3.2.4 Unidades de medida de potencia eléctrica………………………………………………... 133

Autoevaluación…………………………………………………………………………………….. 136

9

Unidad IV. Relaciona la electricidad y el electromagnetismo 137

4.1. Origen del magnetismo…………………….…………………………………………... 139

4.1.1 Antecedentes históricos más importantes en el desarrollo del electromagnetismo.. 139

4.1.2 Características de los imanes…………………………………………………………….. 142

4.1.3 Comportamiento de la tierra como un enorme imán……….………………………….. 146

4.2. Leyes del electromagnetismo……………..………………………………………… 149

4.2.1. Conceptos del electromagnetismo……………………………………………………… 149

4.2.2. Aplicaciones de campo magnético……………………………………………………. 153

4.2.3. Inducción electromagnética………………….…………………………………………. 158

4.2.4. Funcionamiento de un motor eléctrico, generador eléctrico y un transformador

eléctrico…………………………………………………………………………………….. 160

4.2.4 Impacto social, cultural y ambiental de las contribuciones de la física: riesgos y beneficios que suceden en su entorno…………………………………………………. 167

Autoevaluación……………………………………………………………………………………. 168

Instrumentos de evaluación……………………………………………………………………… 169

Glosario…………………………………………………………………………………………….. 175

Referencias………………………………………………………………………………………… 178

10

PRESENTACIÓN

El Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de Sonora, comprometido con la calidad educativa, ha implementado acciones que apoyan tu desarrollo académico, siendo una de éstas, la elaboración del presente módulo de aprendizaje, el cual pertenece a la asignatura de Física II, que cursarás durante el cuarto semestre.

El programa de Física II, está conformado por cuatro bloques: Bloque I: Explicas el comportamiento de los fluidos: El bloque I inicia con el estudio de los grandes grupos en que se divide la mecánica de los fluidos, la Hidrostática y la Hidrodinámica. En el primero se analizan las principales características de los fluidos como son la capilaridad, la tensión superficial, la presión, la densidad, etc., así como los principios de Pascal y de Arquímedes. Mientras que el segundo es un análisis de la conservación de la masa y la energía en los fluidos en movimiento, que permite comprender el principio de Bernoulli y sus aplicaciones en situaciones de la vida cotidiana y comprensión del funcionamiento de instrumentos tecnológicos basados en este principio. Bloque II: Identificas diferencias entre calor y temperatura: En el bloque II se introducirá la diferencia entre temperatura y calor, para luego presentar las escalas termométricas. De la misma manera se discutirá el efecto de la temperatura sobre la materia, enfatizando en las dilataciones térmicas: lineal, superficial y cúbica. Se incluirá un apartado sobre los mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) al final se analizarán las leyes de la termodinámica y como, a partir de ellas, se caracterizan los procesos térmicos que involucran gases ideales. Bloque III: Comprendes las leyes de la electricidad: El bloque III: presenta un análisis de las propiedades de las cargas eléctricas y la ley fundamental de la electrostática (Ley de Coulomb) que existe entre ellas, como parte del inicio del estudio de los fenómenos eléctricos. Los fundamentos de la electrodinámica son descritos a través de las leyes de Ohm, Watt y Joule y su aplicación en la comprensión del comportamiento de la electricidad en circuitos con resistencias colocadas en serie y en paralelo. Bloque IV: Relacionas la electricidad con el magnetismo: En el bloque IV primeramente se describen las características de los imanes y las propiedades del campo magnético, para después relacionar la electricidad y el magnetismo a través del experimento de Oersted. La aplicación del electromagnetismo en la construcción de motores, generadores y transformadores eléctricos es parte fundamental del presente bloque.

11

RECOMENDACIONES PARA EL ALUMNO

El presente módulo de aprendizaje, representa un importante esfuerzo que el Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de Sonora, ha realizado, para brindarte los contenidos que se abordarán en la asignatura de Física II.

Los contenidos de Física II, serán abordados a través de diversos textos, ejercicios, evaluaciones, entre otras actividades. Cabe mencionar, que algunas de las actividades propuestas las deberás realizar de manera individual mientras que en algunas otras, colaborarás con otros compañeros formando equipos de trabajo bajo la guía de tu profesor.

Para lograr un óptimo uso de este módulo de aprendizaje, deberás:

Considerarlo como el texto rector de la asignatura, que requiere sin embargo, ser enriquecido consultando otras fuentes de información.

Consultar los contenidos, antes de abordarlos en clase, de tal manera que tengas conocimientos previos de lo que se estudiará.

Participar y llevar a cabo cada una de las actividades y ejercicios de aprendizaje, propuestos.

Es muy importante que cada una de las ideas propuestas en los equipos de trabajo, sean respetadas, para enriquecer las aportaciones y lograr aprendizajes significativos.

Considerarlo como un documento que presenta información relevante en el área de las Matemáticas, a ser utilizado incluso después de concluir esta asignatura.

Identificar las imágenes que te encontrarás en los textos que maneja el módulo de aprendizaje, mismas que tienen un significado particular:

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SIMBOLOGÍA

Esperando que este material de apoyo sea de gran utilidad en tu proceso de aprendizaje, y así

mismo despierte el interés por conocer y aprender más sobre esta ciencia, te deseamos el

mayor de los éxitos.

Evaluación diagnóstica

Ejercicio que se elaborará en equipo.

Ejercicio que se elaborará de manera individual.

Ejemplo del tema tratado en clase.

Tarea que se elaborará en casa, relacionada con el tema visto en clase.

Tarea de investigación.

Material recortable para resolver algunas de las tareas a elaborar en casa.

Ejercicios para aplicar lo aprendido en casos de la vida cotidiana.

Examen de autoevaluación que se resolverá al final de cada unidad.

Aprendizajes a lograr al inicio de cada subtema.

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COMPETENCIA DE LA ASIGNATURA

Describe los fluidos en reposo y movimiento, así como sus propiedades físicas; diferenciando la hidrostática y la hidrodinámica. Además analiza las diferencias entre calor y temperatura, conoce las escalas termométricas, las conversiones, los tipos de dilatación y soluciona problemas relacionados. Comprende las leyes de la electricidad, tomando en cuenta la electrostática, la electrodinámica y la ley de Coulomb; así mismo diferencia los materiales conductores y aislantes. Soluciona problemas de circuitos eléctricos utilizando la ley de Ohm, tomando en cuenta diferentes arreglos de resistencias. Comprende las leyes del magnetismo, las características y tipos de imanes, la inducción electromagnética y las aplicaciones del campo magnético en el funcionamiento de motores, generadores y transformadores eléctricos.

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COMPETENCIAS

Genéricas

1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue.

2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros.

3. Elige y practica estilos de vida saludable.

4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados.

5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos.

6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.

7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.

8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.

9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo.

10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales.

11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables.

Disciplinarias

1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas.

9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

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Bloque I Describe los

fluidos en reposo

y movimiento

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COMPETENCIAS

Describe la división de la hidráulica en el estudio de fluidos e Identifica las diferencias entre los fluidos y los sólidos a partir de sus propiedades físicas.

Describe las propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos: Viscosidad, Tensión Superficial, Capilaridad, Cohesión, Adhesión, Incompresibilidad, Peso específico y Densidad.

Analiza y resuelve problemas de los diferentes tipos de presión en situaciones relacionadas con nuestro entorno: atmosférica, manométrica, hidrostática y absoluta.

Aplica el principio de Pascal, en la resolución de problemas aplicados en la vida cotidiana.

Aplica el principio de Arquímedes, en la resolución de problemas aplicados en la vida cotidiana.

Explica el comportamiento de los líquidos en movimiento.

Resuelve problemas donde aplique las ecuaciones de continuidad, gasto y flujo de nuestro entorno inmediato.

Aplica el teorema de Bernoulli, para resolver problemas en situaciones de su vida cotidiana.

TEMARIO

1.1 Analiza las características fundamentales de los fluidos en reposo a través de las teorías o principios, teoremas o modelos matemáticos, aplicándolos en situaciones cotidianas.

1.1.1 Describe la división de la hidráulica en el estudio de fluidos e Identifica las diferencias entre los fluidos y los sólidos a partir de sus propiedades físicas.

1.1.2 Describe las propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos: Viscosidad, Tensión Superficial, Capilaridad, Cohesión, adhesión, incompresibilidad, peso específico y densidad.

1.1.3 Analiza y resuelve problemas de los diferentes tipos de presión en situaciones relacionadas con nuestro entorno: atmosférica, manométrica, hidrostática y absoluta.

1.1.4 Aplica el principio de Pascal, en la resolución de problemas aplicados en la vida cotidiana.

1.1.5 Aplica el principio de Arquímedes, en la resolución de problemas aplicados en la vida cotidiana.

1.2. Analiza las características fundamentales de los fluidos en movimiento a través de las teorías, principios, teoremas, modelos matemáticos, aplicándolos en situaciones cotidianas.

1.2.1 Explica el comportamiento de los líquidos en movimiento.

1.2.2 Resuelve problemas donde aplique las ecuaciones de continuidad, gasto y flujo de nuestro entorno inmediato.

1.2.3 Aplica el teorema de Bernoulli, para resolver problemas en situaciones de su vida cotidiana.

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1.1 Analiza las características fundamentales de los fluidos en reposo a través de las teorías o principios, teoremas o modelos matemáticos, aplicándolos en situaciones cotidianas.

1.1.1 Describe la división de la hidráulica en el estudio de fluidos e Identifica las diferencias entre los fluidos y los sólidos a partir de sus propiedades físicas.

Coloca en el círculo la opción que consideres correcta. 1. La hidráulica estudia... a. el comportamiento del agua. b. el comportamiento de cualquier tipo de fluido. c. las relaciones entre presión y temperatura en un fluido. d. el cambio de volumen de los cuerpos. 2. Algunas de las propiedades básicas de un fluido son... a. dilatación y contracción. b. dureza y tenacidad. c. corrosión y oxidación. d. viscosidad y densidad. 3. Un fluido es... a. uno de los estados de la materia. b. una sustancia que puede ser confinada en un recipiente y adquirir su forma. c. un cuerpo flexible y maleable. d. un objeto rígido e indeformable.

1. La hidráulica se divide básicamente en 2 campos :

2. ¿Qué estudia la hidrodinámica?

Describe la división de la hidráulica en el estudio de fluidos.

Diferencia las características que poseen los estados de la materia, con ejemplos de la vida cotidiana.

Analiza los diferentes conceptos de los fluidos como la densidad, peso específico, presión, etc., en situaciones relacionadas con el entorno.

Sesión

1

Contesta de manera individual las siguientes preguntas.

18

Hidráulica

En este bloque iniciarás al estudio de las características comunes a los líquidos y de las leyes que gobiernan su comportamiento, las cuales tienen sus orígenes en tiempos de los griegos con Arquímedes (287-212 a. C.) y que fueron estudiados por científicos geniales como Blaise Pascal (1623-1662) Evangelista Torricelli (1608-1647) y Daniel Bernoulli (1700-1782), entre otros. Observa a tú alrededor y presta atención a cada objeto. ¿Te has percatado de que la naturaleza de la materia nos permite encontrar objetos que se pueden clasificar en términos generales como sólidos o como fluidos? (figura 1).Ya sabes que los componentes básicos de la materia son los átomos y éstos a su vez contienen protones, electrones y neutrones. Cuando varios átomos se combinan dan origen a las moléculas y las fuerzas que se crean a partir de la atracción y repulsión de los átomos originan los diferentes estados de la materia. Cuando las fuerzas de acción y reacción entre las moléculas son muy grandes, se define una estructura atómica tal que la materia adquiere una geometría concreta y se forma lo que conocemos como un sólido: un ente de forma definida y con características propias de peso (P) y masa. Si la fuerza de interacción molecular no posee una gran intensidad, entonces la estructura presenta variaciones tales que permiten el movimiento entre las moléculas, por consiguiente, la materia forma lo que conocemos como un fluido; cuando éste toma la forma del recipiente que lo contiene hablamos de un líquido, y por último, podemos deducir que si la fuerza es casi nula (o muy pequeña comparada en magnitud con las anteriores), la materia formará un gas. Como puedes observar, los fluidos se presentan como líquidos o gases y se encuentran en abundancia en la naturaleza, y por ello es conveniente estudiarlos a detalle. Peso (P). Fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos por la acción del campo gravitacional. Masa. Cantidad de materia que contiene todo cuerpo y que presenta la propiedad de la oposición al movimiento. Figura 1

La parte de la física que se encarga del análisis y estudio de los fluidos para su óptimo aprovechamiento en nuestra vida cotidiana es la hidráulica. Anteriormente, el estudio de la hidráulica se limitaba al análisis de los postulados básicos para el diseño, construcción y operación de diversos equipos y dispositivos; y aunque hoy en día esa preocupación se mantiene vigente, las tareas multidisciplinarias han obligado al ser humano a incluir en sus diseños y estudios los aspectos de conservación del medio ambiente y uso óptimo de los recursos naturales, de tal suerte que es fácil que en una planta industrial nos encontremos con equipos que reciclan las aguas residuales para aprovecharlas en el riego de áreas verdes y para llenar los depósitos del retrete. Por otro lado, las bombas, compresores, calderas, turbinas, etc., tienen una mayor eficiencia con el consecuente ahorro energético. La hidráulica se divide básicamente en dos campos:

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• Hidrostática: Estudia los fluidos que se encuentran en reposo.

• Hidrodinámica: Se encarga del estudio de los fluidos en movimiento.

Diferencias entre los fluidos y los sólidos a partir de sus propiedades físicas.

La energía que produce el movimiento vibratorio provoca que la temperatura del sólido se incremente, sin embargo, el sólido mantiene su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no interactúan entre sí; es necesario que la energía vibratoria alcance valores muy altos para que se produzca una transformación; cuando tal energía provoca la ruptura de la estructura rígida del estado sólido se forman los líquidos. En los líquidos, aunque las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se mantienen relativamente cerca; normalmente las fuerzas intermoleculares unen las moléculas que se rompen en forma continua, de manera que en la medida que la temperatura del líquido aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales también aumenta, dando como resultado que tomen la forma del recipiente que los contiene sin que puedan ser fácilmente comprimidas, porque las moléculas ya están muy unidas.

Por consiguiente, los líquidos tienen una forma indefinida, pero un volumen definido. Los gases, por su parte, tienen la característica de que además de tomar la forma del recipiente, también ocupan todo su volumen. El Plasma es el cuarto estado de la materia, es el más abundante en el universo, pero no en la Tierra. Se caracteriza por ser una masa gaseosa ionizada, como consecuencia de las elevadas temperaturas. Ejemplo: estrellas, Sol y el fuego.

Los cuerpos sólidos se forman cuando la fuerza de atracción entre las moléculas que los conforman es mayor a la energía que causa que se separen. Las moléculas se encierran individualmente en su posición y se quedan en su lugar sin poder moverse, de esta manera, aunque los átomos y las moléculas de los cuerpos sólidos se mantienen en movimiento, éste se limita a una forma vibratoria.

Hidráulica: Es el estudio del comportamiento del agua y de otros líquidos, ya sea en reposo

en movimiento. Es la rama de la física que aplica los conocimientos de la mecánica de los

fluidos para diseñar y construir dispositivos que funcionen con fluidos en reposo y

movimiento.

Sesión

2

20

Las conclusiones son simples: • Cualquier sólido tiene una forma geométrica definida, y si colocas tus manos sobre su superficie puedes detectar algunas características como dureza y aspereza. • Cualquier fluido, ya sea líquido o gaseoso, no tiene una forma definida y no es posible contenerlo en su totalidad en nuestras manos. La percepción del tacto es diferente cuando tocamos sólidos, ya que éstos se pueden percibir como duros o ásperos, mientras que un líquido nos proporciona siempre la sensación de suavidad. Estas sensaciones son importantes porque nos dan una perspectiva superficial de las propiedades, que por sus características de masa y estructura molecular, son propias a cada sustancia que encontramos bajo estas formas en nuestro entorno.

1. Clasifica los siguientes materiales:

a. Agua ________________

b. Mercurio (Hg) ________________

c. Masilla para moldear ________________

d. Arcilla ________________

e. Hule ________________

f. Cartón ________________

g. Chapopote ________________

h. Pegamento epóxico ________________

i. Cemento ________________

j. Aceite ________________

2. ¿A qué temperatura cambian los cuerpos de sólido a líquido o viceversa?

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

Realiza la siguiente actividad:

Individual Ejercicio no. 1

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Sólidos

Fluidos

Forma

Rigidez

Fluidez

Volumen

Comprensibilidad

Elabora una tabla comparativa de las diferencias entre sólidos y fluidos: forma, rigidez, fluidez, volumen ocupado y compresibilidad. Para la búsqueda de información utiliza fuentes bibliográficas impresas y electrónicas.

Tarea no. 1

http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.kontrol.vg/wp/wp-content/uploads/2008/02/tarea.gif&imgrefurl=http://www.kontrol.vg/wp/2008/02/&usg=__8lL_XbjvlCItjNC-Rnr13MTbELQ=&h=401&w=430&sz=56&hl=es&start=1&tbnid=ppT9H9HqPQm2aM:&tbnh=118&tbnw=126&prev=/images?q=tarea&gbv=2&hl=es

22

1.1.2 Describe las propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos: Viscosidad, Tensión Superficial, Capilaridad, Cohesión, adhesión, peso específico, incompresibilidad y densidad.


1. Anota los nombres de tres objetos de tu escuela que sean fluidos.

2. Anota los nombres de tres objetos de tu salón de clases, que sean sólidos.

3. Menciona 3 propiedades físicas que caracterizan el comportamiento de los fluidos.

4. ¿Por qué se dice que los líquidos son prácticamente incomprensibles?

5. ¿Qué es la materia?

Describe las propiedades físicas de los fluidos.

Describe el comportamiento de los fluidos.

Analiza las características de los fluidos: Viscosidad, Tensión Superficial, Capilaridad, Cohesión, adhesión, incompresibilidad, peso específico y densidad.

Diferencia densidad entre peso específico de sólidos y líquidos.

Sesión

3

23

Propiedades de los fluidos

Es el momento de detallar algunas de las características que hacen diferentes a los líquidos de los sólidos. En principio, hemos señalado que por la naturaleza de las fuerzas que se presentan los fluidos pueden ser líquidos o gaseosos.

Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Características como viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gases. Sin embargo la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.

Cohesión.- ¿Te has preguntado por qué dos gotas de agua, al hacer contacto forman una sola? Tal vez este hecho te parezca trivial, pero la causa reside en que sus moléculas se atraen por tener la misma naturaleza. A esta propiedad se llama cohesión, la cual puede definirse como la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de un mismo cuerpo. Para romper un cuerpo, por ejemplo, una piedra, se debe aplicar una fuerza mayor que la cohesión de sus moléculas.

Adhesión.- En nuestro quehacer diario suceden otros casos. Por ejemplo, al ingerir un refresco, leche o cualquier otro líquido contenido en un vaso, notamos que quedan residuos en sus paredes; también, al mojar una placa de vidrio y ponerla en contacto con otra, difícilmente podemos separarlas. ¿Has pensado por qué ocurre esto? Esto se debe a la adhesión, la cual se define como la fuerza de atracción entre las moléculas de un sólido y un líquido cuando hacen contacto. Eso lo vemos todos los días con el agua. En el caso del mercurio, esté no se adhiere al vidrio porque su fuerza de cohesión es mayor que la de adhesión.

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Capilaridad.- Para observar esta propiedad se utilizan tubos denominados capilares, cuyo diámetro interior se aproxima al grueso de un cabello. La propiedad se manifiesta al introducir uno de esos tubos a un recipiente que contiene un líquido, observamos entonces que éste sube por el tubo hasta cierta altura, formando en la superficie libre del líquido una curva llamada menisco. La capilaridad es una consecuencia de las fuerzas intermoleculares y se presenta, por ejemplo, en la humedad que sube por la tierra vegetal, en el ascenso de la savia en las plantas, etc.

Tensión superficial.- ¿Has pensado por qué un mosquito puede caminar sobre el agua? Esto se debe a otra propiedad llamada tensión superficial, provocada por las fuerzas intermoleculares. Dichas fuerzas actúan en todas direcciones sobre las paredes del interior y provocan que las que están en la superficie sean atraídas sólo por las que están debajo y a los lados, por lo cual la superficie del líquido se comporta como una membrana que opone resistencia a ser penetrada. En otras palabras, la tensión superficial es la resistencia que presenta la superficie libre de un líquido a ser penetrada.

Viscosidad.- Para entender esta propiedad, reflexiona y contesta: si tenemos dos vasos, uno conteniendo agua y el otro miel, ¿Cuál se puede vaciar más rápido?, ¿Por qué? Es probable que contestes que el agua, pues la experiencia cotidiana nos indica que la miel fluye más lento. Eso se debe a que sus moléculas no se deslizan fácilmente sobre las demás. La facilidad o dificultad del movimiento de las capas de los fluidos son consecuencia de las fuerzas de rozamiento interno, aclarando que sus capas se deslizan a diferentes velocidades, de manera que las que se mueven más lento frenan a las más rápidas. La causa es la viscosidad, que puede definirse que presentan las capas de un líquido a deslizarse respecto a las demás.

25

Densidad y peso específico Al hablar de densidad y peso específico es imposible pensar en el ¿Por qué el hielo flota en el agua? o ¿Por qué una soda al congelarse puede reventar el envase? Para que nos quede más claro pensemos en una esfera de metal y una esfera de madera del mismo tamaño ¿Pesarán lo mismo?, ¿Su masa será igual? ¿En qué difieren el metal y la madera? Difieren en su densidad. La densidad de una sustancia se representa por la letra griega (rho) y se define como la masa por unidad de volumen. Su expresión matemática es:

ρ = m / v Donde: p = Densidad de la sustancia en Kg/m³ o gr/cm³.

m = Masa de la sustancia en Kg o g. V = Volumen de la sustancia en m³ o cm³.

Sustancia Densidad en kg/m3 Densidad en g/c.c.

Agua 1000 1

Aceite 920 0,92

Gasolina 680 0,68

Plomo 11300 11,3

Acero 7800 7,8

Mercurio 13600 13,6

Madera 900 0,9

Aire 1,3 0,0013

Butano 2,6 0,026

Dióxido de carbono 1,8 0,018

Sesión

4

26

Peso especifico Una propiedad especifica de la materia, deriva de la densidad, es el peso específico. Para explicarlo, realicemos lo siguiente: tomemos cualquier sustancia y obtengamos su peso y su volumen. Si dividimos el peso entre el volumen, obtendremos su peso específico, el cual se define como: “La razón del peso y del volumen de una sustancia.”

Se representa mediante la siguiente expresión:

1. ¿Cuál es la idea principal de la lectura?

2. ¿Qué fue lo que más te llamó la atención? ¿Por qué?

( ) Es la fuerza de atracción entre las moléculas de un

sólido y un líquido cuando hacen contacto.

( ) Es la resistencia que presenta la superficie libre de

un líquido a ser penetrada.

( ) Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de un

mismo cuerpo.

( ) Es la masa por unidad de volumen.

( ) Es la dificultad que presentan las capas de un

líquido a deslizarse respecto a las demás.

A. Cohesión

B. Densidad

C. Adhesión

D. Viscosidad

F. Tensión Superficial

Ejercicio 2

Contesta de manera individual las siguientes preguntas y después relaciona

las dos columnas, mediante la letra que corresponda.

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1.1.3 Analiza y resuelve problemas de los diferentes tipos de presión en situaciones relacionadas con nuestro entorno: atmosférica, manométrica, hidrostática y absoluta.


1. La presión es... a. La fuerza que actúa en un sólido por unidad de volumen. b. Una unidad de medida básica del Sistema Internacional de Unidades (si). c. La medida de la fuerza aplicada con respecto a un punto. d. La fuerza por unidad de área que actúa en un cuerpo. 2. El instrumento que ocupas para medir la presión es... a. El termómetro. b. El presiómetro. c. El extensómetro.

d. El manómetro.

3. ¿Cómo varia la presión en función del área?

4. ¿A qué se llama presión hidrostática?

5. Menciona 3 tipos de presión.

Sesión

5

Resuelve problemas de los diferentes tipos de presión en situaciones relacionadas con nuestro entorno.

Argumenta cómo un líquido ejerce presión sobre el fondo de un recipiente, del mismo modo como un bloque ejerce presión sobre la mesa.

Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

Identifica con ejemplos reales de nuestro entorno las aplicaciones de los distintos tipos de presión.

28

Presión

Con seguridad has notado el efecto de la presión en algunas acciones como la huella que dejan tus zapatos en un terreno blando; la facilidad de cortar con un cuchillo afilado, o el hundimiento de un colchón, entre otras. Si te pones de pie sobre el colchón de tu cama en vez de acostarte verás que se hunde más. En ambos casos estás ejerciendo la misma fuerza sobre el colchón (tu peso); sin embargo, ¿Qué variables estás empleando al erguirte en vez de acostarte?. Cuando te pones de pie ejerces una mayor presión. El hundimiento está en relación con la presión ejercida.

Podemos definir entonces que:

En física, la presión (símbolo p) es una magnitud física escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. En el Sistema Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en una unidad derivada que se denomina libra por pulgada cuadrada (pound per square inch) psi que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

De modo que, la presión es inversamente proporcional al área y directamente proporcional a la fuerza, lo que se expresa mediante la Ecuación:

29

1.- Calcula la presión que se ejerce sobre un área de 0.3 m2, al aplicar una fuerza de 126 N:

2.- ¿Qué área tiene un cuerpo si se le aplica una la presión de 50,000 N/m2 y recibe la acción de una fuerza de 200, 000 N?

En los siguientes ejercicios se aplica el concepto y modelo matemático de presión.

30

Ejercicio 3

1) Un zapato de golf tiene 10 tacos, cada uno con un área de 6.45 x 10-6 m2 en contacto con el piso. Suponga que, al caminar, hay un instante en el que los diez tacos soportan el peso completo de una persona de 800 N. ¿Cuál es la presión ejercida por los tacos sobre el suelo?

2) Una mujer de 580 N se mantiene en equilibrio sobre el tacón de su zapato derecho, el cual tiene 2.5 cm de radio. Calcula la presión que ejerce sobre el piso.

.

Datos Fórmula (s) Sustitución Resultado


Resuelve los siguientes ejercicios. Autoevalúate, verifica los resultados del compañero que los resuelva en el pizarrón y corrige si es necesario.

Sesión

6

31

Tipos de presión Los fluidos (gases y líquidos) ejercen presión sobre los cuerpos inmersos en ellos. Nuestro cuerpo esta “acostumbrado” a que nos presione el aire. Por eso no nos damos cuenta de que esta acción existe. Sin embargo, el oído es muy sensible al cambio de presión externa y el dolor es la señal que nos manda para avisarnos que la presión del medio que nos rodea difiere de la normal.

Esto ocurre al bucear, cuando la presión aumenta, o al subir una montaña, cuando la presión disminuye. Un ejemplo típico es cuando viajas a Mexicali al pasar por La Rumorosa sientes que tus oídos se ensordecen. Vamos a comenzar el estudio de la presión ejercida por los fluidos con la presión que ejercen los líquidos.

Presión hidrostática Es la presión que ejerce un líquido sobre las paredes y el fondo del recipiente que lo contiene y depende de la profundidad, esto es; a mayor profundidad mayor presión hidrostática. La expresión matemática es:

P = ρ g h

Donde:

P = Presión hidrostática en Pa.

ρ = Densidad en Kg/m3.

g = Aceleración de la gravedad en m/s2.

h = Altura en m.

La ecuación anterior nos permite determinar la presión hidrostática ocasionada por un líquido, la cual varía en razón directa de la altura o profundidad de éste. Al analizar esta fórmula podemos decir que: La presión hidráulica depende de la ___________________ o _________________ del líquido.

Sesión

7

32

1.- ¿Cuál es la presión en el fondo de una piscina de 5 m de profundidad cuando está llena de agua dulce? (ρ = densidad del agua dulce es 1000 Kg/m3)

2.- Calcula la profundidad a la que se encuentra sumergido un submarino en el mar, cuando soporta una presión de 5.05 x 105 pascales. La densidad del agua de mar es de 1030 kg/m3.

En los siguientes ejemplos se aplica el concepto de presión hidrostática.

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Ejercicio 4

1.- ¿Qué presión ejerce una columna de mercurio cuya altura es de 76 cm?

2.- ¿Cuál es la presión en el fondo de la piscina de la casa de Pedro, si tiene una profundidad de 1.8 m, cuando está llena de agua?

3.- ¿Cuál es la presión hidrostática a una profundidad de 1200m bajo el nivel del mar? ¿La soporta el ser humano?




Resuelva los siguientes ejercicios, verifica los resultados con los que realicen el pizarrón y corrige de ser necesario.

34

Presión atmosférica

La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire de la atmosfera sobre la superficie terrestre y sobre todos los cuerpos que se encuentran en ella, en general, disminuye con la altitud, pues conforme se asciende las capas de aire son menos densas.

La presión atmosférica en un lugar determinado experimenta variaciones asociadas con los cambios meteorológicos. Por otra parte, en un lugar determinado, la presión atmosférica disminuye con la altitud, como se ha dicho. La presión atmosférica decrece a razón de 1 mmHg o Torr por cada 10 m de elevación en los niveles próximos al del mar. En la práctica se utilizan unos instrumentos, llamados altímetros, que son simples barómetros aneroides calibrados en alturas; estos instrumentos no son muy precisos.

Calcula la presión atmosférica al nivel del mar, considerando la densidad del mercurio es de 13 600 kg/m3, y la altura en el tubo de vidrio de mercurio es de 0.76m.

La presión atmosférica es el peso de una columna de aire en un punto dado de la superficie del planeta. Este peso ejerce una presión sobre este punto de la superficie, ya sea terrestre o marina. Si el peso de la columna disminuye, también lo hace la presión, y viceversa. Si aumenta el número de moléculas del aire en una superficie, habrá más moléculas para ejercer fuerza sobre esa superficie, con el consecuente aumento de la presión. Lo mismo pasa al contrario, menos moléculas equivale a menos presión.

En el siguiente ejemplo se aplica el concepto de presión atmosférica.

Sesión

8

35

Determina la presión atmosférica en la ciudad de México, ubicada a 2250 m sobre el nivel del

mar. Considera que la densidad del aire es, en este caso, de 1.275 kg/m3.

Presión manométrica y absoluta

¿Sabes cómo medir la presión de un gas? Un ejemplo es la medición de la presión de las llantas de un auto, utilizando un pequeño objeto llamado calibrador, que se coloca sobre el pivote y permite la salida de una calidad de aire que produce una presión sobre el calibrador, dándonos una lectura. Los instrumentos para medir la presión se llaman manómetros y la presión que se mide con ellos es la manométrica.

Existe otro tipo de presión llamada absoluta y se expresa como: P abs =P atm +P man

Hasta aquí hemos visto que la presión de un fluido depende de su profundidad, sin considerar que la presión atmosférica actúa sobre él. En realidad, en un punto cualquiera de un fluido actúan simultáneamente dos presiones: la atmosférica y la hidrostática. La primera es ocasionada por el peso de la columna de aire; la segunda, por el peso de la columna del líquido. La suma de las dos presiones se denomina presión absoluta. Su expresión matemática es:

P abs =P atm +ρgh Donde: P atm = Presión atmosférica en Pa. P abs = Presión absoluta en Pa. ρgh = Presión hidráulica en Pa. Esta ecuación es tan importante que se le conoce como ecuación fundamental de la hidrostática.


Resuelva el siguiente ejercicio, verifica los resultados con los que realicen en el pizarrón y corrige si es necesario.

Ejercicio 5

Sesión

9

36

1.- Encuentra la presión manométrica requerida en una fuente para lanzar el agua a una altura de:

a) 6.1 m

b) 20 m

2.- ¿Cuál es la presión absoluta que recibe un buceador que se encuentra en el mar a una profundidad de 12 m.? (La densidad del agua de mar es de 1030 kg/m.)

En los siguientes ejemplos se aplica el concepto de presión hidrostática.

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1.- En la ciudad de Ensenada la columna de mercurio marca 0.71 m. ¿Cuál es la presión atmosférica en esta ciudad, si la densidad del mercurio es de 13 600 kg/m3?

4.- La presión absoluta sobre un cuerpo sumergido en glicerina es de 112 KPa. Considerando una densidad de 1270 kg/m3 para la glicerina, determina a qué profundidad se halla el cuerpo con respecto al nivel de la glicerina.



Ejercicio 6

Resuelve los siguientes ejercicios, verifica tus resultados con los que realicen en el pizarrón y corrige si es necesario.

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1.1.4 Aplica el principio de Pascal, en la resolución de problemas aplicados en la vida cotidiana.

1. Con tus propias palabras enuncia el principio de Pascal:

2. Escribe su representación matemática:

3. Lista 5 aplicaciones de uso común de este principio

4. Escribe la importancia de la aplicación del principio de Pascal.

5. Comenta con tus compañeros las respuestas anotando las aportaciones de tus compañeros.


Sesión

10

Resuelve problemas donde aplica el principio de Pascal en

situaciones relacionadas con nuestro entorno.


Identifica con ejemplos reales de nuestro entorno las aplicaciones

del principio de Pascal.

39

El principio de pascal

En las figuras se muestran dos situaciones: en la primera se empuja el líquido contenido en un recipiente mediante un émbolo; en la segunda, se empuja un bloque sólido. ¿Cuál es el efecto de estas acciones? ¿Qué diferencia un caso de otro?

La característica estructural de los fluidos hace que en ellos se transmitan presiones, a diferencia de lo que ocurre en los sólidos, que transmiten fuerzas. Este comportamiento fue descubierto por el físico francés Blaise Pascal (1623-1662), quien estableció el siguiente principio:

Expresión matemática del principio de pascal:

Dónde: F = fuerza del émbolo mayor en (N)

A = área del émbolo mayor en (m2)

f = fuerza del émbolo mayor en (N)

a = área del émbolo mayor en (m2)

El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.

Cuando apretamos una chinche, la fuerza que el pulgar ejerce sobre la cabeza es igual a la que la punta de la chinche ejerce sobre la pared. La gran superficie de la cabeza alivia la presión sobre el pulgar; la punta afilada permite que la presión sobre la pared alcance para perforarla.

Un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite sin alteración a través de todo el fluido. Es igual en todas las direcciones y actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen.

40

Cuando caminamos sobre un terreno blando debemos usar zapatos que cubran una mayor superficie de apoyo de tal manera que la presión sobre el piso sea la más pequeña posible. Sería casi imposible para una mujer, inclusive las más liviana, camina con tacones altos sobre la arena, porque se hundiría inexorablemente.

El peso de las estructuras como las casas y edificios se asientan sobre el terreno a través de zapatas de hormigón o cimientos para conseguir repartir todo el peso en la mayor cantidad de área para que de este modo la tierra pueda soportarlo, por ejemplo un terreno normal, la presión admisible es de 1,5 Kg/cm².

La Prensa Hidráulica

El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.

Este dispositivo, llamado prensa hidráulica, nos permite prensar, levantar pesos o estampar metales ejerciendo fuerzas muy pequeñas. Veamos cómo lo hace.

Como p1=p2 (porque la presión interna es la misma para todos los puntos) Entonces: F1/A1 es igual F2/A2 por lo que despejando un término se tiene que: F2=F1. (A2/A1) Si, por ejemplo, la superficie del pistón grande es el cuádruple de la del chico, entonces el módulo de la fuerza obtenida en él será el cuádruple de la fuerza ejercida en el pequeño.

El recipiente lleno de líquido de la figura consta de dos cuellos de diferente sección cerrados con sendos tapones ajustados y capaces de res-balar libremente dentro de los tubos (pistones). Si se ejerce una fuerza (F1) sobre el pistón pequeño, la presión ejercida se transmite, tal como lo observó Pascal, a todos los puntos del fluido dentro del recinto y produce fuerzas perpendiculares a las paredes. En particular, la porción de pared representada por el pistón grande (A2) siente una fuerza (F2) de manera que mientras el pistón chico baja, el grande sube. La presión sobre los pistones es la misma, ¡No así la fuerza!

La prensa hidráulica, al igual que las palancas mecánicas, no multiplica la energía. El volumen de líquido desplazado por el pistón pequeño se distribuye en una capa delgada en el pistón grande, de modo que el producto de la fuerza por el desplazamiento (el trabajo) es igual en ambas ramas. ¡El dentista debe accionar muchas veces el pedal del sillón para lograr levantar lo suficiente al paciente!

41

1.- ¿Qué fuerza se obtendrán en el émbolo mayor de una prensa hidráulica cuya área es de 0.567 m2, cuando en el émbolo menor de área igual a 0.011m2, se aplica una fuerza de 18 N?

2.- Calcula la fuerza que se obtendrá en el émbolo mayor de una prensa hidráulica de un radio de 10cm, si en el émbolo menor de 4 cm de radio, se ejerce una fuerza de 150N.

3.- Una prensa hidráulica que se utiliza en una trituradora de basura en donde los radios del pistón de entrada y del émbolo de salida son de 0.64 cm y 5.1 cm respectivamente. ¿Qué fuerza se aplica a la basura cuando la fuerza de entrada es igual a 335N?

En los siguientes ejemplos se aplica la expresión matemática del Principio de Pascal.

Sesión

11

42

Ejercicio 7

1) Un gato hidráulico, utilizado en una llantera para levantar un auto de 1600kg, es accionado mediante una fuerza sobre un pequeño pistón de 3.8cm. De diámetro. La presión ocasionada se transmite a otro de mayor área, de 25cm de diámetro. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza aplicada?

2) ¿Qué fuerza se deberá aplicar en un embolo pequeño de una prensa hidráulica de 12 cm2 de área, para levantar un cuerpo de 70 000 N de peso, que se encuentra en el embolo mayor y cuya área es de 85 cm2?

3) Una fuerza de 400N se aplica al pistón pequeño de una prensa hidráulica cuyo radio es de 2cm. ¿Cuál deberá ser el radio del pistón grande para que pueda levantar una carga de 1960 N?




Resuelve de manera individual los siguientes ejercicios

43

1.1.5 Aplica el principio de Arquímedes, en la resolución de problemas aplicados en la vida cotidiana.

1.- Sabemos por experiencia, que si arrojamos un tornillo de acero al agua, se hunde hasta el fondo. En cambio, un barco que también es de acero y pesa miles de toneladas flota. ¿Te has preguntado por qué?

2.- ¿Cuál es el enunciado del principio de Arquímedes?

3.- ¿Qué propiedad de los líquidos se puede comprobar con el principio de Arquímedes?

4.- ¿Qué es el empuje en un fluido?

5.- Comenta con tus compañeros, con la dirección de tu maestro, tres aplicaciones del principio de Arquímedes.


Sesión

12

Resuelve problemas donde aplica el principio de Arquímedes en situaciones relacionadas con nuestro entorno.


Identifica con ejemplos reales de nuestro entorno las aplicaciones del principio de Arquímedes.

44

Principio de Arquímedes

De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descritas de modo simplificado) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

1.- ¿Cuál es el empuje que actúa sobre un trozo de hierro que se coloca en agua si el volumen del trozo es de 80 cm3.? (Densidad del agua 1000 kg/m3).

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en Newtons (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así:

Comprende la expresión matemática del Principio de Arquímedes, analiza los ejercicios resueltos, en equipos de 4 ó 5 integrantes.

45

2.- Un cubo de acero de 20 cm de arista se sumerge totalmente en agua. Si tiene un peso de 600 N. Calcula:

a) El empuje que recibe

b) El peso aparente de cubo

3.- Una roca de 300 kg tiene un volumen de 0.09 m3. ¿Cuánto pesará sumergida en agua? (Densidad del agua 1000 kg/m3).

46

Ejercicio 8

1.- Determina el empuje que recibe una pelota de 400 cm3 que se sumerge totalmente en agua de mar. Si la pelota tiene una masa de 100g,

2) La densidad del hielo es 920 kg/m3 y la del agua salada 1030 kg/m3. ¿Cuál es el porcentaje de volumen sumergido de tempano de hielo?

3.- Una piedra, cuya densidad es de 2750 kg/m3, pesa 5 N cuando se sumerge en el agua. Determina su peso cuando se encuentra fuera de ella.

4) Un anillo de oro tiene un peso de 0.32 N ¿Cuál será el empuje que recibe si se sumerge en agua dulce? (Peso específico del oro 189, 336 N/m3).





Resuelve los siguientes ejercicios:

Sesión

13

47

1.2 Analiza las características fundamentales de los fluidos en movimiento a través de las teorías, principios, teoremas, modelos matemáticos, aplicándolos en situaciones cotidianas.

1.2.1 Explica el comportamiento de los líquidos en movimiento.

1. ¿Qué entiendes por Hidrodinámica?

2. ¿Para qué se reduce el diámetro de las tuberías de agua instaladas en las casas?

3. Menciona 3 aplicaciones de la Hidrodinámica

4. ¿Qué entiendes por fluido?

¿Qué entiendes por flujo laminar y turbulento?


Sesión

14

Explica el comportamiento de líquidos en movimiento.

Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

Identifica con ejemplos reales de nuestro entorno las aplicaciones de la Hidrodinámica.

48

Hidrodinámica

Una gran cantidad de procesos industriales requieren del manejo de fluidos, en algunos casos se trata de gases o vapor de agua, y en otros se trata de líquidos, tal como el envasado de leche, mieles, néctares o jugos, bebidas diversas como el vino, agua o refresco, etc.; sin dejar de lado, claro, el empleo de agua a presión y otras soluciones para los procesos de limpieza y preparación de equipos. Aunque los equipos y dispositivos funcionan bajo el mismo principio, tienen características propias que lo hacen diferente uno de otros, porque los líquidos que hemos mencionado difieren en densidad, viscosidad y cantidad a envasar.

¿Qué será más rápido: llenar botellas de un litro de agua o frascos con un litro de miel? ¿Cuánta energía se requiere? Para responder a estas interrogantes y otras más que puedan surgir, requerimos estudiar a los fluidos en movimiento, que es justamente el campo de aplicación de la hidrodinámica. Y aunque hemos mencionado procesos que manejan líquidos, ten presente que en algunas otras aplicaciones se requiere de una gran caída de agua para producir energía eléctrica o conocer cómo se comportan las corrientes marinas o los vientos.

Éstas no sólo sirven para trazar las rutas aéreas o marinas, también son importantes porque su estudio han contribuido al diseño y construcción de naves para el transporte de mercancías y pasajeros en forma eficiente y segura.

Concepto de hidrodinámica y sus aplicaciones

En la hidrostática se manejan conceptos tales como la densidad, la viscosidad, la presión y su relación con el reposo de fluidos, la hidrodinámica se estudia bajo el supuesto de que, en general, sucede lo siguiente:

Los fluidos pueden ser comprensibles o incomprensibles; en general, los líquidos son incomprensibles.

La viscosidad de un líquido juega un papel similar al de la fricción en el análisis del movimiento de sólidos. Lo anterior produce pérdidas de energía que se manifiestan como calor. En los líquidos ideales la viscosidad es despreciable.

El flujo de los líquidos se considera estacionario; tal condición se alcanza cuando la velocidad del fluido en cualquier punto de un conducto no varía con el tiempo. Así, por ejemplo, cuando abres el grifo del lavabo, el agua fluye con una velocidad variable en el periodo transitorio (dos o tres segundos mientras regulas la cantidad del agua), después alcanza el estado permanente hasta el instante en que cortas el flujo.

En los fluidos no ideales es posible estudiar dos tipos de flujo estacionario: el laminar y el turbulento. El flujo laminar se presenta cuando las partículas que conforman el fluido se mueven siguiendo trayectorias paralelas, de esta manera, se forman “placas” o “láminas” imaginarias. Se habla de un flujo turbulento cuando las partículas se mueven sin seguir un orden específico.

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RESUMEN

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Realiza una consulta bibliográfica de los temas de: hidrodinámica, gasto y flujo; para elaborar un resumen.

50

1.2.2 Resuelve problemas donde aplique las ecuaciones de continuidad, gasto y flujo de

nuestro entorno inmediato.

1.2.3 Aplica el teorema de Bernoulli, para resolver problemas en situaciones de su vida

cotidiana.

1. ¿Para qué se reduce el diámetro de las tuberías de agua instaladas en las casa?

2. ¿Qué nos indica la ecuación de la continuidad?

3. Menciona la importancia de la ecuación de la continuidad:

4. ¿Qué entiendes por gasto?

5. ¿Qué entiendes por flujo?

6 ¿Qué nos dice el teorema de Bernoulli?

Seguramente haz observado que los tubos del agua de tu casa son diferentes tamaños, realiza una investigación sobre la ecuación de la continuidad y sus aplicaciones, contesta las siguientes preguntas en pares.

Aplica modelos matemáticos para la resolución de problemas de gasto, flujo y ecuación de continuidad.


Identifica con ejemplos reales de nuestro entorno las aplicaciones de

continuidad, flujo, teorema de Bernoulli.

Sesión

15

51

Gasto, flujo y ecuación de continuidad

Pasemos al estudio de los principios de la hidrodinámica comenzando con algunos conceptos y modelos matemáticos básicos.

Características del movimiento de los fluidos: gasto, flujo y ecuación de continuidad

¿Te has percatado que cuando te duchas ajustas la cantidad de agua que fluye por la regadera según diversas situaciones, como la escasez de agua en la colonia por reparación a la red de distribución, la temperatura del medio ambiente, tu estado de ánimo, etc.? Pues cuando regulas la cantidad de agua en realidad estás ajustando el gasto o caudal.

El gasto o caudal es el volumen de líquido que pasa por el área transversal de la tubería o conducto en la unidad de tiempo.

Donde:

Q = gasto o caudal (m3/s)

V = volumen (m3)

t = tiempo (s)

Si consideramos que el volumen de un conductor ideal cilíndrico es área por altura tenemos que:

Pero puesto que el flujo es permanente, la velocidad es constante y entonces:

Donde:

Q = gasto o caudal (m3/s)

v = velocidad del fluido constante (m/s)

A = Área transversal del conducto o tubería (m2)

Para algunas aplicaciones prácticas, es más conveniente conocer la cantidad de masa que fluye por un conducto en la unidad de tiempo, a ello le llamaremos flujo, que se define como la cantidad de masa del líquido que fluye a través de una tubería en un segundo.

En términos matemáticos, tenemos que:

Al recordar que cada fluido tiene una densidad propia que se define como la relacion entre masa y volumen, tenemos que: m = ρ V, por lo que entonces: F = ρ . V

t

Y como el gasto es la relación entre el volumen y tiempo, concluimos que el flujo se puede determinar mediante:

Donde

F = flujo (kg/s)

ρ = densidad del fluido (kg/m3)

Q = gasto (m3/s)

Q = A. d

t

52

Otro de los los fundamentos de la hidrodinámica parte del supuesto de que los fluidos son ideales, y establecer un principio similar a los teoremas de conservacion en la dinámica de los sólidos.

En la mecanica de los fluidos se le denomina ecuacion de continuidad cuando se establece que en cualquier seccion de un conductor por el que circula un liquido, el gasto es el mismo:

Es decir:

La figura ilustra la situacion que hemos señalado. En la seccion transversal 1, el area es mayor

y por la ecuación , que nos señala una relacion inversa entre area y velocidad del fluido, se puede deducir facilmente que en la seccion 2 la velocidad del fluido es mayor.

Teorema de Bernoulli y sus aplicaciones

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.

2. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.

3. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.

Donde:

V = velocidad del fluido en la sección considerada.

g = aceleración gravitatoria

z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.

P = presión a lo largo de la línea de corriente.

ρ = densidad del fluido.

Sesión

16

53

1.- Las áreas transversales de una tubería son 0.6 m2 y 0.4 m2. Si en la parte ancha la velocidad del líquido es de 5 m/s. ¿Cuál será su velocidad en la parte angosta?

2.- Por una tubería de 3.81 cm de diámetro circula agua a una velocidad de 3 m/s, en una parte de la tubería hay un estrechamiento y el diámetro es de 2.54 cm. ¿Qué velocidad llevará el agua en ese punto?

3.- Si un depósito de 400 cm3, se llena en 15 s. ¿Cuál es el gasto que está llegando en m3/s?

Resuelve problemas donde aplique las ecuaciones de continuidad, gasto y flujo de nuestro entorno inmediato

54

4.- ¿Qué área debe tener un tubo, si por él pasa 0.048 m3/s de agua, moviéndose esta con una velocidad de 1.2 m/s?

5.- Calcula el tiempo que tardará en llenarse la lavadora de tu casa cuya capacidad es de 0.2m3, suministrarle un gasto de 2 l/s.

6.- Por una tubería fluyen 1500 litros de agua en 1 minuto. Calcula:

a) El gasto b) El flujo

Sesión

17

55

Ejercicio 9

1.- El agua fluye a 6 m/s por un tubo de 6 cm2 de área, pasa a otro tubo de 3 cm2 de área conectado al primero ¿Cuál es su velocidad en el tubo pequeño?

2.- En un tubo de 1.85 cm de diámetro fluye agua con una velocidad de 15 cm/s. Determina:

a) El gasto y flujo

3.- Si un líquido pasa a una velocidad de 2 m/s por un conducto de 0.3 m2 de área. ¿Cuál es el gasto?




Resuelve los siguientes ejercicios:

56

4.- ¿Cuál es el gasto de una tubería por la que pasan 300 m3 de petróleo en un tiempo de 1 hora?

5) La sangre al salir del corazón por la aorta, de 3 cm de diámetro, tiene una velocidad de 40 cm/s. determina:

a) El gasto y el flujo de la sangre:



57

I. Escribe en los paréntesis la letra que conteste correctamente:

1. ( ) Atracción entre las moléculas de un sólido y un líquido al hacer contacto.

a) Cohesión b) Adhesión c) Capilaridad d) Viscosidad

2. ( ) Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de un mismo cuerpo

a) Cohesión b) Adhesión c) Capilaridad d) Viscosidad

3. ( ) La presión aplicada a un fluido encerrado se transmite con la misma intensidad a cada

punto de éste y de las paredes del recipiente que lo contiene

a) Blaise Pascal b) Arquímedes c) Daniel Bernoulli d) Evangelista Torricelli

II. Completa cada enunciado.

1. Al dividir el peso de un cuerpo entre su volumen obtienes _____________________.

2. Al colocar un cuerpo en un fluido, experimenta una fuerza vertical ascendiente llamada empuje, equivalente al peso del fluido desalojado por el cuerpo. Este es el principio de__________________________.

3. El trabajo total externo, aplicado a un sistema de fluido estacionario, es igual al cambio de la energía mecánica del sistema. Éste es el principio de__________________.

III. Resuelve los siguientes problemas y redacta tu solución.

1. Un barco hundido en el fondo del mar soporta una presión de 5 atmósferas. ¿A qué

profundidad se encuentra el barco?

2. Encuentra la magnitud de la fuerza que se obtiene en el émbolo mayor de una prensa

hidráulica de 27 cm de diámetro, cuando se aplica una fuerza de 320 N sobre el émbolo menor

de 3 cm. de diámetro.

Nombre ________________________________________________

Grupo ________________________ Turno ___________________

Fecha _________________________________________________

Autoevaluación

59

Bloque II Analiza las

diferencias entre

calor y temperatura

60

COMPETENCIAS

Diferencia entre los conceptos calor y temperatura.

Interpreta valores de temperatura en diferentes escalas.

Comprende la relación que existe entre las diferentes escalas termométricas.

Utiliza las unidades en las que se mide el calor y establece la equivalencia entre ellas.

Relaciona la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades físicas de los cuerpos en su entorno.

Establece la igualdad entre el calor ganado y perdido por un entorno.

Diferencia las formas en que se transmite el calor de un cuerpo a otro en situaciones específicas dadas.

Diferencia entre los conceptos calor y temperatura.

Interpreta valores de temperatura en diferentes escalas.

Comprende la relación que existe entre las diferentes escalas termométricas.

Utiliza las unidades en las que se mide el calor y establece la equivalencia entre ellas.

Relaciona la dilatación térmica con los cambios de temperatura y las propiedades físicas de los cuerpos en su entorno.

Establece la igualdad entre el calor ganado y perdido por un entorno.

Diferencia las formas en que se transmite el calor de un cuerpo a otro en situaciones específicas dadas.

TEMARIO

2.1 Valora la importancia del calor y la temperatura, así como sus efectos sobre los cuerpos, como una forma de comprender las condiciones físicas y sociales del medio en que se desenvuelve.

2.1.1 Explica en forma oral y escrita las diferencias que existen entre calor y temperatura.

2.1.2 Comprende la relación que existe entre las diferentes escalas termométricas, y realiza conversiones de una escala a otra.

2.1.3 Identifica los mecanismos por medio de los cuales el calor se transmite de un cuerpo a otro: Radiación, Convección, Conducción.

2.2 Analiza y resuelve problemas relacionados con el efecto del calor sobre los cuerpos, aplicándolo a su entorno.

2.2.1 Resuelve problemas de dilatación de los cuerpos: sólidos, líquidos y gases con énfasis en situaciones cotidianas.

2.2.2 Comprende la dilatación irregular como un fenómeno que favorece la vida acuática a temperaturas bajas, relacionándolos con fenómenos físicos que suceden a su alrededor.

2.2.3 Emplea los conceptos de capacidad calorífica y calor específico y sus unidades, para explicar fenómenos relacionados con el calor aplicándolo en su vida diaria.

2.2.4 Resuelve problemas relacionando la temperatura y el calor con aplicaciones de nuestro entorno.

61

2.1 Valora la importancia del calor y la temperatura, así como sus efectos sobre los cuerpos, como una forma de comprender las condiciones físicas y sociales del medio en que se desenvuelve.

2.1.1 Explica en forma oral y escrita las diferencias que existen entre calor y temperatura.

1.- ¿Qué es el calor?

2.- ¿Es lo mismo calor y temperatura?

3.- ¿Cuál es el instrumento para medir la temperatura?

4.- ¿Qué es una caloría?

5.- ¿A qué temperatura hierve el agua?

Sesión

18


Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Contesta brevemente las siguientes preguntas:

62

Calor y temperatura

En la actividad cotidiana, a veces se emplean palabras con un significado distinto del que tienen, y esto se debe, en general, por la costumbre de alguna región o país. Es lo que ocurre con los conceptos de calor y temperatura, los que suelen confundirse o usarse en forma equívoca o indistinta. Es así que se suele decir: “¡Que calor que hace!”, cuando en realidad se debe decir “Hay alta temperatura”. Incluso suelen incurrir en estos errores muchas personas ya iniciadas en la terminología de la física,

Concepto de calor

El hombre primitivo le atribuía propiedades maravillosas al fuego, por lo cual lo consideraba un dios. Más tarde, en el siglo XVIII, se creyó que el calor era una sustancia que fluía a través del espacio; a dicho fluido lo llamaban calórico. En la metalurgia se creía que, al enfriar un trozo de hierro con agua, el calórico fluía del metal al agua o que si un pedazo de madera ardía hasta consumirse, el calórico escapaba y fluía hacia otros cuerpos. La idea generalizada era que todos los cuerpos contenían calórico en mayor o menor medida.

El calor forma parte de nuestra vida cotidiana, desde la temperatura corporal, hasta distintos fenómenos naturales que suceden diariamente. El calor es capaz de aumentar la temperatura y modificar el estado físico de los cuerpos, pero además nos permite moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que se desarrollaron. La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia.

Hoy en día, somos testigos de la evolución de la ciencia y la tecnología, disponemos de dispositivos que con la simple presión de un botón enfrían o calientan el lugar que habitamos, y podemos rápidamente cocer y conservar alimentos con diferentes procesos que se basan en el uso de tecnologías similares. Estos avances se han alcanzado gracias al ingenio de científicos como el físico y químico británico Benjamín Thompson (1753-1814), el físico francés Nicolás Sadi Carnot (1796-1832), el físico y astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744), el físico alemán Gabriel D. Fahrenheit (1688-1736), el físico inglés James P. Joule (1818-1899) y otros tantos investigadores que contribuyeron con su trabajo a la evolución de la parte de la física que conocemos como termodinámica.

El calor es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona más fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a otro de temperatura alta si no se realiza trabajo. La materia está formada por átomos o moléculas que están en constante movimiento, por lo tanto tienen energía de posición o potencial y energía de movimiento o cinética. Los continuos choques entre los átomos o moléculas transforman parte de la energía cinética en calor, cambiando la temperatura del cuerpo. De acuerdo con lo anterior podemos definir al calor como:

Calor: Energía que fluye de un objeto de temperatura elevada u otro de temperatura inferior.

Las unidades para medir el calor son las siguientes:

La caloría (cal): se define como la cantidad de calor necesaria para que un gramo de agua eleve su temperatura en 1ºC.

Kilocaloría (Kcal) Es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua.

63

La Unidad Térmica Británica (BTU, por sus siglas en inglés): se define en el Sistema Inglés de Unidades como la cantidad de calor requerida para que una libra de agua eleve su temperatura en un 1ºF (Figura 1).

El joule (J): es la unidad de calor en el Sistema Internacional de Unidades (SI), se emplea además, para medir el trabajo mecánico y la energía, pues no olvidemos que el calor es energía en movimiento; se define como el trabajo requerido para mover un cuerpo la distancia de un metro al aplicarle una fuerza de un newton. joule (J) = N × m.

EJEMPLO

S

Mediante un experimento William Thomson Kelvin transfiere energía mecánica a un recipiente con agua logrando un aumento en la temperatura de ésta, verificando que el calor es una forma de energía. Thomson obtuvo que la equivalencia entre la energía mecánica y la energía calorífica es la siguiente:

1 caloría = 4.18 Joules.

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Concepto de temperatura.

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa.

Si queremos medir la temperatura de forma cuantitativa, es obvio que necesitamos de un instrumento para realizar tal medición; generalmente, para ello, empleamos un dispositivo denominado termómetro. Los termómetros se basan en diferentes principios para medir la temperatura de un sistema; para nuestro estudio consideraremos el más común, que se basa en las propiedades de un líquido que se introduce en una columna capilar de vidrio. Podemos encontrar una gran variedad de termómetros en los comercios especializados.

El principio de funcionamiento es sencillo: la elevación o disminución de la temperatura produce un cambio en el volumen del líquido, de tal manera que la columna se expande o se contrae, y de acuerdo al nivel que indique en una referencia numérica fija, se establece la temperatura del objeto (figura 2). Para especificar la temperatura utilizamos una escala termométrica, la cual se emplea según determinados acuerdos y convenciones. Podemos afirmar, para concluir, que el calor y la temperatura son dos tipos de energía, el calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro y la temperatura.

Por lo tanto, podemos definir la temperatura como: la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas.

Sesión

19

65

Completa los siguientes enunciados con la palabra o palabras que falten:

1. Un _______________ es un aparato para medir la temperatura.

2. El ____________ es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de _________

temperatura a otra de _________ temperatura.

3. La ___________ es la cantidad de calor necesaria para que un gramo de agua eleve su

temperatura en 1ºC.

4. La __________ es la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en

equilibrio térmico con otros sistemas.

Contesta las siguientes preguntas:

1. ¿Cuáles son las unidades en las cuales se puede expresar el calor?

2. ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?

3. ¿Qué significa BTU?

Apoyado en el texto “Calor y temperatura”, realiza la siguiente actividad. Las respuestas se evaluarán mediante una lista de cotejo que se encuentra al final del módulo.

Ejercicio 1

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2.1.2 Comprende la relación que existe entre las diferentes escalas termométricas, y realiza conversiones de una escala a otra.

1. ¿Cómo se llama el instrumento con que se mide la temperatura?

2. ¿A qué temperatura se congela el agua?

3. ¿Cuáles son las escalas para medir la temperatura que más has empleado?,

¿Conoces otras?

4. ¿Por qué crees que has utilizado unas con menor frecuencia que otras?

Sesión

20

Con el objetivo de identificar y recuperar conocimientos, saberes y opiniones de los jóvenes sobre temperatura: dde manera individual contesta las siguientes preguntas.

Identifica las diferentes escalas de medición de temperatura y la relación que existe entre los puntos clave de estas escalas.

Identifica las unidades de temperatura en los sistemas de medición. Comprende los modelos matemáticos para establecer conversiones

entre las escalas. Resuelve ejercicios de conversión de unidades de temperatura

relacionados con su realidad. Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita.

67

Escalas termométricas

Las escalas que hoy en día empleamos fueron propuestas por los físicos Daniel Gabriel D. Fahrenheit (1686-1736), Anders Celsius (1701-1744), William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) y John M. Rankine (1820-1872).

En el campo de la termodinámica es en donde tienen mayor aplicación las escalas absolutas de temperatura, según se emplee el SI o el inglés; en los Estados Unidos de América y en Canadá se emplea la escala Rankine en los trabajos del campo de la combustión, sin embargo, por normas de carácter internacional, los informes de investigación y la literatura científica sólo deben hacer referencia a la escala Kelvin.

Sadi Carnot Ingeniero y científico francés nacido en 1796 y fallecido en 1832. Se le considera el padre de la termodinámica por sus aportes a esta rama de la física. En 1824 propuso su concepto de motor ideal, en el cual se utiliza toda la energía que hay disponible. Descubrió que no es posible que el calor pase de un cuerpo frío a uno más caliente, y que la eficacia del motor depende de la cantidad de calor que es capaz de emplear.

Escala Fahrenheit

El fundamento físico de la escala Fahrenheit (ºF) es un tanto diferente: los puntos fijos se establecieron considerando el punto de fusión de una mezcla de cloruros (de amonio y de sodio) y hielo fundente como referencia inferior (0ºF), y la temperatura del cuerpo humano como valor superior (100ºF), de tal manera que en este caso, la temperatura de congelación del agua corresponde a 32ºF y el punto de ebullición se asocia a 212ºF, ya que la división de la escala contiene 180 partes iguales.

Fahrenheit fue el inventor del termómetro, de ahí que en su honor la escala de temperaturas que estableció lleve su apellido. Esta escala es ampliamente utilizada en la mayor parte de las actividades comerciales e industriales de los países de habla inglesa como los Estados Unidos, Inglaterra y Australia, entre otros, y aunque el uso del si se va estableciendo en este rubro, aún no se adopta por completo.

Escala Celsius

La escala Celsius (°C) se basa en el cambio de estado del agua a la presión atmosférica: sólido a líquido y líquido a vapor; éstos se toman como referencia porque el punto inferior de la escala corresponde al equilibrio térmico entre el hielo y el agua, es decir, al punto de fusión del hielo (o punto de congelación del agua), y como referencia superior se toma el punto de equilibrio térmico entre el agua y el vapor, el cual corresponde al

Ejercicio 2

En equipos, elaboren un mapa conceptual de las escalas termométricas.

Esta actividad se evaluará con la rúbrica para mapa conceptual.

68

punto de ebullición del agua. A estos puntos fijos que mencionamos se les asignaron en forma arbitraria los valores de 0ºC y 100ºC respectivamente, y se establecieron entre ellos 100 divisiones en partes iguales (razón por la que también se le denomina centígrada) para crear intervalos de 1ºC en el instrumento de medición.

Escala Kelvin

La escala Kelvin o absoluta es de uso común en todos los países que emplean el SI y el Kelvin (K) es la unidad fundamental en tal sistema. El físico y matemático británico Lord Kelvin, al proponer su escala consideró que, dado que la temperatura es el resultado del cambio en la energía cinética por el movimiento de las partículas que conforman el cuerpo, el límite inferior de la escala corresponde al punto de energía nula, de tal manera que se le asigna el 0; y al igual que en la escala Celsius se toman 100 divisiones para definir el límite superior. Aunque no existen aún métodos experimentales precisos, con la ayuda de estudios teóricos y la tecnología de punta de la física moderna, se ha logrado establecer que el límite inferior corresponde a -273.15ºC, que es justo la temperatura a la que se le denomina cero absoluto. Esta escala de temperatura es la que mayor difusión tiene en la investigación científica y en diversas aplicaciones de ingeniería. Dado que el punto de congelación del mercurio (fi gura 3) se encuentra aproximadamente a -38.9ºC y el de ebullición a 357ºC, en algunas ocasiones o en ciertos experimentos, se emplean los termómetros de alcohol, cuyo punto de congelación se encuentra en -130ºC, mientras que el de ebullición en 78.4ºC.

Escala Rankine

La escala Rankine (ºR o ºRa) está asociada al Sistema Inglés de Unidades, y fue propuesta en 1859 por el ingeniero y físico escocés Rankine. También emplea el cero absoluto como punto de temperatura más bajo; en ella, cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit (180ºF = 180ºR) razón por la cual se establece que es proporcional a la escala Kelvin según la relación– y el punto de congelación del agua, a 492 °R; y su punto de ebullición, a 672 °R.

En la figura 2 se observa que existe una correspondencia entre las escalas de unidades de ahí surgen las siguientes expresiones matemáticas para convertir de una escala a otra.

69

0C = 5/9(0F – 32) Ec. 1 Esta ecuación nos permite convertir temperaturas de escala Fahrenheit a la de Celsius.

0F = 9/5*0C + 32 Ec. 2 Esta ecuación nos permite convertir temperaturas de escala

Celsius a la de Fahrenheit

0K = 0C + 273 Ec. 3 Esta ecuación nos permite convertir temperaturas de escala

Celsius a la de Kelvin

0R = 0F + 460 Ec. 4 Esta ecuación nos permite convertir temperaturas de escala

Fahrenheit a la de Rankine.

1.- El reporte del tiempo señala que en la Ciudad de Hermosillo se espera para los últimos días de agosto una temperatura promedio de 420C. ¿Qué valor le corresponde en la escala Fahrenheit y Kelvin?

Solución. Empleando la Ec.2 obtenemos: 0F = 9/5*0C + 32 0F = 9/5*(42) + 32 0F = 107.6

Empleando la Ec.3 obtenemos: 0K = 0C + 273 0K = 42 + 273 0K = 315

2.- El promedio de la temperatura en el Polo Sur es de -38ºF. Calcula la temperatura equivalente en la escala Celsius y en la escala Kelvin.

Solución. Primero tenemos que convertir los 0F a centígrados. Empleando la Ec.1 obtenemos: 0C = 5/9(0F – 32) 0C = 5/9(-38 – 32) 0C = -38.88

Empleando la Ec.3 obtenemos 0K = 0C + 273 0K = -38.88 + 273 0K = 234.12

Investiga los tipos de termómetros que existen. Se evaluará con la rúbrica de trabajo de investigación.

Tarea 1

Sesión

21

70

1.- ¿Cuál sería el reporte a dar en una ciudad cualquiera de los Estados Unidos acerca de la temperatura en Puerto Vallarta si el promedio para esta semana es de 30ºC?

2.- La temperatura que registra un termómetro clínico cuando una persona tiene fiebre es de 38.8ºC, ¿a cuánto equivale en ºF?

3.- El punto de fusión del oro es 1336.150K. ¿Qué valores le corresponden en 0F y 0C?

4.- ¿Qué lectura se apreciará en dos termometros de escala Celsius y Farenheit, si en la

escala Kelvin lectura es: a) 3120K y b) 2980K

Ejercicio 3

En equipo de cuatro integrantes resuelve los ejercicios siguientes. Cada integrante deberá registrar el procedimiento en su cuaderno. Esta actividad será entregada al profesor y será evaluada con la rúbrica para la solución de problemas.

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2.1.3 Identifica los mecanismos por medio de los cuales el calor se transmite de un cuerpo a otro: Radiación, Convección, Conducción.

1. ¿Qué formas de propagación del calor se emplean para la cocción de alimentos?

2. ¿Qué arde con mayor facilidad, el alcohol o la madera?, ¿Por qué?

3. ¿Por qué nos podemos quemar más seriamente con vapor de agua a 1000C que con agua a 1000C?

4. ¿Porque es posible sostener un cerillo encendido, aun cuando se esté quemando a unos cuantos milímetros de las puntas de nuestros dedos?

5. ¿Por qué las papas pueden hornearse con mayor rapidez cuando se le inserta un palillo?

Identifica qué es la dilatación térmica. Investiga sobre los efectos de la dilatación térmica. Discrimina de varias fuentes conceptos claves. Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita

De manera individual contesta las siguientes preguntas.

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Mecanismos de transferencia de calor

En la práctica es importante entender la tasa a la cual la energía térmica se está transfiriendo entre un sistema a otro y los mecanismos responsables de la transferencia. El calor es energía en tránsito que viaja de los objetos más calientes a los más fríos.

Para comprender mejor esto veamos un ejemplo, supongamos que ponemos en contacto tres vasijas metálicas, en una colocamos agua con hielo, en otra simplemente agua tal cual sale del grifo y por último y la tercera con agua hirviendo (figura 1). Después de cinco minutos observamos que el recipiente más caliente se enfría y los que están más fríos elevan su temperatura, de tal manera que al cabo de un rato, los tres tendrán una temperatura común, a esto se le conoce como transferencia de calor y se puede llevar a cabo de tres maneras diferentes: por conducción, convección o radiación.

Conducción

Este proceso de transferencia de calor es común en los sólidos. En general, los metales son los mejores conductores del calor y es por esta razón que los utensilios de cocina que se usan para la cocción de alimentos con fuego directo se fabrican con aluminio o bien, aleaciones metálicas que garantizan una rápida conducción del calor (figura 2); mientras que los soportes o maguillos se fabrican de materiales aislantes. El vacío no es un medio propicio para la transmisión de energía, y sucede que en este caso no hay

conducción de calor; por ello los famosos “termos” se construyen bajo este principio, para evitar que un líquido frío o caliente modifique su temperatura. De acuerdo con lo anterior podemos definir la conducción como: proceso por el cual se transmite calor a lo largo de un cuerpo, mediante colisiones moleculares.

Mediante la lectura del siguiente texto te darás una idea sobre los mecanismos de transferencia de calor. Realiza un mapa mental sobre los tipos de transferencia de calor. Se evaluará con la lista de cotejo de una aplicación del contenido en la vida cotidiana.

Ejercicio 4

EJEMPLO

Si tomas una cuchara metálica y la introduces en una taza de café caliente, el extremo que entra en contacto con el líquido caliente comenzará a presentar en su interior una gran agitación térmica; las moléculas de las regiones calientes adquirirán una gran velocidad e iniciarán un proceso de choques continuos entre ellas, de tal manera que la energía se propagará hasta las moléculas de la cuchara que se moverán lentamente en las zonas frías, y llegará un momento en que ambos extremos igualen su temperatura.

Sesión

22

73

Convección

En este caso, el proceso de transferencia de calor se presenta en los fluidos (líquidos y gases). En la medida en que un fluido adquiere calor, disminuye su densidad de tal suerte que el volumen con mayor temperatura asciende hacia las partes menos frías y provoca que el líquido de la superficie descienda; así se repite el movimiento de convección en forma cíclica hasta que todo el líquido alcanza una temperatura uniforme (figura 3). El ejemplo más claro de esto lo tenemos cuando calentamos agua en un recipiente.

El fenómeno de convección puede definirse como: el proceso por el cual se transmite calor, debido al movimiento de las masas calientes de un fluido.

Radiación. A los casos en los que la transferencia de calor se realiza por la propagación de energía calorífica bajo la forma de ondas electromagnéticas (en el vacío o a través de medios transparentes) se les denomina radiación. Entre las ondas electromagnéticas se incluyen la energía que recibimos del Sol, las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja y la luz. Todos los cuerpos emiten radiación térmica en forma proporcional a la temperatura que tienen y, por lo general, la radiación de un cuerpo caliente, en una parte es absorbida y en otra, reflejada por los cuerpos que tienen menor temperatura. Una de las razones por la que la gente que vive en la costa usa ropa de color claro es precisamente porque

ésta refleja en buena medida las radiaciones infrarrojas del Sol, mientras que los colores oscuros tienen una mayor tendencia a absorber la energía proveniente del astro (figura 4).

Con esa base, podemos decir que la radiación es: el proceso por el cual se transmite calor, debido a la emisión continúa de energía desde la superficie de los cuerpos. Esta se realiza por ondas electromagnéticas.

En la figura 5 se muestra un esquema de los tres tipos de transferencia de calor.

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__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ejercicio 5

Enlista algunos ejemplos sobre los distintos tipos de transferencia de calor. Se evalúa con la lista de cotejo para evaluar la aplicación del contenido en la vida cotidiana y lista de cotejo de trabajo en equipo.

I.- Define los mecanismos de transferencia de calor:

Conduccion:_______________________________________________________________________________________________________________________________________

Coveccion:________________________________________________________________________________________________________________________________________

Radiacion:________________________________________________________________________________________________________________________________________

II.- Escribe sobre las líneas la palabra o palabras que faltan para completar la idea.

1.- Los ________________ son buenos conductores del calor.

2.- El ___________ no es un medio propicio para la transmisión de energía.

3.- Entre las ______________ se incluyen la _____________que recibimos del Sol, las _______________, las microondas, la__________________ y la luz.

4.- El ________es energía en tránsito que viaja de los objetos _______ a los más fríos.

5.- La _____________ se puede llevar a cabo de tres maneras diferentes: por ________________, _______________ y _______________.

Ejercicio 6

De manera individual realiza la siguiente actividad. Se evalúa con la lista de cotejo que se encuentra al final del módulo.

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2.2 Analiza y resuelve problemas relacionados con el efecto del calor sobre los cuerpos, aplicándolo a su entorno.

2.2.1 Resuelve problemas de dilatación de los cuerpos: sólidos, líquidos y gases con énfasis en situaciones cotidianas.

1.- ¿Por qué se utilizan paredes plateadas en los recipientes térmicos (termos)?

2.- Si el agua es un pobre conductor de calor, ¿por qué puede calentarse rápidamente cuando se pone sobre una flama?

3.- ¿Por qué las cortinas gruesas en las ventanas contribuyen a mantener un hogar caliente en el invierno y frio en el verano?

4.- ¿Cuál es la función del termostato en los automóviles?

5.- ¿Qué pasa si ponemos una barra metálica en una flama directa mientras la sostenemos de un extremo?

De manera individual contesta las siguientes preguntas.

Investiga sobre las consecuencias de la dilatación térmica. Trabaja de manera colaborativa y responsable Se comunica en forma oral y escrita Comprende los efectos de la temperatura en las dimensiones de los

cuerpos (el concepto de dilatación de cuerpos). Distingue entre los tipos diferentes de dilatación de cuerpos. Resuelve problemas de dilatación lineal, superficial y volumétrica Selecciona y organiza información.

Sesión

23

76

Dilatación de los cuerpos

Un cambio de los cuerpos es la dilatación, que consiste en el aumento de sus dimensiones cuando cambia su temperatura: Todos los sólidos, líquidos y gases se dilatan al cambiar su temperatura (Con excepciones, como el agua en el intervalo de temperatura de 0 a 4 0C).

Como sabes, los cambios de temperatura provocan un cambio en las dimensiones de un sólido; éste puede aumentar o disminuir sus dimensiones según la temperatura se eleve o disminuya.

Tomemos en cuenta el ejemplo siguiente: una esfera metálica de 3 cm de diámetro se hace pasar por un arillo delgado cuyo diámetro es de 3.1 cm, el cual se halla sujeto a un soporte universal (figura 1a). Después procedemos a calentar la esfera colocándola al fuego directo (fi gura 1b), una vez que se haya incrementado su temperatura en forma notoria, podrás observar que al hacerla pasar por el arillo pueden suceder dos cosas: la esfera pasa en forma forzada por el arillo o bien simplemente no lo puede atravesar (figura 1c).

Los sólidos presentan menor dilatación que los líquidos, que a su vez se dilatan menos que los gases; esta situación se debe a que en los sólidos las moléculas que los conforman vibran en posiciones fijas. Cuando se incrementa la temperatura se da lugar a la dilatación, ya que las moléculas se alejan de su centro de vibración.

En los líquidos y en los gases, las moléculas chocan de manera continua. Si incrementamos la temperatura, estas partículas rebotarán en forma violenta entre sí, por lo cual la expansión será mucho mayor. Cuando decrece la temperatura, en lugar de una elevación, se manifiesta una contracción, porque el movimiento de las moléculas se reduce.

EJEMPLO

La dilatación térmica desempeña un papel importante en numerosas aplicaciones de ingeniería. Por ejemplo las uniones de expansión térmica deben de incluirse en puentes y en algunas otras estructuras para compensar los cambios en las dimensiones con las variaciones de temperatura.

Mediante la lectura del siguiente texto te darás una idea de lo que es la dilatación de los cuerpos. Redacta en tu cuaderno un ejemplo de cada tipo de dilatación. Se evaluará con la lista de cotejo de una aplicación del contenido de la vida cotidiana.

Ejercicio 7

77

Dilatación lineal

Seguramente has notado que los rieles de una vía de ferrocarril están separados por una pequeña distancia, o que al pavimentar una calle se deja un espacio vacío entre un bloque de concreto y otro. Eso se debe a la necesidad de dar un margen a la dilatación del metal o del concreto. Experimentalmente se ha comprobado que al aumentar la temperatura de una barra aumenta su longitud y que dicho aumento ΔL, es proporcional a su longitud inicial Li y al aumento de su temperatura ΔT. Esto se expresa mediante la siguiente expresión:

ΔL = αLi ΔT donde ΔT = Tf – T0 , por lo tanto la ecuación modificada queda de la siguiente manera:

ΔL = αLi (Tf – T0) ecuación (1)

Donde: ΔL = Dilatación lineal en metros (m)

Li = Longitud inicial en metros (m)

ΔT = Variación de la temperatura en 0C

T0 = Temperatura inicial en 0C

Tf = Temperatura final en 0C

α = Coeficiente de dilatación lineal su unida es 1/0C

El coeficiente de dilatación lineal, se define como el cambio en longitud que presenta una varilla de un metro de longitud cuando se eleva su temperatura en un grado Celsius. Los valores de α dependen directamente del material y su valor, además de obtenerse en forma experimental, es del orden de millonésimas (tabla 1).

78

Dilatación superficial

La dilatación superficial es el incremento en la superficie que sufre un sólido cuando está sujeto a un cambio de temperatura específico (figura 2).

La fórmula de dilatación superficial es semejante a la correspondiente a la dilatación lineal, como se puede observar en la siguiente ecuación.

Δs = βSi ΔT donde ΔT = Tf – T0 , por lo tanto la ecuación modificada queda de la siguiente manera:

Δs = βSi ΔT (Tf – T0) ecuación (2)

Donde: Δs = Dilatación superficial en m2

Si = Superficie inicial en m2


T0 = Temperatura inicial en 0C

Tf = Temperatura final en 0C

β = Coeficiente de dilatación superficial, cuya unidad es 1/0C, en donde β se expresa mediante la ecuación:

β = 2α

El coeficiente de dilatación superficial, es la variación de la superficie de una placa, por unidad de área, cuando hay un cambio de temperatura.

Dilatación volumétrica.

Es importante conocer como varia el volumen de un cuerpo cuando aumenta su temperatura. La dilatación volumétrica implica el cambio en longitud, ancho y alto de un sólido cualquiera, cuando está sujeto a un incremento de temperatura, esta se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Δv = γVi ΔT donde ΔT = Tf – T0 , por lo tanto la ecuación modificada queda de la siguiente manera:

Δv = γVi(Tf – To) ecuación (3)

Donde: Δv = Dilatación volumétrica en m3

Vi = volumen inicial en m3


γ = Coeficiente de dilatación volumétrica, cuya unidad es 1/0C.

79

El Coeficiente de dilatación volumétrica es la variación del volumen por unidad de este de un material, cuando hay un aumento en la temperatura (tabla 2).

Sustancia Valor

Acetona 1 490 X10-6/0C

Alcohol 750 X10-6/0C

Benceno 1 240 X10-6/0C

Gasolina 950 X10-6/0C

Glicerina 490 X10-6/0C

Mercurio 182 X10-6/0C

Metanol 1 200 X10-6/0C

Petróleo 900 X10-6/0C

Tabla 2. Coeficiente de dilatación volumétrica de algunos líquidos

Una de las consecuencias del aumento de volumen con el incremento de la temperatura es que existe una disminución de la densidad del sólido, ya que su masa debe permanecer constante.

La expansión o dilatación es un factor de vital importancia para brindar seguridad a ciertas construcciones. ¿Te has preguntado por qué los puentes en diversas vialidades de tu ciudad tienen uniones metálicas? Y más aún, ¿por qué tienen esa forma tan rara?, ¿has observado que las vías de un tren se colocan de tal manera que existe un espacio vacío entre cada tramo de carril? En ambos casos, sucede que al estar expuestos a las condiciones climáticas más diversas, el aumento de temperatura provoca la dilatación de los materiales; el dejar un espacio evitará que se presente un colapso que se traduciría en graves accidentes (figura 3)

80

Veamos ahora algunos ejemplos en donde aplicaremos las ecuaciones correspondientes a la dilatación lineal, superficial y volumétrica de los cuerpos.

1.- Un alambre de cobre tiene una longitud de 0.5 m a una temperatura de 20ºC. Si la temperatura aumenta a 100ºC, ¿cuál será el cambio en longitud del alambre?


Li = 0.5 m

T0 = 20ºC.

Tf = 100ºC.

α = 16.5X10-6/0C

ΔL =?

ΔL = αLi(Tf – T0) ΔL = 16.5 X10-6/0C X

0.5 m X (100ºC -

20ºC)

El alambre aumenta su longitud en

ΔL = 0.66 m

EJEMPLOS

Consultando en Internet o en la bibliografía sugerida, investiga:

El ensamble de piezas mediante el proceso de dilatación es común en la industria metalmecánica. Investiga qué nombre específico recibe este proceso. Presenta en tu reporte diversos ejemplos de procesos en los que se emplea la dilatación de líquidos.

Se evaluará con el instrumento rúbrica de investigación.

Tarea 3

Sesión

24

Ejercicio 8

Reunidos en equipos de tres integrantes, investiguen qué elementos utilizados en la cocina se alteran cuando se les aplica calor. Se evalúa con la lista de cotejo para evaluar la aplicación del contenido en la vida cotidiana y lista de cotejo de trabajo en equipo.

81

2.- Una compuerta rectangular de acero de 0.06 m2, se forja a 350ºC y se deja enfriar en un medio que permite reducir la temperatura hasta 24ºC. ¿Cuánto cambia el área por el descenso de temperatura?

3.- Determina el incremento en volumen de 100 cm3 de mercurio cuando su temperatura cambia de 10ºC a 35ºC.

Datos:

Volumen inicial: Vi = 100 cm3

Temperatura inicial: T0 = 10 ºC.

Temperatura final: Tf = 35 ºC.

Coeficiente de dilatación volumétrica del mercurio de la tabla 2: γ = 182X10-6/0C

Nuestra incógnita es: Δv = ?

Fórmula:

Para este ejemplo vamos a emplear la ecuación (3) Δv = γVi(Tf – To)

Operaciones:

Δv = 182 X10-6/0C X 100 cm3X (35ºC - 10ºC)

Δs = 0.455 m3

Resultado

Podemos concluir que el incremento en volumen es de 0.45 cm3.


Ai = 0.06 m2

T0 = 350ºC.

Tf = 24ºC.

α = 12.5X10-6/0C

Δs = ?

Δs = βSi ΔT (Tf – T0)

β = 2α

β = 2X 12.5X10-6/0C

β = 25 X 10-6/0C

Δs = 25 X10-6/0C X 0.06 m2 X (24ºC - 350ºC)

El resultado negativo nos indica que el área se contrae, por lo que llegamos a la conclusión de que el área se reduce en -4.89 X 10-4 m2

82

1.- Los rieles de acero de una vía de ferrocarril tienen una longitud de 23 m cuando se encuentran a -5ºC en la madrugada. ¿Cuánto es la dilatación que sufre un riel cuando se encuentra al mediodía a una temperatura de 39ºC?

2.- Un tanque de gasolina de 25 galones fue llenado por la noche cuando la temperatura en la ciudad de Hermosillo era de 20 0C, al siguiente día la temperatura se había elevado a 105 0F. ¿Cuánta gasolina se derramo del tanque?

3.- Una lámina rectangular de aluminio de 30 cm de largo y 12 cm de ancho se calienta de 8 0C a 100 0C. ¿Cuál será la variación en la superficie?




Resuelve los siguientes problemas sobre dilatación lineal, superficial y volumétrica. Se evalúa con la lista de cotejo para ejercicios.

Ejercicio 9

Sesión

25

83

1.- ¿Qué es la dilatación?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Cómo se define el coeficiente de dilatación lineal?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- Menciona en qué consiste la dilatación volumétrica.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.- ¿Cuáles son las unidades de la dilatación superficial?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.- ¿Qué efectos produce la dilatación del agua al congelarse en las tuberías y los tanques de almacenamiento?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

De manera individual contesta las siguientes preguntas. Se evalúa con la lista de cotejo que se encuentra al final del módulo.

Ejercicio 10

84

2.2.2 Comprende la dilatación irregular como un fenómeno que favorece la vida acuática a temperaturas bajas, relacionándolos con fenómenos físicos que suceden a su alrededor.

1. ¿Por qué los ríos se congelan en la parte superior y debajo de la capa de hielo el agua permanece en estado líquido? _________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Porque que no hay que meter una botella de agua completamente llena en el congelador?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Conoces algunas especies acuáticas que viven en temperaturas bajas?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Comprende la dilatación irregular del agua. Identifica la vida acuática a temperaturas bajas. Conoce su relación con otros fenómenos física. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Se comunica en forma oral y escrita.

Reunidos en equipos de cuatro personas analicen y contesten las siguientes preguntas, después expréselas en plenaria.

Sesión

26

85

En general, el comportamiento de los gases y los líquidos obedece a las reglas que ya hemos señalado para los sólidos, sin embargo, como los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene no podemos hablar de dilatación lineal o dilatación superficial. Forzosamente estamos ante un caso de dilatación volumétrica y debemos considerar que la dilatación total corresponde a la dilatación del recipiente por el cambio de temperatura más la dilatación que sufre el propio líquido.

Un caso aparte es el comportamiento del agua, ya que cuando se encuentra a temperaturas cercanas a su punto de congelación (0ºC), sucede que con un incremento pequeño de temperatura ésta se contrae y este proceso continúa hasta el momento justo en que alcanza 4ºC. Si la temperatura sigue aumentando, entonces el agua empieza a dilatarse en forma continua hasta el momento en que alcanza su punto de ebullición, el cual corresponde a 100ºC. Sucede que por su estructura cristalina, el agua aumenta de volumen por debajo de 0ºC, y como es hielo macizo, al tener una mayor densidad que el agua, flota, tal como lo vemos en los polos del globo terráqueo.

Esto es significativo, ya que en las zonas de bajas temperaturas del mundo, los lagos y mares tienden a congelarse en la superficie; esta capa de hielo protectora permite que siga la vida en el interior, ya que se conserva una temperatura adecuada para la fauna marina (figura 4).

De manera individual investiga en internet o libros de física que tengas a tu alcance algunos ejemplos prácticos relacionados con la dilatación irregular del agua. Se evaluará mediante una lista de cotejo que se encuentra al final del módulo.

Tarea 4a

86

2.2.3 Emplea los conceptos de capacidad calorífica y calor específico y sus unidades, para explicar fenómenos relacionados con el calor aplicándolo en su vida diaria.

1.- ¿Qué son las calorías?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Cuál es la unidad que es emplea para medir el contenido energético de los alimentos?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Sesión

27

Utiliza varias fuentes de información. Comprende los conceptos de capacidad calorífica y calor especifico Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita

De manera individual contesta las siguientes preguntas. El ejercicio se evalúa con el instrumento de autoevaluación acerca de la evaluación diagnóstica.

87

Introducción

Seguramente ya sabes que para aumentar la temperatura de una sustancia, es necesario aumentar la energía cinética de sus moléculas. Esto se logra haciendo que en la sustancia fluya calor proveniente de otra más caliente; del mismo modo, si queremos enfriarlo lo logramos haciendo que fluya energía de la sustancia a otra más fría. Lo anterior nos permite enunciar la siguiente definición:

Calor específico: Es el calor que se debe suministrar a una sustancia, por unidad de masa para variar su temperatura 10C.

El símbolo utilizado para representar el calor específico es c. Se emplea la siguiente ecuación para determinar el calor específico:

ΔQ = cm(Tf – Ti)

Donde: ΔQ = variación del calor en cal

c = calor especifico en cal/g0C

m = masa en g

Tf = temperatura final en 0C

Ti: temperatura inicial en 0C

Sustancia C (cal/g0C)

Aluminio 0.21

Latón 0.094

Cobre 0.093

Alcohol

etílico(etanol) 0.55

Hielo 0.50

Vidrio 0.2

Hierro 0.113

Plomo 0.031

Plata 0.056

Acero 0.42

Zinc 0.092

Agua 1.00

Vapor 0.46

Mercurio 0.033

Parafina 0.51

Tabla 3. Calores específicos de algunas sustancias

88

Calor cedido y absorbido por los cuerpos

Se habla de calor cedido cuando tu cálculo numérico te lleva a un resultado negativo, es decir, estás determinando el calor que cedió (o perdió) la sustancia que estás analizando. Se habla de calor absorbido cuando el resultado es positivo, o sea, estás determinando el calor que fue absorbido por un sólido. De modo que en cualquier intercambio de calor, el calor cedido es igual al calor absorbido, lo que se expresa mediante la ley de la conservación de la energía calorífica:

Calor cedido = Calor absorbido

Esta ley se expresa matemáticamente como:

-ΔQ =ΔQ

En la que se incluye un signo negativo para indicar el calor cedido.

De manera individual, investiga que instrumento de laboratorio se emplea para determinar ganancia o pérdida de calor. Entrega el reporte de la investigación. Se evalúa con la rúbrica de trabajo de investigación.

Tarea 4b

89

2.2.4 Resuelve problemas relacionando la temperatura y el calor con aplicaciones de nuestro entorno.

1.- ¿Qué cantidad de calor se debe suministrar para elevar la temperatura de 600g de agua desde 20ºC hasta 85ºC?

Datos:

m = 600 g

Tf = 85ºC

Ti = 20ºC

Cagua = 1 cal/g °C obtenido de la tabla 3

ΔQ = ?

Fórmula:

Empleando la fórmula ΔQ = cm(Tf – Ti) podemos calcular la cantidad de calor

Operaciones:

ΔQ = 1 cal/g0C*600 g*( 85ºC - 20ºC)

ΔQ = 3900 cal

Resultado.

El calor que se debe de suministrar es de 3900 cal.

Sesión

28 EJEMPLOS

Resuelve ejercicios relacionados con el medio que lo rodea

Selecciona y organiza información.

Trabaja de manera colaborativa y responsable

Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.

Se comunica en forma oral y escrita

90

2.- En el desarrollo de un limpiador químico se emplean 2 kg de etanol, se hacen varias pruebas y se establece que para lograr el efecto deseado, cuando se alcanza el equilibro a 57ºC se han suministrado 4000 cal. ¿Cuál será la temperatura inicial del etanol para efectos del desarrollo del procedimiento de producción?

Datos:

m = 2 kg

Tf = 57ºC

Cagua = 0.55 cal/g0C obtenido de la tabla 3

ΔQ = 40000 cal.

Ti = ?

Fórmula:

ΔQ = cm(Tf – Ti), despejando Ti de la formula obtenemos la siguiente ecuación:

Ti = Tf - ΔQ

cm

Operaciones:

Primero tenemos que convertir los 2 kg a g

1 kg = 1000 g

2 kg*

Ti = 57 ºC – 40000 cal___

0.55 cal/g 0C* 2000 g

Ti = 20.63 0C

Resultado.

La temperatura inicial del etanol en el proceso es 20.63 0C

1000 g 1 kg

= 2000 g

91

3.- A una taza que contiene 300 g de café a 80ºC se le agregan 25 g de leche a 4ºC. Determina la temperatura del café con leche cuando se alcanza el equilibrio térmico, asumiendo que no hay pérdidas de calor por la acción del medio ambiente y que el calor específico para el café y la leche es igual a 1 cal/g ºC.

Datos:

mcafe = 300 g

mleche = 25 g

Ti café = 80 0C

Ti leche = 4 0C

ccafe = 1 cal/g ºC

cleche = 1 cal/g ºC

Tf = ?

Fórmula. Al considerar que se obtendrá una mezcla con una temperatura uniforme, debemos establecer la igualdad entre el calor que absorbe la leche y el calor cedido por el café.

Calor cedido por el café = Calor absorbido por la leche.

-[ cm(Tf – Ti)] cafe = [cm(Tf – Ti)] leche

Operaciones. Usamos la expresión Tf para expresar la temperatura final de la mezcla y sustituimos, también usamos el signo negativo para el calor cedido y tenemos:

- [1 cal/g0C *300 g* (Tf - 80 0C)] = [1 cal/g0C*25 g*((Tf - 4 0C)]

Eliminamos los paréntesis al multiplicar y simplificando unidades, resultando:

- 300 cal/ g0C*(Tf) + 24000 cal = 25 cal/ g0C*(Tf) - 100 cal

Agrupamos términos semejantes.

- 300 cal/ g0C*(Tf ) - 25 cal/ g0C*(Tf) = - 24000 cal - 100 cal

- 325 cal/ g0C*(Tf ) = -24100 cal

Por último despejamos Tf

Tf = - 24100 cal

- 325 cal/ g0C

Tf = 74.15 0C

Resultado. La temperatura final del café con leche es de 74.15ºC.

Sesión

29

92

1.- Se mezclan 300 g de agua a 170C con 100 g a 500C. Determina la temperatura final de la mezcla.

2.- Para determinar el calor específico de un metal se deja caer una muestra de 50 g a 95ºC dentro de un recipiente con 250 g de agua a 17ºC. Determinar el valor numérico del calor específico considerando que la temperatura final del sistema es de 20ºC.



Sesión

30

Ejercicio 11

Resuelve de manera individual los siguientes problemas. Se evalúa con el instrumento rúbrica para evaluar una serie de problemas.

93

INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos y subraya la opción que consideres correcta.

1.- Un termómetro mide la temperatura de un líquido, en el cual se indica una temperatura de

00C, a que temperatura equivale en 0F. a) 32 ºF b) -32 ºF c) 0ºF d) 300F

2.- Se define como la cantidad de calor necesaria para que un gramo de agua eleve su temperatura en 1ºC.

a) BTU b) Kilocaloría c) Caloría d) Joules

3.- Científico al que se le considera el padre de la termodinámica. a) Fahrenheit. b) Carnot. c) Thompson. d) Kelvin.

4.- Energía que fluye de un objeto de temperatura elevada u otro de temperatura inferior. a) Calor b) Temperatura c) Caloría d) Cinética

5.- Una bola puede pasar por un anillo de metal. Sin embargo cuando se calienta, la bola queda detenida en el anillo, ¿cuál afirmación es correcta? a) La bola se dilató y no puede pasar por el anillo. b) El anillo de metal se encogió y detiene a la bola. c) El anillo de metal se dilató y no deja pasar la bola. d) Los metales en general son buenos conductores de calor y por eso se detiene la bola.

6.- Cuando se dice que dos sistemas están en equilibrio térmico, significa: a) Que la temperatura de un sistema sea mayor que la del otro. b) Que la energía cinética de un sistema sea menor que el otro. c) Que la energía cinética de los dos cuerpos sea la misma.

Sesión

31

Nombre ________________________________________________

Grupo ________________________ Turno ___________________

Fecha _________________________________________________

Autoevaluación

94

d) Que las moléculas de un sistema se muevan más rápido que las del otro sistema. 7.- Es un ejemplo por el cual ocurre la convección del calor.

a) Calentar un trozo de metal b) Calentar agua en un recipiente c) Calentar un trozo de madera d) Exponer un objeto a los rayos infrarrojos

8.- El punto de referencia inferior para la escala Celsius de temperatura es:

a) Ebullición del agua. b) Congelación del mercurio. c) Fusión del mercurio. d) Congelación del agua.

9.- Temperatura en la que una sustancia cambia del estado líquido al vapor y viceversa.

a) Punto de ebullición. b) Punto de congelación. c) Punto de fusión. d) Punto de saturación.

10.- Se define como la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en equilibrio

térmico con otros sistemas. a) Calor b) Termodinámica c) Temperatura d) Caloría

11.- Los rayos del sol viajan hacia la tierra por medio del proceso de:

a) Conducción. b) Convección. c) Radiación. d) Interacción.

12.- Unidad de calor en el sistema inglés.

a) Kilocaloría b) Joules c) BTU d) Caloría

13.- El proceso de transferencia de calor común en los sólidos es:

a) Radiación b) Convección c) Conducción d) Dilatación

14.- Proceso por el cual se transmite calor, debido al movimiento de las masas calientes de un

fluido. a) Dilatación b) Radiación c) Convección d) Conducción

95

15.- Se produce cuando al aumentar la temperatura de un cuerpo aumentan sus dimensiones.

a) Dilatación b) Radiación c) Convección d) Conducción

16.- Si varios cuerpos de igual masa varían su temperatura en un mismo número de grados

absorbiendo o cediendo cantidades de calor, entonces estos cuerpos tienen diferente: a) Calor especifico. b) Coeficiente de dilatación. c) Conductividad térmica. d) Dilatación lineal.

17.- Es el calor específico del agua.

a) 0.5 Cal/g0C b) 1 Cal/g0C c) 3 Cal/g0C d) 0.1 Cal/g0C

18.- Dispositivo de laboratorio que se utiliza para medir la pérdida o ganancia de calor.

a) Calorímetro b) Termómetro c) Barómetro d) Potenciómetro

19.- Proceso de transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas.

a) Dilatación b) Radiación c) Convección d) Conducción

20.- El signo negativo en la ecuación de la ley de la conservación de la energía calorífica indica:

a) Calor absorbido b) Calor neutral c) Calor cedido d) Calor total

Escala de aprendizaje: Si todas tus respuestas fueron correctas: excelente, por lo que te invitamos a continuar con esa dedicación. Si tienes de 15 a 19 aciertos, tu aprendizaje es bueno, pero es necesario que nuevamente repases los temas. Si contestaste correctamente 14 o menos reactivos, tu aprendizaje es insuficiente, por lo que te recomendamos solicitar asesoría a tu profesor.

97

Bloque III Comprende las

leyes de la

electricidad

98

COMPETENCIAS

Explica de manera oral y escrita los conceptos de electrostática y electrodinámica con la finalidad de aplicarlos en su vida cotidiana.

Analiza los conceptos de: carga eléctrica, conservación de la carga y las formas de electrizar a los cuerpos y su relación con la vida diaria.

Analiza algunos materiales conductores y materiales aislantes, funcionamiento del electroscopio y la jaula de Faraday relacionándolos con las actividades realizadas en su entorno.

Utiliza la Ley de Coulomb para resolver problemas de fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico en su vida cotidiana.

Resuelve problemas prácticos de corriente intensidad de corriente, resistencia eléctrica, voltaje y ley de Ohm aplicándolas en su entorno.

Resuelve problemas de circuitos eléctricos con resistencia: serie, paralelo y mixto, aplicándolos en su entorno.

Describe las unidades de medida de potencia eléctrica empleadas en su entorno.

TEMARIO

3.1 Analiza la electricidad y otros conceptos básicos relacionados a su entorno.

3.1.1 Explica de manera oral y escrita los conceptos de electrostática y electrodinámica con la finalidad de aplicarlos en su vida cotidiana.

3.1.2 Analiza los conceptos de: carga eléctrica, conservación de la carga y las formas de electrizar a los cuerpos y su relación con la vida diaria.

3.1.3 Analiza algunos materiales conductores y materiales aislantes, funcionamiento del electroscopio y la jaula de Faraday relacionándolos con las actividades realizadas en su entorno.

3.2 Analiza y resuelve problemas sobre las leyes de la electricidad y su importancia en la vida cotidiana.

3.2.1 Utiliza la Ley de Coulomb para resolver problemas de fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico en su vida cotidiana.

3.2.2 Resuelve problemas prácticos de corriente intensidad de corriente, resistencia eléctrica, voltaje y ley de Ohm aplicándolas en su entorno.

3.2.3 Resuelve problemas de circuitos eléctricos con resistencia: serie, paralelo y mixto, aplicándolos en su entorno.

3.2.4 Describe las unidades de medida de potencia eléctrica empleadas en su entorno.

99

3.1 Analiza la electricidad y otros conceptos básicos relacionados a su entorno.

3.1.1 Explica de manera oral y escrita los conceptos de electrostática y electrodinámica con la finalidad de aplicarlos en su vida cotidiana.

1 ¿Qué importancia tiene la energía eléctrica en tu vida diaria?

2 ¿Describe las actividades que harías en todo un año sin energía eléctrica?

3 ¿Sabes cómo llega a tu hogar la energía eléctrica?

4 ¿Sabes cómo se produce la energía eléctrica?

5 ¿Sabes de qué forma puedes electrizar un cuerpo?

6 ¿Qué materiales conductores y aislantes de electricidad conoces?


Explica de manera oral y escrita los conceptos de electrostática y electrodinámica con la finalidad de aplicarlos en su vida cotidiana.

Analiza los conceptos de: carga eléctrica, conservación de la carga y las formas de electrizar a los cuerpos y su relación con la vida diaria.

Analiza algunos materiales conductores y materiales aislantes

Analiza el funcionamiento del electroscopio y la jaula de Faraday relacionándolos con las actividades realizadas en su entorno.

Sesión

32

100

Las leyes de la electricidad

Introducción El estudio de la electricidad es fundamental porque su evolución ha llevado al ser humano al desarrollo de múltiples aplicaciones en diversos campos de la electrónica y el control de procesos, cuyo funcionamiento se basa en el mismo origen: la energía eléctrica. Aunque hoy en día se desarrollan formas de generación de energía alternas, ninguna tiene el auge que ha tenido la electricidad a lo largo de las últimas décadas.

La energía eléctrica tiene su origen en la naturaleza de la materia, debido a que las partículas que constituyen cualquier sustancia están formadas por átomos; estos a su vez constituidos por protones, electrones y neutrones, denominados partículas subatómicas y a los que se les identifica por medio de un signo; a los protones positivo, los electrones son eléctricamente neutros y constituyen el núcleo cargado positivamente; los electrones se encuentran alrededor cargados negativamente; sin embargo, no debemos olvidar que los átomos son eléctricamente neutros, ya que la cantidad de carga positiva es igual a la carga total de los electrones.

101

En nuestros días, nosotros hemos aprendido a controlar y manejar los fenómenos relacionados con la electricidad en beneficio propio, por ejemplo, tenemos el calor y la iluminación que nos brinda la luz eléctrica, la ventaja de las comunicaciones y una gran cantidad de aparatos electrodomésticos que nos hacen la vida más cómoda y agradable, todo esto gracias a las investigaciones y aportes de científicos como los franceses Charles Coulomb (1736-1806) y André Marie Ampere (1775-1836), así como el británico Michael Faraday (1791-1867), Alejandro Volta que en 1800 invento la pila eléctrica, en 1879 Thomas Alba Edison patento la bombilla eléctrica además del dínamo para generar corriente eléctrica, complemento de la bombilla, entre algunos otros importantes personalidades que aportaron al desarrollo de la ciencia.

Para su estudio, la electricidad se divide en electrostática y electrodinámica. Esta división nos señala cómo fue evolucionando el estudio formal de este campo de la física. Así como en la mecánica estudiamos el estado de reposo de un cuerpo, en la electricidad tenemos una analogía en la que se considera el reposo de las cargas eléctricas y todo lo que esto implica, tales como materiales conductores, campo eléctrico, diferencia de potencial, etc. Formalmente consideramos que la electrostática es el estudio de la electricidad en reposo, donde las cargas eléctricas no se asocian a un movimiento específico en un material.

Electrostática: Es la parte de la Física que se encarga de estudiar los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en reposo.

Electrodinámica: Es la parte de la Física que estudia los fenómenos físicos que ocurren con las cargas eléctricas en movimiento.

De forma individual realiza un listado de algunos materiales que conducen

la electricidad. Se evaluarán mediante el instrumento de evaluación que se

encuentra al final del módulo.

Ejercicio 1

102

3.1.2. Carga eléctrica, conservación de la carga y las formas de electrizar a los cuerpos y

su relación con la vida diaria.

1.- ¿Qué es un átomo?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Cuáles son las partículas forman un átomo?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- ¿Qué carga tienen las partículas que forman al átomo?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.- ¿Qué sucede cuando dos cuerpos tienen misma carga eléctrica?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Define el concepto de carga eléctrica. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.

Contesta las siguientes cuestiones:

Sesión

33

103

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga eléctrica.

Principio de la conservación de las cargas

Recordemos que al frotar una barra de vidrio con un trozo de seda, algunos electrones de la barra pasan a la quedando cargada negativamente, y la barra de vidrio positivamente. En todos los casos en que un cuerpo es cargado eléctricamente, aparece el mismo número de cargas del signo opuesto en el otro. Esto da a lugar a el principio de la conservación de la cagas “La carga eléctrica de un sistema cerrado permanece constante en todo proceso físico”.

Frotamiento o fricción. Por el frotamiento o la fricción entre dos cuerpos se presenta un cambio en la carga eléctrica de cada uno; se transfieren electrones de tal manera que es natural que en el proceso sucedan situaciones tales como alcanzar el estado neutro ¿Recuerdas que cuando eras pequeño, al aventarte sobre una resbaladilla, justo al bajar se producía una chispa entre tu mano y la de tu mamá o tu papá? En este ejemplo lo que ocurre es que por el frotamiento se ha realizado un cambio en la carga de los cuerpos en estudio, y la chispa no es más

que la manifestación del sistema al alcanzar el equilibrio de cargas positivas y negativas. ¿Has visto cómo se electriza la piel de un gato o de un conejo cuando lo acaricias? Es fácil experimentar todas estas situaciones en los días secos, ya que la humedad del medio ambiente provoca que las cargas escapen sin acumularse.

Contacto. El simple toque entre dos objetos es suficiente para que un sólido que se encuentra saturado con carga negativa ceda sus electrones a otro que carece de ellos, y que se pone en contacto directo sin fricción. En los objetos que tienen buenas propiedades eléctricas se observa que la distribución de la carga que reciben es uniforme, mientras que en los que no las poseen se requieren de dos o más “toquecitos” para conseguir una distribución más o menos uniforme. Queremos hacerte notar que la frontera entre frotamiento y contacto es

en ocasiones muy frágil y es posible que te llegues a confundir. Para no hacerlo, te recomendamos que simplemente tengas presente que en el primer caso el contacto entre las superficies es constante (y hasta cierto punto permanente), mientras que en el segundo caso es suficiente que se toquen los cuerpos sin que sea necesario que permanezcan unidos para que se realice el intercambio de carga eléctrica.

Inducción. La inducción ocurre cuando un cuerpo con un exceso de carga se acerca a otro sin que se presente un contacto directo entre ellos, por ejemplo, cuando tienes una regla plástica electrizada y después la acercas a un papel; entre más pequeño es el trozo de papel más fácil se manifiesta la atracción por el efecto de transferencia de carga: cuando se alcanza el equilibrio, el papel se mueve por efecto del medio circundante (el aire, por ejemplo) sin que se acerque a la regla

En general, la cantidad de carga eléctrica que un material presenta la expresaremos en el SI en Coulombs (C); esta unidad es proporcional a la cantidad de electrones que tiene en exceso un cuerpo con respecto a los que le corresponden en el estado neutro. 1 C = 6.25 × 1018 electrones De acuerdo a esta definición, se puede concluir que entonces la carga de un protón es de 1.6 × 10-19 C y la del electrón es de -1.6 × 10-19 C.

104

3.1.3 Materiales conductores y materiales aislantes, funcionamiento del electroscopio y la

jaula de Faraday

1.- ¿Qué es un material conductor?

____________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

2.- ¿Qué es un material aislante?

____________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

3.- Menciona algunos ejemplos de materiales aislantes y conductores

____________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

Busca en internet o libros que tengas a tu alcance algunos ejemplos de

electrización de los cuerpos. Se evaluarán mediante una lista de cotejo del

final del módulo.

Tarea 1

Identifica los materiales conductores Identifica los materiales aislantes Conoce el funcionamiento del electroscopio Conoce la jaula de Faraday Trabaja de manera colaborativa. Se comunica de forma oral y escrita

Contesta las siguientes preguntas:

Sesión

34

105

Los materiales se pueden se pueden clasificar en conductores y aislantes

Conductores. Los electrones ubicados en las proximidades de la parte externa del átomo se encuentran libres para moverse en el material; esta característica es precisamente la que les confiere buenas propiedades eléctricas.

Aislantes. También llamados dieléctricos, son aquellos en los que la movilidad de los electrones es nula. Éstos están fuertemente unidos a los átomos que forman el material y aunque se les provea de un exceso de carga, ésta sólo se reagrupa en el punto de contacto sin que se manifieste un efecto de desplazamiento.

En 1843, Michael Faraday realizó un experimento con el que demostró que las cargas se acumulan en la superficie de un cuerpo cuando se encuentra electrizado. Para ello empleó el detector de carga eléctrica que conocemos como electroscopio y un recipiente metálico similar al que se utiliza para hornear pan; el primer dispositivo no es más que un recipiente de vidrio que se tapa con un material aislante, la tapa se atraviesa por una varilla conductora que en su parte inferior tiene dos laminillas metálicas (pueden ser de aluminio, oro, plata o cualquier otro metal), en la parte superior de la varilla encontramos una esfera (también metálica) a través de la cual se transfiere la carga eléctrica. Cuando la carga eléctrica de un cuerpo se induce a la esfera, se observa cómo las laminillas se separan, pues adquieren carga del mismo signo. Si en forma inmediata se acerca otro cuerpo con carga contraria, observaremos cómo las laminillas se acercan. Para realizar la demostración de Faraday se conecta un electroscopio a un cubo metálico y luego se carga positivamente una esfera metálica y se la hace descender dentro del cubo (sin contacto directo), se

observa entonces cómo las laminillas se separan; al desplazar la esfera dentro del cubo las laminillas no cambiaron de posición, esto sucedió hasta que se retiró la esfera. Después se repite el experimento con la variante de que la esfera toca la superficie del cubo metálico, en este caso se observa que cuando se retira la esfera las laminillas mantienen su posición divergente y al acercar la esfera a otro electroscopio ya no hay carga. Es obvio que por el contacto entre el cubo y la esfera, el exceso de carga quedó neutralizado.

106

1. ¿Qué significa que un cuerpo no tenga carga?

2. ¿Qué tipo de carga eléctrica adquiere el vidrio y de qué tipo el plástico al ser frotados?

3. ¿Por qué se carga el electroscopio al tocarlo con la mano?

4. ¿Explica en qué consiste la energía eléctrica por contacto, inducción y frotamiento?

5. ¿explica con tus palabras que significa para ti el que un cuerpo no tenga carga eléctrica?

6. ¿Escribe una AI si el material es aislante y una CO si el material es conductor

II. Coloca en la derecha del material si es aislante o conductor.

Tarea 2

Contesta el siguiente cuestionario relacionado con el tema.

107

3.2 Analiza y resuelve problemas sobre las leyes de la electricidad y su importancia en la vida cotidiana.

3.2.1 Utiliza la Ley de Coulomb para resolver problemas de fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico en su vida cotidiana.


1. ¿Sabes quienes han sido los personajes que más ha aportados avances dentro de la Física?

2. ¿Cuántas y que leyes conoces que estén relacionados con la Física?

3. ¿Sabes cuál es la unidad de carga eléctrica?

4. ¿Cuál es la carga de un electrón y la de un protón?

Sesión

35

Utiliza la Ley de Coulomb para resolver problemas de fuerzas de atracción o repulsión de las cargas, campo eléctrico y potencial eléctrico en su vida cotidiana.

Resuelve problemas prácticos de corriente intensidad de corriente, resistencia eléctrica, voltaje y ley de Ohm aplicándolas en su entorno.

Resuelve problemas de circuitos eléctricos con resistencia: serie, paralelo y mixto, aplicándolos en su entorno.

Describe las unidades de medida de potencia eléctrica empleadas en su entorno.

108

La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionósfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que

los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos. Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.

También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes que rigen el fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas. Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes eléctricas por inducción —fenómeno que permite transformar energía mecánica en energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y distribución y a su gran número de aplicaciones.

Fuerzas de atracción o repulsión de las cargas.

De manera experimental se comprueba que los cuerpos cargados eléctricamente se atraen o se rechazan; si la carga eléctrica es del mismo signo se manifiesta una fuerza y de repulsión y de atracción en el caso contrario, fue estudiada por Charles Coulomb.

La expresión matemática para la ley de Coulomb.

Donde:

F = Fuerza en (N)

K = Constante eléctrica (9x109 Nm2/C2)

q1 q2 = Cargas (C)

r2 = Distancia que las separa elevada al cuadrado (m2)

Finalmente la Ley de Coulomb queda enunciada en los siguientes términos: la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que los separa.

Cuando las cargas se encuentran en un medio diferente al vacío la fuerza que se genera es obviamente distinta a la que calculamos con la ecuación 2 y por ello se define a la constante de permitividad relativa (o constante dieléctrica) como:

Donde:

F = fuerza de atracción entre las cargas en el vacío expresada en newton (N)

F’ = fuerza de atracción entre las cargas en el medio aislante expresada en newton (N)

εr = constante dieléctrica (adimensional)

109

Ejemplo 1. Una carga puntual de 3 × 10-4 C y otra más de 2 × 10-5 C se encuentran separadas a una distancia de 30 cm. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza que actúa en cada una de ellas?


q1 = 3 × 10-4 C

q2 = 2 × 10-5 C.

r = 30 cm “convirtiéndolos al SI 0.30m”

k = 9 × 109 Nm2/C2.

F = 600 N

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica la Ley de Coulomb

Sesión

36

110

Ejemplo 2. Una carga de -4 nC se encuentra en el aire a 0.18 m de otra carga de -5 nC.

Calcula:

a) ¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica entre ellas?

b) ¿Cuál sería el valor de la fuerza eléctrica entre ellas si estuvieran sumergidas en aceite?

Ejemplo 3. Una carga eléctrica de 4µC se encuentra en el aire a 80 cm de otra carga. El valor de la fuerza con la cual se rechazan es de 6x10-1 N ¿Cuánto vale la carga desconocida?

Ejemplo 4. Una carga de 7 µC se encuentra en se encuentra en el aire a 35 cm de otra carga de -3 µC, calcula:

a) ¿Cuál es el valor de la fuerza ejercida por q1 sobre q2?

b) ¿Cuál sería el valor de la fuerza eléctrica entre las cargas si estuvieran sumergidas en petróleo?


q1 = -4 nC

q2 = -5 nC.

r = 18 m

k = 9 × 109

Nm2/C

2.

a.

b.

a.

b.

a. F= 5.55x10-6N

b. F’ = 1.9x10-6N


q1 = 4µC

r = 80 cm

6x10-1 N

k = 9 × 109 Nm2/C2.

q2 = 1.066x-5C


q1 = 7x10-6 q2-3x10-6

r = 35 cm

k = 9 × 109 Nm2/C2

a.

b.

a.

b.

a. F= -1.54 N

b. -0.7N

111

1. Determina el valor de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1= -6 µC y q2 = -3 µC, al estar separadas en el vacío por una distancia de 45 cm.

2. Calcula el valor de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1= -3 mC y q2 = 7 mC, al estar separadas en el vacío por una distancia de 66 cm. Determina también el valor de la fuerza eléctrica si las cargas se sumergieran en agua.



Apoyándote en los ejemplos anteriores, resuelve los siguientes ejemplos de la Ley de Coulomb

Ejercicio 2

Sesión

37

112

1. Una carga de 5x10-9 C se encuentra en el aire a 0.2 m de otra carga de 3x10-9 C. determina el valor de la fuerza eléctrica entre ellas. Calcular también el valor de la fuerza si se sumergen en caucho.

2. El valor de la fuerza con que se rechaza una fuerza con que se rechaza una carga de 6µC con otra carga es de 5x10-1N. Determina el valor de la carga desconocida si las dos cargas están en el aire a una distancia de 44 cm.

3. Una carga de -4µC se encuentra en el vacío a 38 cm de otra carga de 7µC. Determina:

a) El valor de la fuerza ejercida sobre q1 por q2.

b) Calcular el valor de la fuerza eléctrica entre las cargas si estuvieran sumergidas en aceite.




Resuelve en casa los siguientes ejercicios relacionados con la Ley de Coulomb.

Tarea 3

113

Campo eléctrico. Se puede definir como la región de influencia de una carga eléctrica y, aunque también es invisible, podemos medir su efecto por la fuerza que actúa sobre cualquier carga que se ubique en él. El comportamiento de las cargas eléctricas en el campo eléctrico es semejante al de los cuerpos en el campo gravitacional. La magnitud o intensidad (E) del campo eléctrico es la relación entre la fuerza que se ejerce sobre una carga y el valor de ésta, expresada en N/C en el SI.

Es decir:

Donde:

E = Intensidad del campo eléctrico en (N/C)

F = Fuerza que recibe la carga de prueba (N)

q = Valor de la carga de prueba (C)

Pero si se desea calcular la intensidad del campo eléctrico E a una determinada distancia r de una carga q, según la Ley de Coulomb se calcula con la siguiente expresión:

ó

1. Una carga de prueba de 4x10-7C recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 2x10-4N. ¿Cuál es el valor de la intensidad del campo eléctrico en el punto donde está colocada la carga de prueba?


q = 4x10-7C

F = 2x10-4N

E = 500 N/C

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica el campo eléctrico

Sesión

38

114

2. Una carga de prueba de 3µC se sitúa en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico tiene un valor de 7x102 N/C. ¿Cuál es el valor de la fuerza que actúa sobre ella?

1. Calcula el valor de la intensidad del campo eléctrico a una intensidad del campo eléctrico a una distancia de 35 cm de una carga de 3µC.

2. La intensidad de un campo eléctrico producido por una carga de 4µC en un punto determinado tiene un valor de 8x106N/C ¿A qué distancia del punto considerado se encuentra la carga?


q = 3x10-6C

E = 7x102N/C

F= 2.1x10-3N



Apóyate en los ejemplos anteriores para resolver los siguientes ejercicios de campo eléctrico.

Ejercicio 3

Sesión

39

115

1. Determina el valor de la intensidad del campo eléctrico en un punto donde se coloca una carga de prueba de 5µC, la cual recibe una fuerza eléctrica vertical hacia arriba cuyo valor es de 5x10-3N.

2. Determina el valor de la fuerza que actúa sobre una carga de prueba de 2x10-7C al situarse en un punto en que la intensidad del campo eléctrico tiene un valor de 6x104N/C.

3. Calcula el valor de la intensidad de campo eléctrico producido por una carga es de 5x105N/C a 60 cm de distancia de ésta. ¿Cuál es el valor de la carga eléctrica?

6. El valor de la intensidad del campo eléctrico producido por una carga de 8µC en un punto determinado es de 6x104 N/C. ¿A qué distancia del punto considerado se encuentra la carga?





Apóyate en los ejemplos y ejercicios anteriores para resolver en casa los siguientes ejercicios de campo eléctrico

Tarea 4

116

Potencial eléctrico

Toda carga eléctrica, positiva o negativa, tiene un potencial eléctrico debido a su capacidad para realizar un trabajo sobre otras cargas. Se considera que el potencial eléctrico de la tierra es cero.

El potencial eléctrico (V) en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo (T) que se necesita realizar para transportar la unidad de carga positiva (q) desde el punto potencial cero hasta el punto considerado. Por tanto.

o bien o

Donde:

V= Potencial eléctrico (Volt)

T = Trabajo (Joules)

q = Carga positiva (Coulomb)

Recuerda que es común hablar del voltaje de un sistema eléctrico en lugar de diferencia de potencial. Es importante además que tengas presente que un punto tiene un potencial más alto que otro porque la fuerza desarrollada para realizar el trabajo actúa en contra del campo eléctrico, justo como sucede en el campo gravitacional. El trabajo será positivo cuando aumente la energía potencial eléctrica de la carga, mientras que será negativo cuando la disminuya.

1. Determinemos el trabajo requerido para que un electrón (-1.6 × 10-19 C) se desplace desde la terminal negativa de una pila de 9 V hasta la terminal positiva.

* La energía necesaria para mover el electrón es 1.44 × 10-18 J. Observa que en nuestros cálculos incluimos el signo negativo (-) al voltaje porque estamos hallando la energía necesaria para mover el electrón; es decir, que determinamos el trabajo realizado y éste debe ser positivo porque el electrón debe fluir de la terminal negativa a la positiva.

2. ¿Cuál es la energía potencial de una carga positiva de 8 µC al encontrarse en un punto donde el potencial eléctrico es de 40,000 V?


9 V

-1.6 ×10-19 C

T = - 1.44x10-18 J


8 µC

40,000 V

Ep= (40,000 V) (8x10-6C) Ep= 0.32 J

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica el potencial eléctrico

Sesión

40

117

3. ¿Cuál es el valor del potencial eléctrico en un punto si para trasladar una carga de 4µC desde el suelo hasta a él, se realizó un trabajo de 35x10-6 J?

4. Una carga de 4 nC está separada 20 cm de otra carga de 5 mC, ¿Cuál es la energía potencial del sistema?


4µC

35x10-6 J

V= 8.75V


Ep = ¿? Q = 4 nC = 4 x 10-9 C q = 5 mC = 5 x 10-3 C k = 9 x 109 Nm2/C2 r = 20 cm = 0.2 m

Ep = 0.9 J

Sesión

41

118

3.2.2 Corriente eléctrica, intensidad de corriente, resistencia eléctrica, voltaje y ley de Ohm aplicándolas en su entorno.

1.- ¿Cuáles son las unidades de la corriente eléctrica?

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

2.- ¿Cuál es la función de una resistencia eléctrica?

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

3.- ¿Qué voltaje de corriente eléctrica se emplea en nuestras casas?

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

Sesión

42

Utiliza modelos matemáticos para expresar la Ley de Ohm. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.

Contesta lo siguiente:

119

La corriente eléctrica se define como el flujo de carga eléctrica a través de un conductor; cuando se trata de cables y circuitos el flujo está constituido por electrones que fluyen libremente sobre el material, mientras que si se trata de fluidos tales como los electrolitos, la carga eléctrica se genera por el flujo de iones positivos. De acuerdo a lo anterior, se tiene entonces que la intensidad de corriente (I) que pasa por un punto en un conductor es la razón de cambio de la carga eléctrica en el tiempo. Es decir:

Donde: I= Intensidad de la corriente eléctrica C/s=ampere=A

q = carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en Coulombs (C)

t = Tiempo que tarda en pasar la carga en un segundo (s)

1. Calcula cuántos electrones pasan cada segundo por una sección de un alambre conductor que tiene una intensidad de corriente de 7 A.

Como 1 C = 6.24x1018 electrones, tenemos que en un segundo circular la siguiente cantidad de electrones: 7C (6.24x1018 electrones/1 C) = 43.68x1018 electrones

2. Calcula la intensidad de la corriente eléctrica en amperes y miliamperes, si por una sección de un conductor circulan 75C en media hora.

3. Por la sección transversal de un conductor fluyen 20 C, si la intensidad de corriente es 30

mA. ¿Cuál es el valor del tiempo empleado por las cargas?


7 A, 1s q =I x t q = (7C/s) (1s) q = 7C


75C

0.5hr=30min=1800 s

I= 0.041 A = 41mA


t = ¿? q = 20 C I = 30 X 10-3A

t = q/I

t = 20 C /30 X 10-3ª

t = 666.66 s

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica la intensidad de corriente eléctrica.

120

1. Determina la intensidad de corriente que fluye por un conductor, si pasan 125 C en 5 min:

2. ¿Qué carga se produce en media hora en un acelerador de partículas en el que la corriente

es de 1 mA si la corriente es de protones, cuantos se mueven en la media hora?



Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve los siguientes ejercicios de intensidad de corriente eléctrica.

Ejercicio 4

Sesión

43

121

1. Una corriente de 100 mA fluye a través de un conductor, ¿Cuál es el numero neto de electrones que pasan por un área de sección trasversal del conductor en 0.5 segundos?

2. Hay un movimiento neto de 5 x 1011 electrones en una dirección del alambre en 2 segundos, ¿cuál es la corriente en el alambre?

3. Si una corriente de 1 A fluye a través de un alambre, ¿Cuál es el número de electrones que pasan por un área transversal del alambre en 5 segundos?

4. ¿Cuánto tiempo le toma a una carga neta de 1.8 C pasar a través del área transversal del cable para producir una corriente uniforme de 3 mA?





Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve en casa los siguientes ejercicios de intensidad de corriente eléctrica.

Tarea 5

122

Resistencia eléctrica

Es la oposición al flujo de carga eléctrica en un conductor. Dado que la temperatura afecta la conducción de electrones, debemos considerar que cada material posee una conductividad propia, la cual nos indicará su capacidad para conducir la corriente eléctrica. La unidad que se emplea para medir la resistencia es el ohm –en honor de George S. Ohm, cuyos trabajos derivaron en la ley que lleva su nombre– y se representa por el símbolo griego Ω. El ohm se define como la resistencia que opone una columna de mercurio a 0ºC de 1 mm2 de sección transversal y 106.25 cm de longitud al flujo de cargas eléctricas. Observa que, en general, la resistencia eléctrica de un conductor metálico aumenta con la temperatura.

La resistencia de un alambre conductor a una determinada temperatura es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal.

Donde: R= Resistividad del conductor en Ohms (Ω) ρ = Resistividad del material de que esta hecho el conductor en (Ω-m) L = Longitud del conductor en (m) A = Área de la sección transversal del conductor en (m2)

1. ¿Cuál es la resistencia eléctrica de un alambre de aluminio de 5 Km. de longitud y 0.8 mm2 de área de sección transversal, que se encuentra a 0º C?


R = ¿? A = 0.8 mm2 = 8 x 10-7 m2 ρ = 3.21 X 10-8 Ω.m L = 5 km = 5000 m

R = (3.21 X 10-8 Ω.m)(5000 m)/ 8 x 10-7 m2

R = 200.63 Ω

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica la resistencia eléctrica.

Sesión

44

123

1. ¿Cuál es la longitud de un alambre de plata de 0.5 mm2 de área de sección transversal, si su resistencia es de 15 Ω a 0º C?

Para determinar la resistencia de un conductor se expresa de la siguiente manera:

Donde:

Rt= Resistencia del conductor en ohms (Ω) a cierta temperatura t.

R0= Resistencia del conductor en Ω a 0°C

α= Coeficiente de temperatura de la resistencia del material conductor en 0°C-1

t = Temperatura del conductor en C°


Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve los siguientes ejercicios de resistencia eléctrica.

Ejercicio 5

Sesión

45

124

1. La resistencia de un alambre de cobre es de 17 Ω a 0 °C, calcular su resistencia a 80 °C.

1. Un termómetro de platino tiene una resistencia de 9Ω a 170°C; calcula la resistencia a 350 °C

2. Un alambre de plata tiene una resistencia de 5Ω a 0°C ¿Cuál será su resistencia a 25°C?

3. Determina la resistencia de un termómetro de platino a 350 °C, si a 65 °C su r = 4.2 Ω.


αcu= 3.8x10-3 Ro= 17 Ω t = 80 °C Rt = ?

Rt = 22.16 Ω




En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica la resistencia eléctrica.

Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve en casa los siguientes ejercicios de resistencia eléctrica.

Tarea 6

125

Ley de ohm

Ohm comprobó en forma experimental que la variación de voltaje se refleja en la intensidad de la corriente eléctrica y que si el material presenta una gran resistencia, disminuye la corriente. Lo anterior le permitió formular la ley que lleva su nombre. Ley de Ohm. La corriente que circula por un conductor es directamente proporcional al voltaje suministrado e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. El modelo matemático asociado es el siguiente:

Donde:

I = intensidad de corriente en amperes(A)

V = diferencia de potencial entre sus extremos en voltios (V).

R = resistencia del conductor en ohms (Ω)

1. Un tostador eléctrico tiene una resistencia de 20 Ohms cuando está caliente. ¿Cuál será la intensidad de la corriente cuando lo conectamos a una diferencia de potencial de 120 V.?

2. Un alambre conductor deja pasar 8 Amperes al aplicarle una diferencia de potencial de 120V.

¿Cuál es el valor de su resistencia?


I = ¿? R = 20 Ω V = 120 V

I = 120 V / 20 Ω

I = 6 Amperes(A)


R = ¿? V = 120 V I = 8 A

R = 120 V / 8 A

R = 15 Ω

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica la Ley de Ohm

Sesión

46

126

1. Calcula la diferencia de potencial aplicada a una resistencia de 24Ω, si por ella fluyen 10 Amperes:

2. La diferencia de potencial de un calentador eléctrico es de 80 Volts cuando la corriente eléctrica es de 6 amperes. Calcular a) la resistencia al paso de la corriente b) La corriente eléctrica si el voltaje aumenta a 120 Volts.



Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve los siguientes ejercicios de la Ley de Ohm.

Ejercicio 6

127

3.2.3 Circuitos eléctricos con resistencia: serie, paralelo y mixto, aplicándolos en su entorno.

1.- ¿Qué entiendes por circuito eléctrico?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

2.- ¿Qué instrumento nos sirve para medir el voltaje y corriente eléctrica?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

3.- ¿Qué es una conexión trifásica?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Sesión

47

En equipo de tres personas den respuesta a las siguientes

preguntas:

Determina el valor de la resistencia equivalente en circuitos resistivos serie, paralelo y mixto.

Distingue entre los diferentes tipos de conexión de circuitos resistivos.

128

Un circuito es un sistema eléctrico en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial. Un foco que se conecta a una pila por medio de un conductor, es un circuito simple. Un circuito simple consta de una diferencia de potencial o voltaje (V), corriente eléctrica (I) y una resistencia (R). El circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica (I) circula en todo el sistema y estará abierto cuando no circula por él. Para abrir o cerrar un interruptor se emplea un interruptor. Circuito en serie: Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente. Circuito en paralelo: Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión. Circuito mixto: es cuando los elementos conductores se conectan tanto en serie como en paralelo. Circuito eléctrico: Consiste en un foco o bombilla, conectado a una batería. De la terminal negativa fluyen electrones a la terminal positiva a través del filamento del foco. La batería proporciona energía que produce el flujo de cargas por todo el circuito.

Resistores en serie y en paralelo: Los resistores se pueden conectar en un circuito de dos maneras, y su resistencia total o equivalente será también diferente. Resistores en serie: En este circuito los resistores se encuentran interconectados en una semejante rama, uno después del otro. La resistencia total es igual a la suma de cada una de las resistencias. De tal manera que: Re = resistencia equivalente en ohms (Ω) Re = R1 + R 2 + R3 Donde R1, R 2 y R3 resistencias de la conexión.

129

Resistores en paralelo: En este caso los resistores se hallan en distintas ramas, y sus extremos se unen en un idéntico punto. De tal manera que la inversa de la resistencia equivalente es igual a la suma de las inversas de cada una de las resistencias. De tal manera que: Re = resistencia equivalente en ohms (Ω) 1/Re = 1/ R +1/ R 2 +1/ R 2 Donde R1, R 2 y R3 resistencias de la conexión.

Conexiones mixtas de resistencias: Cuando se tiene una conexión mixta de resistencias, estando agrupadas tanto en serie como en paralelo. La forma de resolver matemáticamente estos circuitos es calculando parte por parte las resistencias equivalentes de cada conexión, ya sea en serie o en paralelo, de tal manera que se simplifique el circuito hasta hallar el valor de la resistencia equivalente.

130

1. Determina la resistencia equivalente en serie y en paralelo, para la conexión de tres resistores, si sus valores son: R1 = 3 Ω, R 2 = 6 Ω y R3 = 9 Ω.

2. Determina la resistencia total de la conexión mixta mostrada en la figura: R1 = 2 Ω; R2 = 3 Ω; R3; = 6 Ω; R4 = 4 Ω.


Re = ¿? R1 = 3 Ω R2 = 6 Ω R3 = 9 Ω

serie Re = R1 + R2 + R3

paralelo 1/Re = 1/ R1 + 1/ R 2 + 1/ R3

Serie Re = 3 Ω + 6 Ω + 9 Ω

Paralelo 1/Re = 1/3 Ω + 1/6 Ω + 1/9 Ω = 11/18 Ω Re = 18 Ω/11

Re = 18 Ω

Re = 1.64 Ω


Rt = ¿? R1 = 2 Ω R2 = 3 Ω R3; =6 Ω R4 = 4 Ω

Re en paralelo = 1/Re = 1/ R2 + 1/ R 3

Re en serie = Rt = R1 + Re + R3

Paralelo 1/Re = 1/3 Ω + 1/6 Ω

Serie Rt = 2 Ω + 2 Ω + 6 Ω

Re = 2 Ω

Rt = 8 Ω

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica las resistencias en serie, paralelas y mixtas.

Sesión

48

131

1. Dos resistores de 8 y 12 Ω, se conectan entre sí. Encuentra la resistencia equivalente: a) Conectados en serie b) conectados en paralelo.

2. Calcula la resistencia equivalente de tres resistores de 15, 25 y 35 Ω, conectados en: a) Serie y b) Paralelo. Dibuja el diagrama para cada caso.



Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve los siguientes ejercicios de resistencias en serie, paralelas y mixtas.

Ejercicio 7

132

1. Encuentra la resistencia equivalente de tres resistores de 8 Ω conectados en paralelo, determina la corriente en cada resistencia si una diferencia de potencial de 68 V se aplica a la combinación.

2. Encuentra la resistencia equivalente de cuatro resistencias de 50 Ω conectadas en paralelo,

hallar el valor de la corriente en cada resistencia cuando se aplica a la combinación una diferencia de potencial de 12 V.




Tarea 7

133

3.2.4 Potencia eléctrica.

Definición: Es la rapidez con que se realiza un trabajo para mover una carga eléctrica a través de un conductor en un circuito; y está determinada por:

P = V * I o bien, P = V2/R, donde:

P = potencia eléctrica en Watts (Volt X Ampere) o J/s V = diferencia de potencial o voltaje en Voltios (V) I = intensidad de la corriente eléctrica en Amperes (A)

Aplicando la Ley de Ohm tenemos que: P = I2R

1. Una lámpara de 100 Watts está conectada a una diferencia de potencial de 120 Voltios.

Determina la resistencia del filamento y la intensidad de corriente.

2. Encuentra la potencia eléctrica de un tostador cuya resistencia es de 50 Ω y por ella circula una corriente de 5 A.


P = 100 Watts V = 120 Voltios I = ?

I = P / V R = V2/P

I = 100 Watts/120Voltios

R = (120V)2/100W

I = 0.83 A

R = 144 Ω


P = ? R = 50 Ω I = 5 A

P = I2. R

P = (5 A)2 (50 Ω)

P = 1250 W

Sesión

49

Utiliza modelos matemáticos para expresar la potencia eléctrica Resuelve ejercicios aplicando la ecuación de la potencia eléctrica Trabaja de manera colaborativa y responsable.

En plenaria realiza una lluvia de ideas acerca de los conocimientos que

tengan del tema.

En estos ejemplos se aprecia dónde y cómo se aplica la potencia eléctrica.

134

1. Un foco de 85 watts está conectado a una diferencia de potencial de 120 V. Determina la

resistencia del filamento y la intensidad de corriente que pasa por el foco.

2. Si una corriente de 0.20 A, fluye en un resistor de un circuito con una fuente de 80 V de

voltaje. ¿Cuál es la resistencia del resistor y cuánta potencia se disipa por el resistor?



Apóyate en los ejemplos anteriores y resuelve los siguientes ejercicios de potencia eléctrica.

Ejercicio 8

135

1. ¿Cuál es la potencia cuando 110 Volts hacen pasar 2 Amperes de corriente a través de un dispositivo?

2. ¿Cuál es la corriente cuando se conecta una lámpara de 70 Watts en 120 Volts?

3. Una corriente de 8 A fluye a través de una resistencia de 300 W durante 1 hora ¿Cuál es la potencia disipada?

4. Una lámpara eléctrica tiene un filamento de 60 Ω conectado a una línea de 110 V. ¿Cuánta corriente pasa por el filamento? ¿Cuál es la pérdida de potencia en Watts?

5. Un foco de 100 W se conecta a un enchufe cuya diferencia de potencial es de 110 V. Calcula la resistencia del filamento y la intensidad de la corriente que pasa por el filamento.







Tarea 8

136

I. Coloca dentro del paréntesis V (verdadero) o F (Falso) según corresponda.

( ) La palabra electricidad proviene del vocablo griego elektron, que significa ámbar.

( ) La carga eléctrica es una propiedad que tienen los protones y los electrones.

( ) La unidad de potencial eléctrico es el Ampere.

( ) Las cargas eléctricas de diferente signo se rechazan y las de igual signo se atraen.

( ) Los cuerpos se pueden electrizar por frotamiento, contacto e inducción.

( ) El electroscopio posibilita detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo.

( ) Un cuerpo adquiere carga eléctrica cuando gana o pierde electrones.

( ) Son unos ejemplos de materiales conductores el vidrio, la madera, los plásticos y el papel.

( ) El campo eléctrico es la zona que rodea a toda carga eléctrica, corriente eléctrica y ley de Ohm.

II. Subraya la opción correcta.

1. El trabajo realizado para mover una carga q1 dentro de un campo eléctrico, se transforma en:

A) Ep B) Ec C) Potencia D) Rozamiento

2. Es el dispositivo usado para almacenar cargas eléctricas:

A) Resistencia B) Condensador C) Conductor D) Interruptor

3. Es el trabajo necesario para mover una carga de un punto a otro dentro de un campo eléctrico.

A) Potencial B) Energía C) Ep D) Ec

4. Dispositivo que convierte energía química en eléctrica.

A) Generador B) Resistencia C) Condensador D) Batería

5. La unidad del potencial eléctrico es el….

A) Ohm B) Coulomb C) Ampere D) Voltio

6. Cantidad de cargas que pasan por el área de la sección transversal de un alambre en un segundo.

A) Intensidad B) Voltaje C) Capacitancia D) Potencial eléctrico

7. La oposición que presentan los conductores al paso de las cargas es:

A) Voltaje B) Capacitancia C) Resistencia D) Intensidad

Sesión

50

Nombre ________________________________________________

Grupo ________________________ Turno ___________________

Fecha _________________________________________________

Autoevaluación

137

Bloque IV Relaciona la

electricidad y

el magnetismo

138

COMPETENCIAS

Diferencia entre imanes naturales y artificiales, así como entre materiales ferromagnéticos,

diamagnéticos y paramagnéticos.

Utiliza las líneas de fuerza magnética para representar el campo magnético generado por imanes en formas de barra, circulares, herradura, etc.

Diferencia entre interacciones gravitatorias, eléctricas y magnéticas.

Aplica la regla de la mano derecha para determinar la dirección y sentido del campo magnético generado por una corriente eléctrica.

Describe las características del campo magnético generado por una corriente eléctrica.

Relaciona el magnetismo con la electricidad a través de experimentos sencillos.

Comprende las leyes del electromagnetismo que describen el comportamiento de la corriente eléctrica y los campos magnéticos.

Comprende el funcionamiento de un motor, un generador eléctrico y un transformador, a partir de los conceptos y leyes del electromagnetismo.

TEMARIO

4.1 Comprende el origen del magnetismo; así como los tipos de imanes y tipos de materiales según su magnetividad utilizados en su entorno.

4.1.1 Explica de manera oral y escrita los conceptos básicos del electromagnetismo utilizados en su entorno.

4.1.2 Explica el comportamiento de la tierra como un enorme imán que sucede en su entorno

4.2 Analiza y resuelve problemas a partir de los conceptos y leyes del electromagnetismo aplicándolos en su vida diaria.

4.2.1 Analiza conceptos de electromagnetismo comprendiendo los fenómenos físicos que suceden en su contexto.

4.2.2 Resuelve problemas para calcular campos magnéticos: en un alambre recto, una espira y un solenoide y su aplicación en la vida diaria.

4.2.3 Explica la Inducción electromagnética y su relevancia en la electrificación sucedida en su entorno.

4.2.4 Describe el funcionamiento de un motor eléctrico, un generador eléctrico y un transformador eléctrico a partir de los conceptos y leyes del electromagnetismo aplicándolos en su contexto.

4.2.5 Analiza el Impacto social, cultural y ambiental de las contribuciones de la física: riesgos y beneficios que suceden en su entorno.

139

4.1 Comprende el origen del magnetismo; así como los tipos de imanes y tipos de materiales según su magnetividad utilizados en su entorno.

4.1.1 Identifica los antecedentes históricos más importantes en el desarrollo del electromagnetismo: Hans Cristian Oersted, Michael Faraday, André-Marie Ampere, George Simon Ohm, James Clerk Maxwell.

1. ¿Qué es el magnetismo? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Define qué es el campo magnético

___________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Cuántos tipos de imanes conoces? ¿Cuáles son?

______________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

4. ¿Cómo podrías demostrar la presencia de un campo magnético? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Qué diferencias hay entre la electricidad y el magnetismo?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. ¿Cómo puedes ayudar a generar conciencia entre tus amigos y conocidos en cuanto

al ahorro de energía en el hogar, la escuela y la vía pública? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________


Sesión

51

Identifica los antecedentes históricos más importantes del electromagnetismo.

Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita. Utiliza los conceptos y leyes del electromagnetismo para explicar

fenómenos naturales de origen electromagnético.

140

Concepto de magnetismo y su desarrollo histórico

Las dos fuerzas fundamentales que son responsables del trabajo de todos los equipos eléctricos y electrónicos son la fuerza eléctrica y la magnética. Los imanes o los efectos magnéticos, se utilizan hoy en día en casi la totalidad de los circuitos electrónicos. Aunque la mayoría de los aparatos que utilizan las fuerzas magnéticas son de origen relativamente reciente, los aspectos más fundamentales del magnetismo son tan antiguos como la historia misma.

El magnetismo es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, níquel y cobalto. El término magnetismo proviene de Magnesia, una provincia de Grecia, donde hace más de 2000 años fueron encontradas piedras con la propiedad de atraer metales, los antiguos griegos se toparon con estas piedras negra que atraían sus objetos metálicos (conceptos de electricidad estática y magnetismo). La primera persona que estudió los fenómenos magnéticos fue Tales de Mileto y descubrió que una pequeña porción del mineral servía para orientarse, pues al sostenerla con un hilo siempre apuntaba hacia el norte de la isla. La piedra mágica recibió el nombre de imán y hoy en día sabemos que es un óxido ferroso diférrico (Fe304) llamado por sus propiedades magnetita.

Los chinos no se quedaron atrás y a ellos se atribuye el perfeccionamiento de la navegación marítima al crear la brújula magnética que definía el norte absoluto.

Hacia finales del siglo XVI el médico de la reina Isabel de Inglaterra, William Gilbert (1544-1603) creó, en forma artificial, imanes al frotar un trozo de hierro con magnetita, y estableció empíricamente que la orientación del imán obedece a que la Tierra toda se comporta como un gran imán. De esta forma denominó polo norte y polo sur a los extremos del imán. Otro de sus experimentos le permitió comprobar que si fraccionamos un imán, las secciones resultantes siempre tendrán sus respectivos polos; también observó en ellos el mismo comportamiento que en las cargas eléctricas: polos distintos se atraen y polos iguales se repelen.

El magnetismo es el resultado del movimiento de los electrones en los átomos de las sustancias. Por tanto el magnetismo es una propiedad de la carga en movimiento y está estrechamente relacionado con el fenómeno eléctrico. De acuerdo con la teoría clásica, los átomos individuales de una sustancia magnética son, en efecto, diminutos imanes con polos norte y sur.

La polaridad magnética de los átomos se basa principalmente en el espín de los electrones y se debe sólo en parte a sus movimientos orbitales alrededor del núcleo.

Los átomos en un material magnético están agrupados en microscópicas regiones magnéticas a las cuales se aplica la denominación de dominios. Se piensa que todos los átomos dentro de un dominio están polarizados magnéticamente a lo largo de un material no magnetizado, estos dominios se orientan en direcciones al azar. Si un gran número de dominios se orientan en la misma dirección el material mostrará fuertes propiedades magnéticas.

141

Concepto de electromagnetismo y su desarrollo histórico

El experimento de Hans Cristian Oersted en 1820 marcó la pauta para el desarrollo de la producción de energía eléctrica asociando al magnetismo con la electricidad. André-Marie Ampere modificó las condiciones del experimento sustituyendo el conductor recto por una bobina (o arrollamiento) y se intensificó la magnitud del campo magnético. Basado en esa experiencia formuló una ley sobre el electromagnetismo ‒ley de Ampere‒ en la cual señala la relación básica que existe entre la corriente eléctrica y el surgimiento de un campo electromagnético. Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry (1787-1878) en los Estados Unidos llegaron a la misma conclusión: Es posible generar electricidad en grandes cantidades

pues no se necesita una fuente de energía, es suficiente con mover el magneto dentro del conductor arrollado para producir o inducir un voltaje, y a medida que se incrementa el número de espiras aumenta el voltaje.

La inducción magnética que Faraday encontró en forma experimental es la base para el funcionamiento de las grandes máquinas eléctricas que proveen de energía a nuestros hogares. Mientras, los experimentos de Joseph Henry lo llevaron a observar que si deja de circular corriente desaparece el campo magnético de una barra de hierro. De esta manera creó el electroimán, que es una parte indispensable en el motor eléctrico.

Electroimán: Arrollamiento de cable o bobina sobre un núcleo de hierro que genera un campo magnético cuando por él circula una corriente eléctrica.

Cuando alrededor de 1825 Ohm inició sus primeros trabajos, se dedicó a estudiar la fuerza electromagnética que se produce por el flujo de corriente eléctrica en un alambre, y encontró que su intensidad es proporcional a la longitud del conductor; esto finalmente le propició enunciar la ley que lleva su nombre y dar inicio al estudio matemático de los fenómenos eléctricos. El físico y matemático escocés Maxwell profundizó en los estudios que realizó Faraday sobre los campos electromagnéticos y estableció en forma matemática la relación existente entre los campos magnéticos y los campos eléctricos por medio de las hoy llamadas ecuaciones de Maxwell, las cuales permitieron la invención de la radio y del telégrafo.

El electromagnetismo es la parte de la física que se encarga de estudiar la interrelación entre magnetismo y electricidad y todos los fenómenos que se le asocian.

Ejercicio 1

Elabora una línea de tiempo de los antecedentes históricos del magnetismo y electromagnetismo. Anotando el orden cronológico y las principales aportaciones que establecieron. Comenta en plenaria con tus compañeros la información obtenida y elabora en equipo de tres personas un resumen y exponlo ante el grupo. Llévenlas a cabo con un espíritu de colaboración, responsabilidad, respeto y trabajo en equipo.

142

4.1.2 Establece las características de los imanes y de las interacciones magnéticas.

Coloca en el círculo la opción que consideres correcta.

1. Un imán puede: a. Atraer o repeler a otro imán. b. Repeler y atraer a otro imán. c. Atraer y/o repeler a otro material magnético. d. Cargar eléctricamente un material.

2. La sustancia que se magnetiza por frotamiento es: a. Un imán artificial. b. Un electroimán. c. Un imán natural. d. Un imán permanente.

3. El estudio de la atracción y repulsión de cuerpos imantados corresponde a: a. El magnetismo. b. La electrodinámica. c. El electromagnetismo. d. La electrostática.

Il. Responde con tus palabras.

1. Indica en qué forma el campo magnético es beneficioso para el ser humano. ____________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Cómo funcionan las brújulas? _________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Cómo se les llama a los polos de un imán? ______________________________________ ____________________________________________________________________________


Identifica las características de los imanes. Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita. Identifica los tipos de materiales según su magnetividad utilizados

en su entorno

Sesión

52

143

Todos hemos experimentado de una u otra forma la acción de un campo magnético, pero… ¿Sabes cómo se encuentran en la naturaleza los imanes? Al igual que muchos otros materiales podemos encontrar el numeral magnético en la naturaleza en forma de rocas, las cuales al ser tratadas de una manera específica dan origen a los imanes comunes que conocemos. Aunque el comportamiento de los imanes es similar al de las cargas eléctricas, sucede que en ellos encontramos un polo positivo y otro negativo confinados en una forma geométrica única, de tal manera que el flujo finalmente se anula; esto es fundamental para las aplicaciones que hoy en día conocemos y que hacen más confortable un sinnúmero de actividades cotidianas que realizamos.

Tipos de Imanes

Los imanes se pueden clasificar de la siguiente manera:

Naturales. Son todos aquellos minerales que contienen Óxido de Hierro natural, lo que les confiere propiedades magnéticas.

Artificiales. Conocidos también como materiales ferromagnéticos, ya que son aleaciones de metales con hierro que pueden ser imantadas en forma artificial al colocar el material en contacto directo con un imán o bien al colocar la aleación al interior de una bobina, por la que circula una corriente eléctrica. Dependiendo del grado de imantación se dice que los imanes artificiales pueden ser:

Temporales. A pesar de que se sujetan por largo tiempo al proceso de imantación, pierden rápidamente sus propiedades magnéticas, como es el caso del hierro dulce o del aluminio, en los que se observa que la imantación puede ocurrir en el mismo sentido del campo que produce el magnetismo. De esta forma se dice que el material es paramagnético o, en sentido inverso, diamagnético (ejemplo de éstos son el antimonio y el oro, que al ser imantados quedan con sus polos invertidos y en vez de ser atraídos por otros imanes son repelidos).

Permanentes. Conservan sus propiedades magnéticas durante largos periodos, incluso después de no estar bajo la influencia de un campo inductor, tal como sucede con las aleaciones de níquel con aluminio, hierro con cobalto o con cromo y, en general, todos los tipos de acero.

144

Clasificación de los materiales de acuerdo a sus propiedades

Ferromagnéticos. Producen un campo magnético de alta intensidad por sí mismos, la configuración atómica se caracteriza por formar pequeños imanes cuya orientación general permite que el total del campo se manifieste atrayendo a otros materiales cuyos componentes básicos incluyen a metales como el hierro, el níquel y el cobalto. Cuando entran en contacto con otro tipo de materiales pueden inducir un campo magnético cuya intensidad depende de factores diversos.

Paramagnéticos. Su estructura molecular no presenta la misma disposición geométrica, por lo que los campos magnéticos de cada átomo finalmente son nulificados, por ello, cuando se sujetan a la acción de un campo magnético de alta intensidad se induce un campo que se orienta según la dirección del campo inductor. Ejemplo: el aluminio y el paladio.

Diamagnéticos. No poseen una estructura atómica que permita que los átomos formen pequeños imanes, aunque el material se someta a la acción de un campo magnético inductor, la imantación que se produce es débil y las propiedades magnéticas desaparecen rápidamente. Se puede observar que la orientación de un material diamagnético es perpendicular al flujo del campo magnético producido por el inductor. El plomo y la plata son buenos ejemplos de materiales diamagnéticos.

Sesión

53

De acuerdo con las instrucciones de tu profesor(a) realiza en tu cuaderno una nueva lectura referente a los subtemas:

• Características de los imanes y de las interacciones magnéticas

• Concepto de campo magnético y su representación gráfica por medio de líneas de fuerza magnética

• Elabora en tu cuaderno un mapa conceptual en los que se visualicen los conceptos involucrados.

Ejercicio 2

145

1. Menciona que diferencias encuentras entre los imanes naturales y artificiales. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué materiales son atraídos por los imanes? (por lo menos 5) ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Qué sucede al acercar dos imanes por los polos opuestos? ¿Y por el mismo polo? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Si un imán lo pudieras cortar por la mitad, cada una de las partes, ¿Tiene uno o dos polos? ____________________________________________________________________________

5. Explica cuáles son los materiales FERROMAGNÉTICOS ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Explica cuáles son los materiales PARAMAGNÉTICOS ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7. Explica cuáles son los materiales DIAMAGNÉTICOS ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8. La sustancia magnética natural es la: ___________________________________________

9. A las parejas de polos magnéticos se les llama: ___________________________________

10. Es la propiedad de los imanes, dada para construir brújulas: ________________________

11. El espacio que rodea un imán donde tiene una influencia magnética, es: _______________

12. Un material que se obtiene por una aleación, con mejores propiedades magnéticas que el hierro, es el: __________________________________________________________________

13. ¿Qué sucede si acercamos una varilla de hierro a una barra de imán? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

14. Las sustancias magnéticas se clasifican en: ___________, ____________ y ____________

15. ¿Qué sustancia es un ejemplo de material diamagnético? ___________________________

Ejercicio 3

Realiza la siguiente actividad y comenta en la plenaria con respeto y en forma colaborativa las respuestas a las siguientes preguntas:

146

4.1.3 Explica el comportamiento de la tierra como un enorme imán que sucede en su entorno

1. El ángulo formado entre los ejes magnéticos y terrestres se llama:

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

2. ¿Por qué la tierra es considerada como un enorme imán? ____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

3. ¿Cuántos polos existen en la tierra y dónde están localizados? ____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________


Sesión

54

Explica el comportamiento de la tierra como un enorme imán. Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita. Explica la Declinación Magnética.

147

El campo magnético terrestre

La Tierra se comporta como un enorme imán. El físico y filósofo natural inglés William Gilbert fue el primero que señaló esta similitud en 1600, aunque los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado mucho antes en las brújulas primitivas.

El magnetismo de la Tierra es el resultado de una dinámica, ya que su núcleo de hierro de la Tierra no es sólido.

Por otra parte, en la superficie terrestre y en la atmósfera se generan diversas corrientes eléctricas producidas por diversas causas, además de un intercambio constante de electricidad entre el aire y la Tierra.

La Tierra posee un poderoso campo magnético, como si el planeta tuviera un enorme imán en su interior cuyo polo sur estuviera cerca del polo norte geográfico y viceversa. Aunque los polos magnéticos terrestres reciben el nombre de polo norte magnético (próximo al polo norte geográfico) y polo sur magnético (próximo al polo sur geográfico), su magnetismo real es el opuesto al que indican sus nombres.

Las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestran notables cambios de año en año. Cada 960 años, las variaciones en el campo magnético de la Tierra incluyen el cambio en la dirección del campo provocado por el desplazamiento de los polos. El campo magnético de la Tierra tiene tendencia a trasladarse hacia el Oeste a razón de 19 a 24 km por año.

Electricidad Terrestre

Se conocen tres sistemas eléctricos generados por procesos naturales. Uno está en la atmósfera. Otro está dentro de la Tierra, fluyendo paralelo a la superficie, y el tercero, que traslada carga eléctrica entre la atmósfera y la Tierra, fluye en vertical. La electricidad atmosférica es el resultado de la ionización de la atmósfera por la radiación solar y a partir del movimiento de nubes de iones. Estas nubes son desplazadas por mareas atmosféricas, que se producen por la atracción del Sol y la Luna sobre la atmósfera. Suben y bajan a diario, como ocurre en el mar. La ionosfera constituye una capa esférica casi perfectamente conductora.

Las corrientes de la Tierra constituyen un sistema mundial de ocho circuitos cerrados de corriente eléctrica distribuidos de una forma bastante uniforme a ambos lados del ecuador, además de una serie de circuitos más pequeños cerca de los polos. La superficie de la Tierra tiene carga eléctrica negativa. La carga negativa se consumiría con rapidez si no se repusiera de alguna forma.

Se ha observado un flujo de electricidad positiva que se mueve hacia abajo desde la atmósfera hacia la Tierra. La causa es la carga negativa de la Tierra, que atrae iones positivos de la atmósfera. Al parecer, la carga negativa se traslada a la Tierra durante las tormentas y el flujo descendente de corriente positiva durante el buen tiempo se contrarresta con un flujo de regreso de la corriente positiva desde zonas de la Tierra con tormentas.

148

Declinación Magnética

La declinación magnética en un punto de la Tierra es el ángulo comprendido entre el norte magnético local y el norte verdadero (o norte geográfico). En otras palabras, es la diferencia entre el norte geográfico y el indicado por una brújula (el denominado también norte magnético). Por convención, la declinación es considerada de valor positivo cuando el norte magnético se encuentra al este del norte verdadero, y negativa si se encuentra al oeste.

El término variación magnética es equivalente al de declinación y es empleado en algunas formas de navegación, entre ellas la aeronáutica. Las curvas de igual valor de declinación magnética se denominan curvas Isotónicas; entre ellas, aquéllas que poseen un valor nulo se denominan curvas agónicas (una brújula ubicada en una posición comprendida en una curva agónica apuntará necesariamente al norte verdadero, ya que su declinación magnética es nula).

Cambio de la declinación en el tiempo y en el espacio

La declinación magnética no es siempre de igual valor; depende del lugar en el que se ubique, llegando a variar sensiblemente de un lugar a otro. Por ejemplo, un viajero que se mueva desde la costa Oeste de Estados Unidos a la costa Este puede sufrir una variación de la declinación magnética de entre veinte y treinta grados. El valor de la declinación magnética varía, además, a lo largo del tiempo. De esta forma, por ejemplo, una brújula colocada en el centro de Padua en 1796 no marca el mismo valor que si se coloca exactamente en el mismo sitio en la actualidad.

En la mayoría de los lugares la variación es debida al flujo interno del núcleo de la tierra. En algunos casos se debe a depósitos subterráneos de hierro o magnetita en la superficie terrestre, que contribuyen fuertemente a la declinación magnética. De forma similar, los cambios seculares en el flujo interno del núcleo terrestre hacen que haya un cambio en el valor de la declinación magnética a lo largo del tiempo en un mismo lugar.

La declinación magnética en un área dada cambia muy lentamente dependiendo de lo alejado que se encuentre de los polos magnéticos, y puede llegar a mostrar una velocidad de cambio de entre 2 y 25 grados por cada cien años. Este cambio, que resulta insignificante para la mayoría de los viajeros, puede ser importante para los estudios de los viejos mapas.

1. Reunidos en equipos de trabajo investiguen de qué manera se orienta la tripulación de un barco, de un avión y un excursionista.

2. Busquen cuáles son los tipos de brújula y sistemas de navegación (u orientación) que se utilizan hoy en día y propongan un dispositivo que supere a los actuales.

3. Realicen una exposición oral para compartir la información con el resto del grupo.

Pueden utilizar diagramas y mapas mentales.

Ejercicio 4

149

4.2 Analiza y resuelve problemas a partir de los conceptos y leyes del electromagnetismo aplicándolos en su vida diaria.

4.2.1 Analiza conceptos de electromagnetismo comprendiendo los fenómenos físicos que suceden en su contexto.

1.- Mediante una presentación visual hecha por el profesor demuestra la aplicación que tiene la corriente eléctrica en la vida cotidiana, construyendo un electroimán frente al grupo (como se observa en la figura 1), necesitamos una batería de 9 voltios, un clavo grande, cable fino y cinta aislante.

Sesión

55

Dinámica: construyendo un imán.

Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita. Analiza el concepto de electromagnetismo Utiliza las leyes del electromagnetismo para comprender los

fenómenos naturales de su contexto.

150

2.- Solicita a los alumnos que por equipo observen el electroimán y que acerquen distintos tipos de materiales metálicos, tales como: sujetapapeles, clavos, limaduras de hierro, etc. 3.- Después de haber observado y comprobado el fenómeno, se les pide a los alumnos que contesten las siguientes cuestiones: a. ¿Qué le sucedió a los materiales metálicos cuando lo acercaste al electroimán?

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

b. ¿Qué pasa si un material previamente acercado al electroimán se acerca a otros materiales

metálicos?

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

c. Si se quita la pila al electroimán, ¿Qué ocurre, ahora con los objetos que acercan?

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

d. ¿Qué equipos conoces en la cual se pueda aplicar este fenómeno?

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

151

En 1820, el profesor de Física danés Hans Christian Oersted descubrió en forma casual una clase, que cerca de un cable por el que circulaba eléctrica la aguja de una brújula se desviaba de la dirección norte-sur. A partir de esta experiencia, concluyó que el magnetismo no solo es causado por los imanes sino que también puede ser producido por la corriente eléctrica. Este hecho se conoce como el efecto Oersted y fue el primer paso que conectaba la electricidad y el magnetismo, en un área que posteriormente se llamó electromagnetismo.

Poco tiempo después, el francés André-Marie Ampère descubrió que, así como dos imanes pueden atraerse o repelerse entre sí, dos corrientes eléctricas también interactúan magnéticamente. Planteó además que el magnetismo natural era producido por pequeñas corrientes eléctricas que actuaban a nivel molecular. Al mismo tiempo, Michael Faraday empezó a desarrollar ideas sobre la teoría de campos, concluyendo que se pueden generar corrientes eléctricas a partir de campos magnéticos variables.

El aporte que cerró el círculo fue hecho por James Clerk Maxwell, quien en la década de 1860 descubrió que era posible generar campos magnéticos a partir de campos eléctricos variables. Todos estos estudios permitieron establecer que la electricidad y el magnetismo son fenómenos íntimamente relacionados, siendo, en realidad, dos aspectos diferentes derivados de una misma propiedad de la materia: la carga eléctrica.

1831, el físico estadounidense Joseph Henry mejoró el diseño de Sturgeon; empleó alambre de cobre aislado con seda (de una de las enaguas de su esposa) y lo enrolló alrededor de la barra en varias capas, con lo que aumentaba enormemente la fuerza del imán. El electroimán constituyó la base de gran número de máquinas eléctricas posteriores.

Los descubrimientos de Ampère y Faraday tuvieron inmediatas aplicaciones prácticas que cambiaron la faz de la civilización moderna. Usando el descubrimiento de Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético en el espacio alrededor del cable que la conduce, tanto Ampère como Arago lograron magnetizar agujas de hierro. Lo hicieron de la siguiente forma: enrollaron un cable alrededor de la aguja y luego conectaron los extremos de aquél a una batería. Al pasar la corriente por el cable crea un campo magnético en el espacio dentro de la bobina; este campo magnético a su vez magnetiza la aguja. De la misma forma que un imán permanente magnetiza una limadura de hierro.

En 1825 el inglés William Sturgeon (1783-1850) enrolló 18 espiras de alambre conductor alrededor de una barra de hierro dulce, que dobló para que tuviera la forma de una herradura (Figura 9). Al conectar los extremos del cable a una batería el hierro se magnetizó y pudo levantar un peso que era 20 veces mayor que el propio. Este fue el primer electroimán, es decir, un imán accionado por electricidad.

Años después, en 1829, el estadounidense Joseph Henry (1797-1878) construyó una versión mejorada del electroimán. Para ello enrolló en una barra de hierro dulce espiras en forma mucho más apretada y en un número mayor; de esta manera logró una mayor intensidad magnética.

El electroimán se comporta de forma equivalente a un imán permanente, con la ventaja de que su intensidad se puede controlar, ya sea cambiando la corriente que se le hace circular o variando el número de espiras de la bobina. Además, al cesar la corriente, cuando se desconecta la batería, desaparece el efecto magnético.

Se pueden encontrar electroimanes en numerosas aplicaciones de la vida cotidiana, desde relés que permiten controlar circuitos, hasta grandes grúas para cargar chatarras.

Sesión

56

152

Cuando se tienen cargas eléctricas en movimiento, aparece asociado un campo magnético, que es de la misma naturaleza que los que proporcionan los imanes permanentes.

La Tierra tiene su propio campo magnético que es capaz de orientar a las brújulas. Las brújulas no son más que pequeños imanes que pueden girar y orientarse libremente.

Es fácil demostrar la existencia de campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas. Para ello, en las proximidades de una brújula, se coloca una bobina de hilo de cobre barnizado, formando un circuito con una pila y un interruptor que permitirá que pase la corriente o no. El empleo de la electricidad y el magnetismo para generar energía eléctrica y transmitirla han permitido el diseño y la construcción de las máquinas eléctricas que permiten dar movimiento a sistemas electromecánicos complejos; además, el avance cotidiano en estos campos ha conducido a la comunicación inalámbrica, la certificación de construcciones metálicas y otras tantas aplicaciones que han sido incluso, en algunos casos, calificadas como engaño, siendo una de ellas las terapias de energía biomagnética.

Ejercicio 5

1.- Mediante una investigación bibliográfica individual, identifica y define los conceptos: electromagnetismo, aplicaciones en transformadores, motores, generadores de automóvil y bocinas.

2.- Elabora un cuadro sinóptico de las ideas principales de la investigación anterior.

3.- Elabora un mapa conceptual acerca de las escalas termométricas. Evalúa la actividad con la rúbrica de mapa conceptual del final del módulo.

153

4.2.2 Resuelve problemas para calcular campos magnéticos: en un alambre recto, una espira y un solenoide y su aplicación en la vida diaria.

Experimento de Oersted

1. Utiliza una batería de 9V, un trozo de alambre de cobre grueso y una brújula. 2. Ubiquen la brújula sobre la mesa y el alambre recto sobre ella apuntando en la dirección

norte-sur. 3. Conecten ahora la batería a los extremos del alambre y respondan las siguientes preguntas: a) ¿Hacia dónde se desvía la aguja de la brújula?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿El campo magnético generado es paralelo o perpendicular al alambre? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿Qué sucederá si se invierte el sentido de la corriente? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita. Aplica la regla de la mano derecha para determinar la dirección y

sentido del campo magnético generado por una corriente eléctrica. Diferencia entre los campos magnéticos producidos por una espira, un

solenoide y un alambre recto.

Sesión

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Sigan atentamente las instrucciones. Puede formar equipos.

154

Campo magnético generado por una corriente eléctrica

Conductor recto

Consideremos un conductor recto que atraviesa un pedazo de papel en forma transversal y coloquemos limaduras de hierro sobre su superficie, al conectar los extremos libres del conductor a una batería observamos que las limaduras se orientan de acuerdo con el flujo de la corriente. Lo anterior obedece a que se ha creado un campo magnético y esto es precisamente lo que observó Oersted (figura 2).

Se genera un campo y entonces, ¿cómo sabemos si su efecto es fuerte o débil? Los trabajos realizados por Ampere a partir de los experimentos de Oersted lo llevaron a definir una ley que lleva su nombre, la ley de Ampere.

Ley de Ampere. La magnitud de la intensidad del campo magnético B, a una distancia d de un alambre recto y largo por el que circula una corriente eléctrica I, varia directamente con la intensidad I e inversamente con respecto a la distancia d. Esta ley se expresa de matemáticamente como:

Donde: B = Campo magnético en un punto determinado teslas (T)

µ0 = Permeabilidad del medio que rodea al conductor Tm/A

I = Intensidad de la corriente eléctrica, circula por el conductor en amperes (A) d = Distancia perpendicular entre el conductor y punto considerado en metros (m) El valor de µ0 en el vacío es de 4π x 10

–7 Tm/A.

Existe una manera sencilla de conocer la dirección del campo magnético provocado por una corriente en un conductor, que se conoce como regla de la mano derecha.

Regla de la mano derecha. Se toma el conductor con la mano derecha y se tiene cuidado de indicar con el pulgar el sentido de la corriente, cerrando los dedos restantes de modo que rodeen al conductor, se indica la dirección del campo magnético.

155

Espira

Si el conductor se dobla en forma circular, el campo magnético en torno a él debe de ser circular, como en el caso del conductor recto, sin embargo a cierta distancia del conductor la dirección del campo magnético se distorsiona (figura 4).

A la forma en que se dobló el conductor se le llama espira y si el circuito está compuesto de varias vueltas o espiras, entonces el campo será tantas veces mayor como el número de espiras.

Solenoide

Al enrollar un conductor compuesto de varias espiras, se forma una bobina de alambre de forma cilíndrica, a la que llamamos solenoide. El campo magnético que se forma en este caso está dirigido en líneas rectas a través del solenoide y es más intenso dentro de él que en la parte exterior. Un solenoide tiene un campo magnético paralelo a su eje, las líneas del flujo magnético están tan separadas fuera del solenoide provocando que el campo sea muy pequeño en torno a él (figura 5).

La intensidad del campo magnético en un solenoide por unidad de longitud, se obtiene con la siguiente ecuación:

Donde: B = inducción magnética en el interior de un solenoide en teslas (T)

I = Intensidad de la corriente eléctrica en amperes (A) N = Número de vueltas o de espiras de la bobina

µ = Permeabilidad del medio en el interior del solenoide, en Tm/A L = longitud del solenoide en metros (m)

156

1.- Determina el valor de la intensidad del campo magnético a una distancia de 0.25 m de un conductor recto muy largo por el que fluye una corriente de 20 A. Datos: I = 20 A d = 0.25 m µ0 = 4π x 10

–7 Tm/A

B = incógnita? Fórmula: Utilizamos la ecuación de la ley de Ampere: Operaciones: B = (4π x 10

–7 Tm/A) (20 A) 2* π *0.25m

Resultado. B = 1.6 x 10-5 T. 2.- Calcula la inducción magnética en un solenoide de 2 000 espiras y 75 cm de longitud, cuyo núcleo es de hierro fundido con μfe = 181 y en el que se hace circular una corriente de 3.3 A. Datos: N = 2000 espiras L = 75 cm I = 3.3 A μfe = 181 B = Incógnita? Fórmula: Operaciones: Convierte los 75 cm a metros. 75cm = 0.75 m Cálculo de la permeabilidad del hierro: µ = 181* (4 x π x 10-7 Tm/A)

µ =2.27 x 10-4 Tm/A Sustituye los datos en la fórmula. B = (2000)*(2.27 x 10-4 Tm/A)*(3.3A) 0.75 m B = 2 T Resultado: La densidad de flujo magnético es en este caso de 2 T.

EJEMPLO

S

Sesión

58

157

En equipo de dos o tres integrantes, determina la corriente que debe circular por un conductor para que la inducción magnética en un punto situado perpendicularmente a 25 cm de aquél sea de 25 T. Asume el valor de µ = 1.

Ejercicio 6

Sesión

59

1. ¿A qué distancia de un conductor recto existe una inducción magnética de 4 x 10-5 T si se encuentra en el aire y por el fluye una corriente de 5 A?

2. Por un solenoide de 325 espiras y de 20 cm de longitud circula una corriente de 9 A. Calcula la densidad de flujo magnético B cuyo núcleo es de acero y tiene una permeabilidad relativa μ de 12.

Esta actividad se revisará con la lista de cotejo de ejercicios.

Ejercicio 7

Dibuja el campo magnético producido por una espira, una bobina y un

solenoide.

Tarea 1

158

4.2.3 Explica la Inducción electromagnética y su relevancia en la electrificación sucedida en

su entorno.

Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Se comunica en forma oral y escrita. Conoce la inducción electromagnética. Comprende la importancia de la electrificación Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas.

Realiza un mapa mental sobre la importancia de la electricidad.

Sesión

60

MAPA MENTAL

159

Michael Faraday estableció en forma experimental que una corriente eléctrica era inducida por un campo magnético al mover un imán al interior de una bobina, o bien al dejar fijo el imán y mover la bobina. Como el movimiento relativo entre los elementos señalados es el mismo, invariablemente se inducirá la corriente eléctrica y además su sentido quedará definido según se acerque o se aleje el elemento móvil; si no hay movimiento, desaparece la corriente. Otro experimento del mismo tipo le permitió concluir que dependiendo de la velocidad con la que se movían los elementos se tenía una mayor o menor intensidad de corriente, de tal manera que concluyó que una fuerza electromotriz se induce en el circuito. A partir de sus experimentos, Faraday formuló la ley que lleva su nombre.

Ley de Faraday. Afirma que el voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del número de vueltas de la bobina por la rapidez con la que cambia el campo magnético al interior de la bobina.

Con el propósito de generar una gran intensidad de corriente, se dio a las bobinas un movimiento giratorio y esta es la base para el desarrollo de los equipos que permiten generar electricidad en grandes cantidades para que sea transportada a través de líneas de transmisión de alta tensión a las ciudades; de hecho en la actualidad se obtiene casi la totalidad de la energía eléctrica por el principio de la inducción electromagnética; los grandes generadores de electricidad utilizan este principio de funcionamiento, sin importar que la central eléctrica sea térmica, hidráulica, o nuclear.

Es importante tener siempre presente que la intensidad de la corriente se ve afectada además por las propiedades del conductor; según esto, una bobina de fibra plástica prácticamente no es útil en lo absoluto, aunque su costo sea mucho menor al de un conductor de cobre; por lo tanto, la resistencia que se genera en la propia bobina es fundamental, ya que quizá podemos generar el mismo voltaje empleando dos conductores diferentes, pero la intensidad y el flujo de la corriente pueden variar significativamente.

Los estudios realizados por Heinrich Friedrich Lenz (1804-1865) lo condujeron a formular la ley que lleva su nombre. Ley de Lenz. La variación de flujo magnético a través de una espira de conductor inducirá un voltaje en la espira de tal manera que la corriente producida tendrá un sentido que siempre se opondrá a la variación del flujo que la produce. Lo anterior ocurre porque si hubiera un aumento en la variación del flujo, la corriente inducida daría lugar a la creación de más corriente en forma ilimitada, situación que contradice el teorema de conservación de la energía.

Visita la página www.cfe.gob.mx/es/. Ingresa al botón “Conoce CFE” y generación de electricidad en México. Responde en tu cuaderno: 1. ¿Existen formas alternas de generar la energía en operación? 2. ¿Cómo puedes ayudar a generar conciencia entre tus amigos y conocidos en cuanto al

ahorro de energía en el hogar, la escuela y la vía pública?

Ejercicio 8

De manera individual resuelve la siguiente actividad. Se evaluará con lista

de cotejo de ejercicios.

160

4.2.4 Describe el funcionamiento de un motor eléctrico, un generador eléctrico y un transformador eléctrico a partir de los conceptos y leyes del electromagnetismo aplicándolos en su contexto

EJEMPLOS:

1.- __________________________________________________________________________

2.- __________________________________________________________________________

3.- __________________________________________________________________________

4.- __________________________________________________________________________

5.- __________________________________________________________________________

Menciona 5 ejemplos de aplicaciones de los motores eléctricos en

nuestra vida cotidiana.

Sesión

61

Identifica los componentes de un motor eléctrico, generador eléctrico y un transformador eléctrico

Comprende el funcionamiento de los aparatos electromecánicos Identifica las aplicaciones en la vida cotidiana del transformador, motor

y generador

161

Motores eléctricos

Un motor eléctrico es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica de rotación. Este dispositivo es similar, en cuanto a los componentes, a un generador eléctrico. El principio de funcionamiento en el cual está basado, parte también del experimento de Oersted. En este caso se coloca la bobina entre los polos de un imán y se hace circular una corriente eléctrica de tal manera que la bobina se transforma en un imán que, al entrar en contacto con los polos, provoca un movimiento de rotación en el eje de la bobina (figura 5). Así pues, tenemos que en general un motor está formado por el electroimán que va fijo a la carcasa y el rotor que contiene a la bobina giratoria. Existen motores de corriente directa y motores de corriente alterna, los primeros manejan una diferencia de potencial de 12 o 24 volts, mientras que los segundos emplean 110 o 120 volts (el más común es el de inducción, porque su costo es reducido en comparación con otros tipos de motores).

Clasificación de los motores eléctricos

Los motores eléctricos se pueden clasificar según la corriente empleada en: motores de corriente continua, motores de corriente alterna y motores universales (sirven para los dos tipos de corriente).

Los motores de corriente continua, a su vez se pueden clasificar según el tipo de excitación en: independiente, serie, derivación, compuesta y de imanes permanentes (el campo magnético lo producen imanes en lugar de electroimanes).

162

Los motores de corriente alterna se clasifican según los siguientes criterios: velocidad de giro (síncronos, asíncronos), tipo de rotor (bobinado, en cortocircuito o jaula de ardilla), número de fases (monofásicos —universales y de bobinado auxiliar y condensador— y trifásicos).

Transformador eléctrico

La energía se transporta mediante líneas de transmisión y es “acondicionada” a un valor específico para que podamos emplearla en nuestros hogares. El dispositivo que permite tal acondicionamiento es el transformador eléctrico y su funcionamiento es muy simple, pues se basa en el principio de la inducción mutua. Una bobina se conecta a una fuente de voltaje de corriente alterna (Vp) y otra bobina más, con un número diferente de espiras, se coloca próxima a la primera. Por el efecto de inducción magnética sucede que al cerrar el circuito se hace circular la corriente por la bobina, generando un campo magnético en el que la intensidad cambia por la alternancia de la corriente. La corriente inducida en la segunda bobina corresponde a la salida del dispositivo. La bobina a la que se conecta la fuente de alimentación se le denomina primario y a la otra, secundario, pues en ésta se induce la corriente. Los transformadores pueden emplearse para aumentar o reducir el voltaje en un circuito de corriente alterna; en el primer caso, se les dice transformadores de subida y en el segundo, de bajada. Es importante recalcar que el transformador puede aumentar o reducir el voltaje en el secundario, mientras que con la corriente sucede exactamente lo contrario, porque en el dispositivo no se modifica la frecuencia y la potencia eléctrica es la misma en el primario y en el secundario.

Generador eléctrico

El generador eléctrico se desarrolló sobre la base de hacer girar una bobina en un campo magnético estacionario, de esta forma la energía mecánica requerida para que gire la bobina se convierte en energía eléctrica. Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos. Esta trasformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos en una armadura. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica.

El desarrollo de los grandes generadores de energía eléctrica se debe a Nikola Tesla (1856-1943) y George Westinghouse (1846-1914), quienes fueron los pioneros en la construcción de las así llamadas turbo máquinas.

163

Características de la corriente directa y alterna

Cuando hablamos de que la corriente circula en un único sentido, estamos haciendo referencia a lo que se conoce como corriente continua o directa, y es el caso del conductor conectado a una batería. En el apartado anterior hacíamos referencia al hecho de que el movimiento del imán (o de la bobina) hacía que la corriente generada cambiara de sentido; el cambio del voltaje en la unidad de tiempo se conoce como frecuencia del voltaje y es en realidad la frecuencia con la que está cambiando el campo magnético dentro de la bobina. La alternancia de polos en el campo magnético es entonces lo que nos permite definir a la corriente alterna como el cambio de sentido en el movimiento de las cargas de la corriente eléctrica. La intensidad de la corriente parte de un valor nulo, alcanza un valor máximo positivo y empieza a disminuir hasta que nuevamente es nula, y entonces invierte su sentido para alcanzar un máximo negativo y después incrementarse hasta llegar de nuevo al valor cero. Este ciclo se repite en forma constante y por eso es posible emplear, por ejemplo, corrientes de 60 Hz de frecuencia (ciclos en cada segundo) a 120 volts, mientras que en los dispositivos de telecomunicaciones se emplean corrientes cuya frecuencia alcanza valores de más de 1 000 Hz. Por las características de la alternancia se requiere una corriente de 170 volts para que se tenga el mismo efecto térmico que produce una corriente directa de 120 volts; el valor eficaz de una corriente alterna equivale aproximadamente a 71% de la intensidad máxima. En nuestra vida cotidiana se emplea la corriente alterna porque es sencillo producirla en grandes cantidades mediante los generadores eléctricos.

El voltaje se puede ajustar al valor que sea necesario, en una aplicación específica, mediante el empleo de los transformadores, y así como el generador utiliza energía mecánica para producir energía eléctrica, el motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Pasemos ahora a describir cómo funcionan estas máquinas eléctricas, las cuales son fundamentales para el desarrollo de la mayor parte de nuestras actividades diarias.

164

Anota “transformador eléctrico” o “motor eléctrico”, según corresponda:

1. Permite que la energía se transporte mediante líneas de transmisión y sea “acondicionada” a un valor específico para que la podamos emplear en nuestros hogares. __________________________________________________________________________

2. Está formado por el electroimán que va fijo a la carcasa y el rotor que contiene a la bobina giratoria. __________________________________________________________________________

3. Puede emplearse para aumentar o reducir el voltaje en un circuito de corriente alterna. __________________________________________________________________________

4. Existen de corriente directa y de corriente alterna, los primeros manejan una diferencia de potencial de 12 o 24 volts, mientras que los segundos emplean 110 o 120 volts. __________________________________________________________________________

5. Su funcionamiento es muy simple y se basa en el principio de la inducción mutua. __________________________________________________________________________

6. El más común es el de inducción, porque su costo es reducido en comparación con otros. __________________________________________________________________________

7. Cuando aumenta o reduce el voltaje en un circuito de corriente alterna, se les dice de subida o de bajada, respectivamente. __________________________________________________________________________

8. Es similar, en cuanto a los componentes, a un generador eléctrico. __________________________________________________________________________

EJEMPLO

S

Las turbo máquinas transforman la energía mediante un movimiento de rotación continuo y son diferentes a los motores eléctricos, porque las de tipo motriz se emplean para transformar la energía mecánica de un fluido –líquido, vapor o gas– en energía eléctrica al acoplarse a un generador. Las turbo máquinas más conocidas son las bombas caseras y los compresores.

Apoyado en el texto “motores eléctricos” realiza un mapa conceptual. Se

evaluará mediante la lista de cotejo de ejercicios.

Ejercicio 9

De manera individual resuelve la siguiente actividad. Se evaluará con la

lista de cotejo de ejercicios.

Ejercicio 10

Sesión

62

165

4.2.5 Analiza el impacto social, cultural y ambiental de las contribuciones de la física:

riesgos y beneficios que suceden en su entorno.

Menciona algunas aportaciones de la física en nuestra vida diaria

Sesión

63

Reflexiona sobre las contribuciones de la física en la sociedad. Analiza el impacto que tiene los avances tecnológicos en la sociedad Se comunica en forma oral y escrita

APORTACIONES DE LA FÍSICA

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

166

El electromagnetismo y su relación con la ciencia y los fenómenos naturales

En los albores del siglo xx los físicos se percataron de que podían conocer –y en un momento dado predecir– el comportamiento del universo, ya que las teorías de la energía, la materia, la luz, el calor, el sonido, la electricidad y el magnetismo, entre otras, pudieron ser comprobadas en forma experimental, y puesto que las matemáticas se convirtieron en el lenguaje de modelado más apropiado, pudo darse una aplicación práctica a fenómenos naturales como la inducción electromagnética.

La inducción electromagnética está presente en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana, no sólo aparece en los dispositivos lectores de tarjetas de crédito y credenciales para acceder a un centro de trabajo, una habitación de un lujoso hotel o en los dispositivos de seguridad para entrar a un edificio importante –como a las oficinas de gobierno, los aeropuertos, terminales de autobuses y trenes–, sin olvidar por supuesto los dispositivos lectores de cintas de audio y video, entre otros. No sólo la inducción electromagnética se aprovecha de la manera que ya explicamos, su aplicación más importante es la generación de la energía eléctrica que disfrutamos, para lo cual se emplean en algunos casos fenómenos como la acumulación y caída de agua, la energía solar que se acumula en celdas y el viento que sopla con ciertas características en determinadas regiones.

Por ejemplo, ¿Imaginas el mundo sin energía eléctrica?, ¿Cómo crees que sería nuestra vida sin las comodidades que conocemos: la comunicación vía teléfonos móviles, la computadora, los transportes de alta velocidad, los dispositivos de seguridad para viajar, los sistemas de llamada de emergencia en accidentes viales, etc.? Lo anterior ha llevado a los científicos a enfrentar nuevos retos, como la determinación de la magnitud de las fuerzas entre los átomos, su constitución y posibles aplicaciones, la radiación, etc.

Con los conocimientos acumulados desde la época de los griegos ha sido posible crear el primer avión, iniciar la producción en gran escala del automóvil, realizar radiocomunicaciones, emplear los rayos X que descubrió el físico alemán Wilhelm Röntgen (1845-1923) en las labores médicas y el análisis de los materiales para conocer fallas en las estructuras de puentes y edificios, determinar los efectos nocivos de la radiación atómica –que permanecen en los sitios en que explotaron las bombas atómicas y en todos aquellos lugares en los que la negligencia humana ha permitido desastres como el de la planta nuclear de Chernobyl– que afectan el ecosistema y eliminan toda forma de vida posible.

Otro paso adelante en el campo de la física se dio con el empleo de la radiación en la técnica médica conocida como radio inmunología, los trabajos con la resonancia magnética y en la revolución en la genética cuando se estableció la cadena del ADN por medio de una imagen de rayos X. Además, para realizar estudios geológicos se creó un instrumento basado en la interferencia cuántica, el cual detecta yacimientos minerales y permite la explotación en gran escala de los recursos minerales de algunas zonas –aunque la ausencia de planificación en este sentido trajo como resultado ciudades abandonadas que nacieron y murieron con las explotaciones de minerales.

167

Las nuevas tecnologías tuvieron un gran desarrollo a partir de la década de 1960 con la llegada del rayo láser y el transistor, los cuales fueron fundamentales para que el ser humano viajara al espacio, sin embargo, no ha sido posible estudiar y aprovechar otro fenómeno natural que supere a los fenómenos electromagnéticos.

¿Hacia dónde van los físicos?, ¿Trabajarán todavía buscando la respuesta a los problemas universales para contestar por accidente otras cuestiones, como le sucedió al astrónomo Kepler (1571-1630) y al físico y matemático Rutherford (1871-1937)? No lo sabemos, lo único seguro es que los grandes aportes han traído tanto beneficios económicos, como daños severos. La era de la información ha impactado la economía de tal manera que el estatus de potencia económica de una nación depende en gran medida de la tecnología que emplea en todo su quehacer económico.

Desgraciadamente, no siempre las tecnologías modernas –los superconductores, los materiales inteligentes, la Internet, entre otros –son empleadas para darle solución a los diversos problemas que nos aquejan día a día:

La radiación magnética de los cables de alta tensión afectan nuestro oído y el sistema nervioso.

La contaminación de los mantos acuíferos con la deposición indiscriminada de residuos de diversos procesos industriales.

La emisión de gases que despiden los autos, cuya modernidad y eficiencia sólo reducen el consumo de combustible sin que se tenga plena conciencia de la necesidad de diseñar redes de transporte masivo más eficientes.

La reducción de la capa de ozono debilita el sistema

inmunológico humano, por lo tanto la capacidad de respuesta del organismo es menor y se hace más propenso a contraer enfermedades, como el cáncer de piel.

La lista es larga y quizá no exista un punto de equilibrio entre beneficios y perjuicios, ya que los tecnólogos se encargan de aplicar el conocimiento en forma inmediata para desarrollar dispositivos útiles en el corto plazo, pero que a largo plazo crearán problemas graves.

Sesión

64

Con base en la lectura “El electromagnetismo y su relación con la ciencia y los fenómenos naturales“, realiza un ensayo sobre la importancia de la física en nuestra vida diaria. Se evaluará con lista de cotejo de ejercicios.

Ejercicio 11

168

I. Relaciona las columnas eligiendo la respuesta correcta

II. Resuelve los siguientes problemas:

1. Calcula la dirección con respecto a un campo magnético de 0.1 T forma un conductor de 50 cm. por el que fluye una corriente de 7.5 A, para que la fuerza generada sea de 0.75 N.

2. Un transformador de bajada se emplea en una línea de 2.25 kV para reducir el voltaje a 110 volts. Tomando en cuenta que la bobina primaria tiene 450 espiras, determina la cantidad de espiras de la bobina secundaria.

1. Se encarga de estudiar los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en reposo.

2. Estudia los fenómenos que ocurren con las cargas en movimiento.

3. Se define como el cambio de sentido en el movimiento de las cargas de la corriente eléctrica.

4. Dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

5. El voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del número de vueltas de la bobina por la rapidez con la que cambia el campo magnético al interior de la bobina.

6. Propiedad de algunos materiales para atraer o repeler a otros de naturaleza análoga.

7. Estudia la interrelación entre magnetismo y electricidad y todos los fenómenos que se les asocian.

a. Ley de Ampere

b. Magnetismo

c. Ley de Faraday

d. Motor eléctrico

e. Corriente alterna

f. Electrodinámica

g. Electromagnetismo

Sesión

65

Nombre ________________________________________________

Grupo ________________________ Turno ___________________

Fecha _________________________________________________

Autoevaluación

169

INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN

AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO

Has tenido éxito si eres capaz de…

Excelente = Siempre Bien = A veces Regular = Casi nunca

Valoración

Excelente Bien Regular

Criterios (3) (2) (1)

Asistir a clases

Trabajar y colaborar con diversos equipos

Participar o trabajar en clase

Construir explicaciones sencillas proceso y fenómenos

asociados con el calor utilizando los modelos

matemáticos.

Identificar las principales características que distinguen

el calor y la temperatura.

Relacionar algunos fenómenos cotidianos producidos

por el calor y la temperatura en: la materia, los cuerpos,

las dimensiones y la forma.

Analizar y contrastar ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento del calor y la temperatura.

Reinterpretar los aspectos analizados previamente sobre

el calor y la temperatura.

Reconocer y valorar de manera crítica las aportaciones

de las aplicaciones del calor al desarrollo social y las

comodidades de la vida cotidiana.

Aplicar e integrar habilidades, actitudes y valores durante el desarrollo de actividades que permite explicar y predicen algunos fenómenos del entorno relacionados con conceptos de calor y temperatura.

TOTALES

Si tu puntuación es de 30 EXCELENTE, ahora ayuda a un compañero que requiera de apoyo.

Si tu puntuación de 20 a 29 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo

Si tu puntuación es de 19 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.

170

RÚBRICA DE TRABAJO EN EQUIPO

Califica la participación de cada uno de los integrantes de tu equipo de trabajo colocando en el espacio indicado el número que evalúe su desempeño.

Escala: Preguntas:

( 3 ) Excelente- Muy bien A. ¿Qué tan eficaz fue su participación?

( 2 ) Bien- Suficiente B. ¿Las ideas que aportó fueron consideradas para la tarea?

( 1 ) Regular- Insuficiente C. ¿Manifestó entusiasmo en la actividad encomendada?

D. Su responsabilidad hacia el trabajo fue …

E. En general , su participación fue …

Pregunta Alumno

A B C D E Total Comentarios

1

2

3

4

5

Puntuación: _______ de 15 Calificación:

LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR UN EJERCICIO

Asignatura: Física II Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo: ___________________________________________________

CALIFICACIÓN:

Inaceptable ( i) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E)

CATEGORÍA DE EVALUACIÓN 4(E) 3(B) 2(A) 1(I)

1. Participa en la realización de un ejercicio.

2. Obtiene datos correctamente.

3. Utiliza formulas correctas realizando los despejes.

4. Realiza las operaciones necesarias para la realización del ejercicio.

5. Obtiene resultados correctos.

6. Maneja correctamente las unidades.

7. Entrega problemas en tiempo y forma.

Total de puntuación: E= 28 B= 21 A=14 I= 7

171

RÚBRICA DE MAPA CONCEPTUAL

CRITERIO (4) (3) (2) (1)

Responsabilidad Es puntual en la entrega del mapa.

Entrega desde un 80% de avance y deja para entregar en la siguiente sesión.



Título El título presenta claramente el contenido

El título presenta el contenido de manera confusa

El título es muy general

El título no nos dice nada del material

Agrupación Agrupa los conceptos que se relacionan próximamente entre si

Agrupa los conceptos pero no los relaciona teniendo en cuenta la relación entre ellos

Agrupo los conceptos pero los relaciona incorrectamente

No agrupa los conceptos

Orden Organiza los conceptos utilizando las reglas de orden

Organiza los conceptos utilizando una de las reglas de orden

Utiliza las reglas incorrectamente

No sigue ninguna de las reglas de orden

Representación Sitúa los conceptos de manera lógica y organizada

Sitúa los conceptos de manera desorganizada

Sitúa incorrectamente los conceptos

No sitúa los conceptos

Conexión Coloca las flechas teniendo en cuenta las relaciones entre los conceptos

Coloca las flechas, pero no guardó relación entre los conceptos

Relaciona incorrectamente cada concepto

No relaciona los conceptos

Puntuación: _______ de 24 Calificación:

RÚBRICA DE INVESTIGACIÓN

Criterios Excelente – Muy bien (3)

Bien- suficiente (2)

Regular (1)

Presentación Contiene tema, definiciones o teoría, ejemplos, conclusión, y fuentes consultadas

Contiene solo cuatro de los elementos mencionados

Contiene tres o menos de los elementos mencionados

Contenido Describe correctamente lo solicitado en la actividad, está bien escrito, refleja claramente las ideas

Describe correctamente lo solicitado en la actividad, está bien escrito, pero no refleja claramente las ideas

Describe correctamente lo solicitado en la actividad, está mal escrito, refleja dudas en las ideas

Limpieza El trabajo no tiene manchas u hojas maltratadas

La superficie de una o dos hojas está ligeramente arrugadas y/o manchadas

La superficie de las hojas están arrugadas y/o manchadas

Legibilidad y ortografía

Cumple las reglas ortográficas y el texto el legible

No sigue por completo las reglas ortográficas y/o parte del texto no es legible

No sigue reglas ortográficas, hay más de 5 faltas ortográficas y el texto no es legible

Puntuación: _____ de 12 Calificación:

172

LISTA DE COTEJO PARA EVALUAR LA APLICACIÓN DEL CONTENIDO EN LA VIDA REAL

Asignatura: física II Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo:____________________________________________________

CALIFICACIÓN:

Inaceptable (I) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E)


1. El trabajo presenta al menos 2 aplicaciones

2. Las aplicaciones tienen relación con lo aprendido

3. Da una explicación de la relación

4. Presenta un trabajo con orden y limpieza

5. Presenta el trabajo en tiempo y forma en la fecha establecida


LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR UN RESUMEN ó TRABAJO ESCRITO

Asignatura: física II Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo:___________________________________________________

CALIFICACIÓN:

Inaceptable ( i) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E)


1. Presenta titulo.

2. Eu extensión oscila entre el 30% del total.

3. Es breve inteligible y entendible.

4. Respeta el mensaje original del libro.

5. Observa el estilo lingüístico del alumno.

6. Su estructura muestra una relación coherente.

7. Tiene expresión gramatical correcta.

8. Presenta orden y limpieza.

9. Presenta el trabajo en tiempo y forma en la fecha establecida.

10. Es original en sus ideas


173

LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR UN CUESTIONARIO

Asignatura: física II Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo: ___________________________________________________

CALIFICACIÓN:

Inaceptable (i) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E)


1. Participa de manera activa.

2. Contesta correctamente sus cuestionamientos.

3. Es breve inteligible y entendible.

4. Respeta el mensaje original del libro.

5. Presenta orden y limpieza.

6. Presenta el trabajo en tiempo y forma en la fecha establecida.

7. Utiliza la bibliografía recomendada.


RÚBRICA DE REPORTE DE PRÁCTICA

Criterios Excelente (3)

Bien (2)

Regular (1)

Presentación Contiene portada, introducción, marco teórico, procedimiento, conclusiones, glosario, y bibliografía consultada

Contiene seis de los elementos mencionados de para este trabajo

Contiene cinco o menos de los elementos mencionados de para este trabajo

Contenido Describe correctamente el proceso de la actividad, incluye imágenes propias, está bien escrito, refleja claramente las ideas

Describe el proceso de la actividad, incluye imágenes, está bien escrito, pero no refleja claramente las ideas

Describe vagamente el proceso de la actividad, no incluye imágenes, está mal escrito, refleja dudas en las ideas

Limpieza El trabajo no tiene manchas u hojas maltratadas

La superficie de una o dos hojas están ligeramente arrugadas y/o manchadas

La superficie de las hojas están arrugadas y/o manchadas

ortografía Cumple las reglas ortográficas

No sigue por completo las reglas ortográficas

No sigue reglas ortográficas, hay más de 5 faltas ortográficas

Puntuación: ______ de 12 Calificación:

174

RÚBRICA DE EXPOSICIÓN

CRITERIOS Excelente (4)

Muy bien - bien (3)

Satisfactorio (2)

Regular (1)

Preparación y contenido

Buen proceso de preparación, muestra profundidad en el desarrollo del tema

Cumplió en la preparación de resúmenes y aprovecha el tiempo para aclaraciones

Presenta el resumen y la actividad es escasamente planeada

Lee durante la presentación y la actividad es improvisada

Sustentación teórica

Domina el tema, logra conectarlo y explicarlo en sus diferentes aspectos, analiza el tema

Logra explicar el tema relacionando los diferentes aspectos. Analiza solo algunos puntos del tema

Conoce el tema superficialmente y solo logra explicar los puntos. No analiza el tema

Conoce el nombre del tema y solo logra explicar algunos puntos. No entiende el tema

Manejo del auditorio

Logra captar la atención del grupo y suscita la participación activa del mismo

Logra captar la atención del grupo con participaciones esporádicas

Pierde la atención del grupo constantemente y no logra la participación.

No logra la atención del grupo.

Creatividad Prepara material didáctico adecuado al tema y lo utiliza como apoyo con habilidad

Prepara material didáctico adecuado y lo utiliza poco como apoyo

Elabora escaso material didáctico

Sin preparación de material didáctico

Participación Pertinente, activa, es fundamental para el buen desarrollo del tema

Oportuna, aporta elementos, presta atención a las distintas participaciones

Está presente. Su participación no es activa y presta poca atención a las diferentes participaciones

Su participación no es mínima y no presta atención al grupo.

Responsabilidad

Cumple en tiempo y forma desde la preparación hasta la presentación

Cumple en tiempo y forma con ligeros problemas desde la preparación hasta la presentación

No cumple en tiempo y forma desde la preparación hasta la presentación

Cumple escasamente fuera de tiempo con la presentación

Puntuación: ______ de 24 Calificación:

LISTA DE COTEJO DE PRODUCTO

Esta se aplica con la finalidad de conocer el desempeño en la actividad realizada.

Criterios Cumplimiento Observaciones

Valor SI NO

A. 3

B. 3

C. 3

D. 3

E. 3

Puntuación: ______de 15 Calificación:

175

GLOSARIO

Aislante. Se llama así a los cuerpos que oponen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica, el plástico, la madera y los diamantes son ejemplos de materiales aislantes

Ampere. Unidad de medida de la corriente eléctrica que representa el número de Coulombs que pasan por un punto de un material en un segundo.

Amperímetro. Aparato que sirve para medir la intensidad de la corriente eléctrica.

Amplitud. El alto de una onda. Desplazamiento máximo de cualquier fenómeno periódico.

Átomo. Es la unidad más péquela de un elemento, está constituida con protones, neutrones y electrones.

Batería. Es la unión de dos o más celdas o pilas.

Calor. Es la energía en tránsito debido a la elevación de la temperatura de un sistema, llamado también energía calorífica y energía térmica.

Calor específico. Energía necesaria para alterar en un grado un gramo de sustancia.

Calor latente. Calor necesario para alterar el estado de un gramo de sustancia.

Caloría. Unidad de energía equivale a 4,186 J.

Calor latente de fusión. Cuando una sustancia cambia su estado de agregación de solido a liquido o viceversa, de líquido a solidó.

Calor latente de vaporización. Cuando una sustancia pasa del estado líquido a gaseoso o viceversa, de gaseoso a líquido.

Campo eléctrico. Es la región que rodea a una carga en la que se ejerce una fuerza sobre una carga de prueba.

Campo magnético. Es la región del espacio que rodea a un imán y en la que se manifiesta su influencia magnética, se representa por una serie de líneas de fuerza trazadas alrededor de un imán

Cantidad de calor. Es la cantidad de calor necesario para cambiar la temperatura de un kilogramo de una sustancia en un grado

Capacitancia. Es la propiedad que tienen los capacitores o condensadores de almacenar carga eléctrica

Capacitor. El dispositivo que tiene la propiedad de almacenar carga eléctrica y energía.

Circuito. Es el camino que siguen los electrones a través de un conductor

Coeficiente de dilatación 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 centígrado.

Coeficiente de dilatación superficial. Es el incremento de área que presenta un cuerpo de determinada sustancia, con un área igual a la unidad, cuando su temperatura se eleva un grado centígrado.

Coeficiente de dilatación volumétrica. Es el incremento de volumen que presenta un cuerpo de determinada sustancia, con un volumen igual a la unidad, cuando su temperatura se eleva un grado centígrado.

Conducción. Proceso por el cual se transmite calor a lo largo de un cuerpo, mediante colisiones moleculares.

Conductor. Es el material que ofrece poca resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Convección. Proceso por el cual se transmite calor, debido al movimiento de las masas calientes de un fluido.

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Corriente. La razón de flujo de electricidad, medida en amperios.

Corriente alterna. Es producida por los electrones que en un conductor no se mueven en forma constante en la misma dirección, sino que circulan alternativamente del polo positivo al polo negativo y viceversa.

Corriente directa. Es producida por los electrones que en un conductor se mueven de manera constante del polo negativo al polo positivo en una misma dirección.

Coulomb. La unidad para carga eléctrica. Es la carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio.

Densidad de flujo magnético. Representa el número de líneas de fuerza o flujo magnético, que atraviesa perpendicularmente a la unidad de área.

Dilatación irregular del agua. Cuando se tiene un gramo de agua a 0oC ocupa un volumen de 1.00012 cm3, pero si se calienta, en lugar de dilatarse se contrae y a la temperatura de 40C ocupa un volumen mínimo de 100000 cm3

Dilatación térmica. Cambio provocado en la dimensiones de un cuerpo solidó, en el volumen de los fluidos por un incremento o descenso de la temperatura.

Electrón. Partícula de carga negativa, presente en todos los átomos.

Energía. Medida de la capacidad para realizar un trabajo. Se expresa en joules (J).

Efecto Joule. Es la rapidez con que se desprende calor de un conductor depende de la segunda potencia de la corriente, de la resistencia del conductor y del tiempo transcurrido.

Equilibrio térmico. Es cuando dos objetos o sistemas en contacto térmico se encuentran a la misma temperatura

Frecuencia. El número de ondas o ciclos por segundo

Fusión. Es cuando una sustancia pasa del estado solidó al estado líquido.

Gas. Estado de la materia caracterizado por el movimiento al azar de partículas que están muy separadas.

Inducción. Forma de electrización que se presenta cuando un objeto se carga eléctricamente al acercarse sin llegar a tocarse, a otro ya electrizado

Intensidad del campo eléctrico. Magnitud vectorial cuyo valor disminuye cuando aumenta la distancia que hay del lugar que se localiza la carga eléctrica.

Joule. La unidad de energía. Se define como el trabajo hecho cuando una fuerza de un newton mueve un objeto a través de un metro de distancia.

Ley de Coulomb. La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa

Ley de Ohm. La corriente que fluye por un conductor es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a su resistencia.

Línea de fuerza. Concepto ideado por Faraday para representar gráficamente un campo eléctrico.

Línea de fuerza magnética. Concepto propuesto por Faraday, es imaginario pero sirve para dibujar campos magnéticos y cuantificar sus efectos.

Magnetismo. Propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, al níquel y el cobalto.

Masa. Cantidad de materia. Se mide en gramos (g).

Material diamagnético. Es aquel qué no se magnetiza y puede ser repelido débilmente por campo magnético intenso.

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Material ferromagnético. Es aquel en qué las líneas del flujo magnético fluyen con mucha mayor facilidad a través del cuerpo qué por el vacío

Neutrón. Partícula subatómica que no tiene carga.

Newton. La unidad de fuerza. Una masa de 1 Kg. con una aceleración de 1m/s2 produce un Newton (N).

Permeabilidad magnética. Propiedad que presentan algunos materiales, como el hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material de hierro que porque el aire o el vacío

Permitividad relativa. Relación que existe entre la magnitud de la fuerza eléctrica de dos cargas en el vació y la magnitud de la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia aislante.

Potencial eléctrico. Es la energía potencial eléctrica de una carga de prueba situada en un punto.

Protón. Partícula subatómica de carga positiva que está presente en el núcleo de los átomos.

Resistencia. Oposición al flujo de una corriente eléctrica. A mayor resistencia tenga un alambre menos electricidad conduce. Se mide en Ohm.

Solenoide. Se obtiene al enrollar un alambre en forma helicoidal o de hélice, acción que recibe el nombre de devanar

Solidificación. Es el cambio de estado de una sustancia al pasar del estado de líquido al solidó.

Sólido. Estado de la materia en que las partículas están cerca y en posiciones fijas unas con otras.

Sublimación. Es el cambio de estado en el que un sólido pasa a gaseoso sin pasar por el estado líquido o viceversa.

Radiación. Proceso por el cual se transmite calor, debido a la emisión continúa de energía desde la superficie de los cuerpos. Ésta se realiza por medio de ondas electromagnéticas.

Temperatura. Es la medida de la energía cinética de las partículas.

Termómetro. Instrumento utilizado para la medición de la temperatura.

Transformador. Aparato que se emplea para aumentar o disminuir el voltaje producido por generadores de corriente alterna.

Vaporización. Es el cambio de estado de agregación de una sustancia al pasar del estado líquido al gaseoso.

Voltio. Un voltio es la fuerza necesaria para llevar un amperio de corriente en contra de un ohm de resistencia. Es la unidad de diferencia en potencial.

Watt. Unidad de potencia, igual a 1J/s. El Watt es la potencia que resulta cuando se disipa un Joule de energía en un segundo.

Weber. Unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional que equivale a: 1x108 Maxwells.

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REFERENCIAS

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Ejercicios relacionados con presión

http://www.scribd.com/doc/12542109/Problemas-Resueltos-de-Presion

Ejercicios relacionados con hidrostática e hidrodinámica

http://www.monografias.com/trabajos35/hidrostatica-hidrodinamica/hidrostatica hidrodinamica.shtml

Ejercicios de aplicación de presión hidrostática

http://www.cneq.unam.mx/cursos_diplomados/diplomados/medio_superior/ens_3/portafolios/fisica/equipo1/problemas.htm

Ejemplos y ejercicios de Arquímedes

http://hidrostatica.galeon.com/Ejemplos_ejercicios/ejer_arquimedes.htm

Ejercicios de aplicación de densidad

http://www.scribd.com/doc/21017077/EJERCICIOS-APLICACION-DENSIDAD-I

http://www.monografias.com/trabajos35/hidrostatica-hidrodinamica/hidrostatica

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