TEMA 10 Corriente eléctrica y magnetismo

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Juan José de la Fuente Redondo
hace 7 años
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1 ases Físicas y Químicas del Medio Ambiente Corriente eléctrica Alambre metálico TEMA 10 Corriente eléctrica y magnetismo iones positivos En un metal las cargas negativas se mueven libremente alrededor de los iones positivos fijos Corriente eléctrica i se aplica una diferencia de potencial entre sus extremos, las cargas negativas (los electrones) tienden a moverse hacia zonas de potencial alto V 1 > V 2 Corriente eléctrica i V 1 V 2 se mantiene constante la corriente es continua i V 1 V 2 va cambiando de signo periódicamente con una determinada frecuencia ω la corriente es alterna Corriente eléctrica Por convenio se define el sentido de la corriente como el sentido contrario al del movimiento de los electrones (intensidad de corriente) V 1 > V 2 ntensidad de corriente Es la cantidad de carga que pasa a través de una superficie perpendicular al alambre por unidad de tiempo uperficie 1

2 ntensidad de corriente Q cantidad de carga = t tiempo o para intervalos pequeños de tiempo La unidad en el es el Amperio (A). Es una de las magnitudes fundamentales. 1 C = 1 A x 1 s El Amperio no se puede definir directamente en función de las magnitudes mecánicas (longitud, masa y tiempo) = d Q d t e define a partir de la fuerza magnética que dos hilos conductores ejercen uno sobre otro ntensidad de corriente ntensidad de corriente Cuando se aplica una diferencia de potencial al alambre los electrones se mueven con una velocidad llamada velocidad de arrastre v La carga que pasa por ese trozo de alambre es V 1 V 2 Q = n e L L V 1 v V 2 Q = n e L L n número de electrones por unidad de volumen e carga del electrón L volumen del trozo de alambre ntensidad de corriente El tiempo que se tarda en atravesar ese trozo de volumen es L/ v Por tanto Q n e L = = = n e v t L / v Densidad de corriente Es el cociente de la intensidad entre la superficie J = / = n e v e mide en A / m 2 J es proporcional al campo eléctrico aplicado J = σ E σ conductividad (propiedad característica de cada sustancia) 2

3 Ley de Ohm V 1 V 2 Da la relación entre la intensidad de corriente y la caída de potencial en un hilo conductor V = R R es la resistencia del material del hilo Ley de Ohm R = J R = σ E R = σ V / L R = V ρ resistividad del material R = 1 L σ uperficie del alambre R se mide en el en Ohmios (Ω ) 1 Ω = 1 V / 1 A ρ se mide en Ω m Longitud del alambre Algunos valores de la resistividad (Ω m) Ag Cu Al Ge i Conductores emiconductores Cuando a un semiconductor se le añaden determinadas impurezas su resistividad disminuye Las impurezas pueden ser de dos tipos: Dadoras de cargas negativas (P, As) Aceptoras de cargas negativas (Ga) Vidrio Aislantes Las primeras dan lugar a semiconductores de tipo n y las segundas de tipo p La unión de semiconductores de tipo p con semiconductores de tipo n produce transistores Los transistores son la base de muchos dispositivos electrónicos Las células de solares incluyen semiconductores que transforman esa energía en energía eléctrica Resistencias en serie R 1 R 2 R T = R 1 + R 2 = V / R T 3

4 Resistencias en paralelo R 1 1 V 1 V 2 1/R T = 1/R 1 + 1/R 2 = V / R T Energía de la corriente eléctrica V 1 W = q V = t V = 2 R t V 2 R = V / R 1 2 = V / R 2 = Potencia de la corriente P = W/ t = 2 R W se mide en J y P en W (no en kw h) Fuerza electromotriz R Es la energía por unidad de carga necesaria para que pase una intensidad de corriente por un circuito cerrado. Es una aportación externa de energía, por ejemplo mediante una pila W externo = ε t ε = P exterma / q C q+ condensador + ε interruptor R ε R q/ C = 0 q C = q/ V C q+ + ε V = q / C La suma de los cambios en el potencial ha de ser cero para que el circuito siga funcionando Energía exterior para que el circuito funcione dada por la pila Caída de potencial en las resistencias Caída de potencial en los condensadores 4

5 Condensadores en serie q 1 C 1 q 1 + Condensadores en paralelo C 1 q 2 C 2 q 2 + 1/C T = 1/C 1 + 1/C 2 C 2 C T = C 1 + C 2 omba de NaK omba de NaK Exterior de la célula Na + Na + Membrana nterior de la célula Na + K+ En los seres vivos la concentración de iones en el interior de la célula es mayor que fuera K + Na + Na + Na + Para mantener la diferencia de concentraciones del la célula tiene un mecanismo para meter y sacar Na + fuera de la membrama in embargo, el se difunde fácilmente hacia fuera omba de NaK Na + ATP Na + Ese mecanismo es la bomba de NaK y consume energía en forma de ATP La diferencia de concentración de crea una V = 70 m V entre dentro y fuera de la membrana omba de NaK Cuando se produce un estímulo exterior la membrana aumenta mucho su permeabilidad hacia el Na + y éste entra dentro de la célula. El resultado es que V = 0 En células nerviosas esta depolarización induce la de las células vecinas se produce una transmisión de señal nerviosa o la contracción de un músculo 5

6 Fenómenos magnéticos Era conocido desde antiguo que ciertos minerales como la magnetita atraían el hierro Fue Oersted quien descubrió en 1820 que la corriente eléctrica que circula por un hilo conductor podía desviar la aguja de una brújula Fenómenos magnéticos Los fenómenos magnéticos se deben a cargas eléctricas en movimiento Cuando una carga se mueve crea a su alrededor además de un campo eléctrico E un campo magnético se mide en el en Teslas (T) El campo magnético terrestre es de 10 4 T Fuerza magnética sobre una partícula cargada Fuerza magnética sobre una partícula cargada Una carga q que se mueve con una velocidad v dentro de un campo magnético experimenta una fuerza F dada por F = q v x F = q v x Regla de la mano derecha F v Fuerza de Lorentz F = q v sen θ Fuerza magnética sobre una corriente en un hilo conductor F = q v x = t ( v x ) = ( L x ) L es un vector que da la longitud del alambre y tiene la dirección de la corriente F L Campo magnético creado por un segmento de hilo conductor Un segmento de conductor de longitud L crea un campo magnético en un punto P dado por la ley de iotavart = k L x u r 2 k = 107 T m A1 6

7 = k L x u r 2 u vector unitario intensidad de corriente Campo magnético creado por un un hilo conductor = 2 k / r u r L P sería a la página y en dirección hacia afuera r ha de ser pequeña comparada con la longitud del conductor Campo magnético creado por un un hilo conductor Campo magnético creado en el centro de una espira L = 2 π k / a Regla de la mano derecha r r e obtiene integrando la ley de iotavat a para toda la circunferencia se dirigiría a la página y hacia afuera Campo magnético creado por un solenoide Un solenoide es un conjunto de espiras El campo magnético en su interior es prácticamente constante. i tenemos n espiras = n espira Fuerza entre dos conductores paralelos Es la fuerza de Lorentz que experimenta un hilo en presencia del campo magnético creado por el otro hilo 1 F d 2 7

8 Fuerza entre dos conductores paralelos Fuerza entre dos conductores paralelos 2 k 2 F = L = 1 L d 1 F 2 k 1 2 = L d fuerza por unidad de longitud distancia entre hilos F 2 d El Amperio se define como la intensidad de corriente que tiene que circular por dos hilos paralelos situados a una distancia 1 m para que la fuerza por unidad de longitud sea N nducción magnética Ley de Faraday De la misma manera que una carga en movimiento da lugar a un campo magnético un campo magnético variable produce una fuerza electromotriz u (t) u vector unitario a la del circuito La ε inducida por la variación de con el tiempo es Φ ε = t Φ es el flujo magnético. Es el producto del área del circuito por la componente de en la dirección a u (t) u (t) θ Φ = (t) cos θ θ Φ = (t) cos θ La fuerza electromotriz creará una corriente inducida que a su vez producirá otro campo magnético según la ley de iotavart El nuevo campo magnético inducido va en dirección opuesta al primitivo (Ley de Lenz) De ahí el signo menos de la fuerza electromotriz 8

9 u θ (t) Φ = (t) cos ω t La intensidad inducida tiene la forma = o sen ω t i (t) cambia de dirección con el tiempo O la espira representada gira con una frecuencia amplitud de la oscilación t frecuencia media = 0 ω la intensidad de la corriente varía de sentido tenemos corriente alterna A pesar de que la intensidad media es cero la corriente tiene algunos efectos. i operamos con valores cuadráticos medios todas las expresiones de los circuitos de corriente continua siguen valiendo < 2 > = 2 o < sen 2 ω t > = 2 o / 2 (< 2 >) 1/2 = o / 2 1/2 intensidad cuadrática media o eficaz (< 2 >) 1/2 = o / 2 1/2 = e (< V 2 >) 1/2 = V o / 2 1/2 = V e Energía de la corriente alterna W = q V e = e t V e = e 2 R t e R = V e Ley de Ohm para la corriente alterna Potencia de la corriente alterna P = W/ t = e 2 R Navegación magnética Existen bacterias que contienen partículas de magnetita en su interior que les sirven para orientarse según el campo magnético terrestre El posible que algunos pájaros también usen el mismo sistema 9

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