Acuerdo 286 Física Unidad 4 Electromagnetismo Ing. Enriqueta Del Ángel Hernández
4.1 Carga eléctrica y 4.2 Ley de Coulomb Se dice que un objeto está "cargado eléctricamente" o "electrizado" cuando tiene exceso o carencia de electrones en los atamos que lo conforman. En el SI se utiliza el Coulomb (C) como unidad de carga eléctrica; así un C representa la carga eléctrica que tiene 6 billones 240 mil billones de electrones. Equivalencia: 1C = 6.24 X 10 18 ē Expresado de otra forma tenemos que la carga de un electrón en C es igual a: 1ē = - 1.6021 X 10-19 C El signo negativo (-) indica la naturaleza de la carga. NOTA: Cuando un cuerpo posee una carga de 1C significa que perdió o ganó 6.24 X 10 18 electrones ( ē ). Los múltiplos más utilizados para indicar la carga eléctrica de un cuerpo son: milicoulomb 1mC = 1 X 10-3 C ó también 1mC = 0.001 C microcoulomb 1µC = 1 X 10-6 C ó también 1µC = 0.000 001 C nanocoulomb 1nC = 1 X 10-9 C ó también 1nC = 0.000 000 001 C picocoulomb 1pC = 1 X 10-12 C ó también 1pC = 0.000 000 000 001 C Un Coulomb es la carga transferida en un segundo a través de cualquier sección transversal de un conductor, mediante una corriente constante de un Ampere.
TABLA. PARTÍCULAS Y SU CARGA ELÉCTRICA Partícula Carga eléctrica Masa Electrón ( ē ) Protón (p, e + ) Neutrón ( n ) -1.602 X 10-19 C 1.602 X 10-19 C 0 9.109 X 10-31 Kg 1.673 X 10-27 Kg 1.675 X 10-27 Kg Para cuantificar la fuerza de atracción o repulsión entre las cargas eléctricas Charles Coulomb creo la balanza de torsión en 1777; además estableció la Ley que lleva su nombre y expresa: La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa Expresada matemáticamente se tiene: Donde: F = Fuerza de atracción o repulsión en el SI su unidad es N. Q 1 y Q 2 = Cargas eléctricas en C. r = Distancia entre las cargas en m. K = Constante electrostática cuyo valor es 9 X 10 9 Nm 2 / C 2.
Ejemplo: Calcular la corriente eléctrica entre dos cuerpos que tienen una carga eléctrica de 5 X 10-6 C y 8 X 10-6 C al encontrarse separados por una distancia de 12cm y que tipo de fuerza eléctrica se genera entre ellas. 1.- Se anotan los datos: Carga eléctrica 1 = q 1 = 5 X 10-6 C Carga eléctrica 2 = q 2 = 8 X 10-6 C Distancia entre las cargas expresada en metros r = 0.12m (Los 12 cm se dividen entre 100 para expresar la distancia en metros; porque un 1m=100cm). Constante eléctrica K = 9 X 10 9 Nm 2 /C 2 2.- Se sustituye en la fórmula que expresa la Ley de Coulomb ( ) F = 25 N y es una fuerza de repulsión porque ambas cargas son del mismo signo en este caso ambas son de signo positivo. 4.3 CORRIENTE ELÉCTRICA, VOLTAJE Y RESISTENCIA. Corriente eléctrica. Es el movimiento de las cargas negativas a través de un conductor. Las cargas negativas o electrones circulan a través de un circuito eléctrico cerrado, se mueven siempre de polo negativo al polo positivo de la fuente de fuerza electromotriz (FEM).
INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA. Es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo. I q t Donde: I = Intensidad de la corriente eléctrica en c/s = ampere = A q = Carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en Coulomb (C). t = Tiempo que tarda en pasar la carga q en segundos. El instrumento que se utiliza para medirla es el Amperímetro. QUE ES UN CIRCUITO ELÉCTRICO? Es un sistema en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria completa, es decir, cerrada, debido a una diferencia de potencial. LOS COMPONENTES FUNDAMENTALES DE UN CIRCUITO ELECTRICO son Una fuente de fuerza electromotriz (FEM). (VOLTAJE) El flujo de una intensidad (I) de corriente de electrones. (CORRIENTE) Una resistencia que consuma la energía que proporciona la fuente de fuerza electromotriz y la transforme en energía útil (RESISTENCIA) para Encender una lámpara, proporciona frió o calor, poner en movimiento un motor, amplificar sonidos por un altavoz etc.
Si no se encuentra con esos tres componentes, no se puede decir que exista un circuito eléctrico. DIFERENCIA DE POTENCIAL También recibe el nombre de voltaje o tensión. La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera A y B es igual al trabajo de la unidad de carga positiva que realizan fuerzas eléctricas al mover una carga de prueba desde el punto A al B. Donde: V AB = Diferencia de potencial entre los puntos A y B en volts. T AB = Trabajo sobre una carga de prueba q que se desplaza de A a B en J. q = Carga de prueba que se desplaza de A a B en C. T V AB AB= q La diferencia de potencial entre dos puntos también se puede determinar si se conoce el potencial que hay en cada uno y se obtiene su diferencia. V AB = V A - V B
ALGUNOS COMENTARIOS IMPORTANTES. E l concepto de tensión o voltaje se encuentra muy frecuente en nuestra vida diaria. Por ejemplo, ya debe haber oído hablar, de que en algunas casas existen tomas de corriente o tomacontactos de 110V. Como ya sabemos 110V = 110J/C, ello significa que si un aparato eléctrico se conecta a uno de estos tomacontactos o contactos, cada carga de 1C que de desplace de una terminal a otra ( de A a B ) recibirá 110J de energía del campo eléctrico existente en el tomacontacto ( a su vez, la carga transmitirá al aparato la energía que recibe del campo eléctrico). Si la toma o contacto es de 220 V (como en algunas instalaciones), podemos concluir que 1C recibirá 220J de energía la desplazarse de un terminal a otro tomacontacto. De la misma manera, cuando decimos que la batería de un automóvil tiene un voltaje de de 12V, habrá una energía de 12J impartida a cada coulomb que vaya a otro terminal de la batería. RESISTENCIA Es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o flujo de electrones. Factores que influyen en la resistencia eléctrica de un conductor. 1) La naturaleza del conductor. La plata tiene menor resistencia y el hierro es el de mayor resistencia eléctrica. 2) La longitud del conductor. A mayor longitud, mayor resistencia. Si se duplica la longitud de un alambre, también se duplica su resistencia. 3) Sección o área transversal del conductor. Al duplicarse la superficie de la sección transversal, se reduce la resistencia a la mitad. 4) La temperatura. En los metales su resistencia aumenta de manera directamente proporcional a su temperatura. La unidad utilizada para medir la resistencia eléctrica es el ohm (Ω) en honor a George Simón Ohm. En el SI, un ohm equivale a la resistencia que presenta un conductor cuando, al recibir un voltaje de 1volt, la corriente que pasa por él es de 1 Ampere.
CUANTO MAYOR ES LA RESISTENCIA, MENOR ES LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE. Símbolo de resistencia 4.4 LEY DE OHM Esta ley fue enunciada en 1827 por George Simón Ohm y establece: La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Matemáticamente: I V R V IR R V I Donde: V= Diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor en volts (V). R= Resistencia del conductor en ohms (Ω) I= Intensidad de la corriente que circula por el conductor en Amperes (A).
4.5 CIRCUITOS ELÉCTRICOS. CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO DE RESISTENCIAS. CIRCUITO EN SERIE Los elementos conductores están unidos uno a continuación del otro; es por ello que toda la corriente eléctrica debe circular a través de cada uno de los elementos, de tal forma que, si se abre el circuito en cualquier parte, se interrumpe totalmente la corriente. Resistencia común. Símbolo de resistencia. RESISTENCIAS EN SERIE Para calcular la resistencia equivalente, R e (aquella que representa la misma oposición al paso de la corriente que presentan las demás resistencias conectadas, por lo tanto, puede sustituir al sistema en serie del circuito).
R e = R 1 +R 2 + R n Donde: R e = Resistencia equivalente. R 1, R 2 y R n = Resistencias que integran el circuito. COMO LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA ES LA MISMA PARA CADA RESISTENCIA TENEMOS: I V R e Donde: I = I 1 = I 2 = =I n Y para calcular el voltaje en cada resistencia utilizamos la ley de Ohm de tal forma que: V 1 = IR 1 V 2 = IR 2 V 3 = IR 3 y así sucesivamente. El voltaje suministrado se reparte entre cada una de las resistencias del circuito de tal forma que: V= V 1 +V 2 +V 3
CIRCUITO EN PARALELO Los elementos conductores se hallan separados en dos o más ramales y la corriente eléctrica se divide en forma paralela entre cada uno de ellos; así, al abrir el circuito en cualquier parte, la corriente no será interrumpida en los demás. V R 1 RESISTENCIAS EN PARALELO R 2 La resistencia equivale (R e ) El voltaje aplicado a cada resistencia es igual para cada una de ellas y es el mismo que se le suministra al circuito.
V= V 1 = V 2 = V 3 La intensidad de corriente eléctrica por cada resistencia es diferente, de tal forma que la suma de todas las corrientes nos da la corriente total que circula por el circuito. De la ley de ohm tenemos: Sumando las intensidades de corriente eléctrica se tiene: I= I 1 + I 2 + I 3 +I n ; y así sucesivamente.
CIRCUITOS MIXTOS DE RESISTENCIAS. Significa que los elementos conductores se conectan 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 sean en serie o en paralelo, de tal manera que se simplifique el circuito hasta encontrar el valor de la resistencia. CONSULTAR: http://www.youtube.com/watch?v=7sh087i2tsw&feature=fvsr http://www.youtube.com/watch?v=5bsvio1rm4u http://www.slideshare.net/cemarol/conceptos-y-leyes-fundamentales-de-laelectricidad-presentation
4.6 MAGNETISMO MAGNETISMO: Es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, al níquel y al cobalto. Si es muy potente puede atraer al platino. Las primeras observaciones fueron realizadas en la ciudad llamada Magnesía; hace aproximadamente dos mil años se encontró una roca negra que atraía al hierro; actualmente a esta roca negra se le llama magnetita ó piedra imán. Esta piedra está constituida por un óxido de fierro (magnetita). Se cree que en el año 121a.C. los chinos usaban el imán como brújula, así por sus propiedades se utiliza en timbres, teléfonos, bocinas, alarmas, motores eléctricos, etc. IMANES Y POLOS MAGNÉTICOS. La propiedad de atraer el hierro y otros metales, no radica con igual intensidad en todo el cuerpo del imán, sino principalmente en pequeñas porciones de sus extremos que se llaman polos. Las otras partes del imán se muestran menos activas; cuando se cuelga una barrita imantada por su punto medio se observa que uno de sus extremos se orienta hacia el norte y el otro hacia el sur. El polo del imán que se orienta hacia el norte se llama polo norte (+) y el otro, polo sur (-). Cuando acercamos el polo norte de un imán al polo sur de otro observamos que se atraen. En cambio, Cuando se trata de acercar el polo norte de un imán al polo norte del otro, observamos que ambos se rechazan; ocurre lo mismo cuando se aproximan los polos sur de dos imanes. Los polos magnéticos del mismo nombre se repelen, y los polos magnéticos de nombre contrario se atraen. TIPOS DE IMANES.
La magnetita (F e3 O 4 ) es un imán natural. Los imanes artificiales son barras de hierro que se han imantado frotándolos con otro imán o sometiéndolos a la acción del campo magnético producido por una corriente eléctrica. Ejemplo de ellas son el imán de herradura y el imán recto o en barra, etc. Los imanes artificiales poseen mayor intensidad, son más sólidos y pueden adoptar formas adecuadas al uso que se destinen. Para fabricarlos se utilizan aleaciones de hierro, níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto, tungsteno o molibdeno. Los imanes artificiales pueden ser temporales ó permanentes los fabricados con hierro dulce son imanes temporales y los fabricados con acero son imanes permanentes. La propiedad del hierro dulce de imantarse temporalmente es aprovechada en la fabricación de electroimanes. Un electroimán consiste esencialmente en un conductor enrollado sobre un núcleo de hierro, que se imanta al paso de la corriente. Los electroimanes se utilizan en campanillas eléctricas, dínamos, transformadores, grúas para levantar chatarra, etc CAMPO MAGNÉTICO La región del espacio en la cual las sustancias magnéticas ejercen su acción se denomina campo magnético. Para representar el campo magnético se utilizan las líneas de fuerza magnética ideadas por Michael Faraday; dichas líneas forman el espectro magnético. Las líneas de fuerza producidas por un imán, ya sea de barra o de herradura, se esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur.
TEORÍA MOLECULAR DEL MAGNETISMO Si cortamos un imán en varios trozos se observará que cada uno de ellos se orienta de norte a sur, es decir, que en cada uno de los trozos se ha generado nuevamente un polo norte y un polo sur, quedando así un nuevo imán; a su vez si cada uno de estos imanes se corta en varios pedazos la situación genera nuevos imanes; por lo cual: Un imán puede ser considerado como un conjunto enorme de imanes moleculares ordenados.
El magnetismo de una sustancia es consecuencia de los movimientos de los electrones alrededor del núcleo de los átomos. Cada electrón crea su pequeñísimo campo magnético, pero estos electrones son tantos y están orientados tan diversamente, que los campos magnéticos de todos ellos se anulan. Basta, sin embargo, una influencia exterior (proceso de imantación) para que los electrones se orienten en una misma dirección y la sustancia se comporte como un imán.
Los imanes pueden perder su magnetismo por las siguientes causas: a) Por golpes o por vibraciones constantes. b) Por calentamiento, ya que a la temperatura del rojo desaparece totalmente el magnetismo y c) Por influencia de su propio campo magnético. MAGNETISMO TERRESTRE.
Las fuerzas magnéticas que se observan en la superficie de la tierra actúan como si estuvieran producidas por un gigantesco imán cuyos polos se hallan cerca de los polos geográficos, aunque no coinciden con ellos. Científicamente aún no se encuentra una explicación a este fenómeno; sin embargo se considera que existen diversos factores que inciden en ello como el movimiento de rotación de la Tierra y la influencia de la parte fluida del núcleo central. CONSULTAR: http://www.youtube.com/watch?v=jf-svgnw9bi