FUERZA ELECTROMOTRIZ. La fuerza electromotriz(fem). El trabajo realizado para mover la carga eléctrica recibe el nombre de fuerza electromotriz(fem). La fem es el trabajo que tiene que realizar el generador para que se muevan las cargas del circuito. Sea q la cantidad de carga que pasa por cualquier sección del circuito en un intervalo de tiempo determinado, y T el trabajo realizado por el generador; la fem viene dada por: E = T q La unidad de fem es el voltio = v = 1J 1C No hay que confundir el concepto fem con el de diferencia de potencial. La fem es la causa del movimiento de las cargas dentro del propio generador, mientras que la diferencia de potencial es la causa del movimiento de las cargas en el resto del circuito. Por tanto, un generador o fuente de fem es un dispositivo que transforma energía eléctrica. Está se presenta manteniendo constante una diferencia de potencial entre los bornes del generador. Está diferencia se denomina tensión, se simboliza por U. La corriente eléctrica. En un conductor metálico aislado como, por ejemplo, un trozo de cobre, los electrones más externos de cada átomo se mueven libremente por el metal, es decir, no tienen una dirección privilegiada. Pero si los extremos de ese trozo de cobre los conectamos a una pila eléctrica, aparece un campo eléctrico en su interior y dichos electrones se mueven en la dirección del campo en el sentido de menor a mayor potencial. Los efectos de la corriente eléctrica son: Efecto calorífico, por el paso de corriente.,, magnético,,,,,,, luminoso, por el paso de gases y semiconductores.,, químico, por el paso de disoluciones conductoras.,, fisiológico, que afecta a hombres y animales. Intensidad de la corriente eléctrica. Se define la intensidad de una corriente eléctrica como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa una 1
sección transversal de un conductor en la unidad de tiempo. I = q t La unidad de intensidad de corriente es el amperio: A = C S La intensidad de la corriente es la misma sea cualquiera la sección transversal del conductor que consideremos. Otras unidades utilizadas para medir la intensidad de una corriente son: 1 kiloamperio = 1kA = 1000 A = 103 A 1 miliamperio = 1mA = 0 001 A = 10 3 A 1 microamperio = 1A = 0 000001ª = 10 6 A El aparato que se utiliza para medir la intensidad de corriente eléctrica es el amperímetro, que en los esquemas se representa por Se dice que el amperímetro está conectado en serie. Clases de corriente Según que la tensión en el generador sea o no constante en valor como en sentido, el comportamiento de los electrones en el circuito será distinto. Podemos considerar tres tipos de corriente: continua, alterna y mixta(una parte continua y la otra alterna). Corriente continua. Se dice que una corriente es continua cuando los electrones circulan siempre en el mismo sentido. Corriente alterna. Es la que cambia periódicamente de sentido e intensidad. Corriente mixta. Se puede definir como la superposición de una corriente continua y una alterna, ambas pasando por el mismo circuito e instante. Resistencia, resistividad, conductancia y conductividad. Circuito eléctrico Para que exista una corriente eléctrica que encienda el filamento de una lámpara es necesario que éste se integre en un circuito eléctrico, que por ejemplo puede estar formado por una bombilla y una pila, en este caso el Generador (la pila), un Consumidor (la lámpara) y un Conductor que une el generador y el consumidor. 2
Ley de Ohm El físico Georg Simon Ohm dedujo que en un conductor metálico la intensidad de la corriente que circula por él es proporcional a la diferencia de potencial aplicada entre sus extremos. I = UA UB R Donde UA UB es la diferencia de potencial aplicada a los extremos del conductor y R la resistencia del mismo. Medida de la intensidad El aparato que se utiliza para medir la intensidad de una corriente es el amperímetro que en los esquemas de circuitos se simboliza por El amperímetro ha de conectarse en serie, es decir, hay que cortar el circuito e intercalar el amperímetro a fin de que la corriente a medir pase por él. Medida del voltaje El aparato que se utiliza para medir el voltaje se denomina voltímetro, y se representa en los esquemas eléctricos por, ha de conectarse entre los extremos de un generador o entre los de un consumidor. Medida de la resistencia de un conductor mediante: voltímetro, amperímetro y ohmímetro. Para poder medir la resistencia de un conductor en función de U e I, se seguirá el siguiente proceso: Se conectará el amperímetro en serie con el conductor para medir la intensidad que circula por él. Se conectará el voltímetro en paralelo con el conductor para medir la tensión en él. También está el ohmímetro que permite obtener directamente el valor de la resistencia. Comportamiento magnético de la materia A principios de la década de 1830, Michael Faraday obtuvo corriente eléctrica a partir de campos magnéticos variables. Es decir, que a pesar del lento comienzo, en 12 años quedaba consolidado el Electromagnetismo como una ciencia. El magnetismo tiene diversos comportamientos: Brújula, si suspendemos con un hilo un imán de forma alargada por su punto medio, observamos que se orienta buscando la posición Norte Sur. Polos, los dos polos de un imán tienen comportamiento distinto. La región en que la aguja de la brújula tiene la misma dirección que el imán recibe el nombre de zona neutra. Efecto recíproco de dos imanes, los polos de igual nombre se repele y los de nombre contrario se atraen. Aplicación de los imanes, el uso más frecuente que se hace de los imanes se debe a las fuerzas relativamente 3
grandes que éstos pueden producir. Actualmente, se produce un gran consumo de imanes permanentes debido a su utilidad en los motores de corriente continua y en los altavoces. Campo magnético. Concepto de flujo magnético. Toda región del espacio donde se manifiestan acciones magnéticas, se denomina campo magnético. El campo magnético se designa por la letra B (inducción magnética). La unidad de inducción magnética (o simplemente de campo magnético) se mide en: Wb m2 y recibe el nombre de Tesla. 1T = 1Wb m2 Flujo magnético a través de una superficie muy pequeña es igual al producto de la proyección de la densidad de flujo sobre el vector normal a la superficie, B cos por el área, S. (Wb) = B cos (Wb) S(m2) m2 Esta fórmula comprende los casos particulares: Para un campo magnético uniforme la densidad de flujo que atraviesa una superficie plana viene dada por: = B S cos Cuando B es perpendicular a la superficie S, la ecuación queda: =B S Cuando B es paralelo a una superficie S, el flujo a través de la misma es nulo. = Fi = Flujo magnético = Cantidad total de líneas de campo en Weber(Wb). B = Beta = Cantidad de líneas de campo por unidad de superficie en Teslas (T) S = Sección B = S Interacción entre una corriente y un campo magnético. Es un echo experimental que siempre que una corriente I se encuentra en un campo magnético, actúa sobre ella una fuerza magnética. Y dado que una corriente está compuesta por cargas en movimiento las fuerzas 4
magnéticas que actúan sobre cargas eléctricas aisladas pueden ser: Fuerza ejercida sobre una carga que se mueve en un campo magnético, consideremos una partícula de carga + q, que se mueve con velocidad v, en un campo magnético B. F = q v B sen Fuerza sobre un conductor que transporta una corriente, si tenemos un conductor en una región donde existe un campo magnético B, los electrones libres experimentan una fuerza. La fuerza resultante sobre todos ellos es la fuerza que actúa sobre el conductor. Su valor es: F = l I B sen l = longitud del conductor I = intensidad de El sentido de la fuerza viene dado por la regla de la mano izquierda. Campo magnéticodebidoa una corriente rectilínea La intensidad del campo magnético en un punto P que dista a de un hilo conductor rectilíneo por el que circula una corriente I, viene dado por la expresión: B = 1 2 a Campo magnético en el centro de la espira En muchos aparatos eléctricos los conductores están arrollados en forma circular el campo en el centro de dicha espira viene dado por la expresión: B = 1 R Campo creado por un solenoide Se denomina solenoide a una bobina en la que se han dado N vueltas en una longitud l. En el solenoide es más importante el número de espiras por unidad de longitud, n, que el número total de espiras, N. La intensidad del campo en cualquier punto interior del solenoide, cuya longitud sea mucho mayor que el radio de la espira, viene dada por: B = n I Ley de Faraday La ley de la inducción electromagnética de Faraday es una de las ecuaciones fundamentales del Electromagnetismo y puede ser deducida a partir de sencillas experiencias. La corriente que circula por el 5
circuito A se denomina corriente inducida y es producida por la fem inducida. Se puede deducir que sólo se produce una corriente inducida cuando varía el flujo del campo magnético que pasa a través de la bobina; si este flujoes estable no hay inducción. Tanto la bobina en movimiento como el imán proporcionan un flujo variable sobre la bobina A. La rapidez de variación de este flujo es la responsable de la fem inducida. = t = variación del flujo el signo negativo indica el sentido de la fem inducida. Esta ecuación es la representación matemática de la ley de Faraday. Si la bobina tiene N espiras el flujo magnético a través de ellas es N, quedando la ecuación: = N t Las unidades de SI son: = ( J ) C Sentido de una fem inducida: ley de Lenz El sentido de una fem inducida es tal que se opone a la causa que la produce. Para interpretar esta ley hay que tener en cuenta la causa concreta que produce la fem. Asi: Si la fem es producida por el movimiento de un conductor en un campo magnético, ésta se opone a dicho movimiento creando una corriente de sentido tal que la fuerza magnética producida por ésta actúa en contra del desplazamiento del conductor. Si la fem es producida por la variación de flujo magnético que atraviesa una espira, la corriente resultante de dicha fem es de tal sentido que crea por sí misma un flujo que se opone a la variación inicial de flujo. Si el flujo inicial está disminuyendo, el que se induce tiene el mismo sentido para compensar la disminución, y si el flujo se incrementa, el que se crea tiene sentido contrario para oponerse a este aumento. Corrientes de Foucault Las corrientes inducidas tiende siempre a oponerse a la causa que las creó. Si colocamos en el campo interior de un campo magnético variable un conductor macizo, se generan en él unas corrientes en torbellino, cerradas sobre sí mismas, se denominan corrientes de Foucault. Estas presentan ventajas e inconvenientes. Ventajas: Tienen aplicación en la construcción de hornos eléctricos de inducción. 6
Inconvenientes: Se pierde energía en forma de calor en los motores, transformadores, etc., perjudicando a su vez el funcionamiento de dichas máquinas. Propiedades magnéticas de la materia El solenoide toroidal se utiliza para estudiar los comportamientos magnéticos de la materia, debido a que el flujo magnético es totalmente uniforme en él; y porque no existe la discontinuidad creada por los extremos, la ecuación para el vacío es: B0 = NI l Para saber las propiedades magnéticas de un material llenamos el interior del solenoide de este y medimos el campo magnético B. B0 anillo con núcleo de aire(casi vació). B anillo con el núcleo del material que se va a estudiar. Si B < B0 la sustancia será diamagnética. Si B > B0 la sustancia será paramagnética. Si B >> B0 la sustancia será ferromagnética. = 4 10 7 l = 2 R =r Permeabilidad magnética, lo dicho anteriormente se puede traducir a esta ecuación: B = r B0 donde r es la permeabilidad relativa de una sustancia respecto del vació. r = 1 para vació. La expresión que nos da el valor del campo magnético en el interior de el anillo podemos expresarlo en función de su permeabilidad por la ecuación: B = NI l Como consecuencia de que la permeabilidad magnética no es constante, al hacer pasar una corriente magnetizante por un anillo, el campo magnético en su interior no crece proporcionalmente a dicha corriente, sino hasta llegar al punto a. Esta consecuencia la denominamos Histéresis. 7
Excitación magnética, esta viene dada por la expresión: H = N I l con lo que se deduce: B = H Problemas 1 Es neutra la materia? Si, la materia es inizialmente neutra. 2 Qué contiene más? Protones o electrones? La misma cantidad por tanto, neutra, 3 Si un cuerpo se frota y se carga positivamente, qué contiene más? Prctrones o electrones? Más protones porque ha perdido electrones. 4 De qué depende que un conductor sea mejr que otro? Yde qué depende que un material sea conductor o no? Depende de su resistividad. De que deje pasar más o menos electrones. 5 Es siempre atractiva la fuerza entre cargas? No, en cargas iguales hay repulsión. 6 Si dos cargas se atraen como una fuerza. F y duplicamos la distancia que las separa, cómo será ahora la fuerza en relación con la anterior? F1 = K Q1 Q2 = F2 = K Q1 Q2 = F1 = 4 d2 (2 d)2 F2 Los electrones son absorbidos Los electrones son empujados Los electrones son bombeados A 8
MAGNITUD CONCEPTO FORMULA UNIDADES Resistencia Resistividad Conductancia Conductividad Oposición de todo el conductor. Oposición Oposición de 1m de 1mm2 Conducción de todo el conductor Conducción de 1m de 1mm2 R = l S P = R S = 1 l G = 1 R Ohmnio() = 1 P mm2 m Simens(S) m mm2 Consumidor de tensión = lámpara 9
+ Generador de tensión = batería I A V Fuerza Campo Movimiento Regla de los tres dedos N S A G 10