FISICA IIDiseño IndustrialSegundo Cuatrimestre 2011

Unidad III: Electricidad y Electromagnetismo

Electricidad: electrostática, cargas eléctricas, carga por contacto y por inducción, materiales conductores, aislantes y semiconductores. Ley de Coulomb. Diferencia de potencial, resistencia y circuitos eléctricos. Nociones de magnetismo y electromagnetismo. Principios de funcionamiento del motor y generador.

III.1 Electrostática. Cargas eléctricas

La materia se presenta en nuestro universo con dos características básicas: la masa y la carga.

La primera es responsable de las interacciones gravitacionales.La carga justifica la existencia de interacciones eléctricas. Ambas son dos de las interacciones fundamentales en la naturaleza.

Todo indica que existen dos tipos de carga, identificadas por Benjamín Franklin como positiva y negativa.

Las cargas están asociadas a las partículas que constituyen la materia.Los átomos, que son las estructuras básicas que forman el mundo material, están integrados por tres partículas elementales:

El protón (con carga +)

El electrón (con carga -) El neutrón (desprovisto de carga)

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Salvo el isótopo más abundante del hidrógeno (que no tiene neutrones), todos los demás elementos tienen cantidades específicas de las tres partículas.

La carga negativa de un electrón es, en valor, igual a la carga positiva de un protón y, como la cantidad de electrones y protones es la misma, los átomos resultan ser eléctricamente neutros.

Un cuerpo es eléctricamente neutro no porque carezca de cargas sino porque tiene igual cantidad de cargas positivas y negativas (cantidad de electrones = cantidad de protones).

Por otro lado, un cuerpo está eléctricamente cargado cuando está "roto" ese equilibrio (la cantidad de electrones es mayor o menor que la cantidad de protones)

Existen tres maneras de cargar eléctricamente un cuerpo, y todas ellas implican alterar la cantidad relativa de electrones y protones.

En general son los electrones los que van y vienen alterando el equilibrio de cargas.

Un cuerpo neutro que gana electrones queda con carga neta negativa

Un cuerpo que pierde electrones queda con carga eléctrica positiva

III.2 Carga por contacto y por inducción. Materiales conductores y aislantes

Una de las maneras de cargar un cuerpo es por frotamiento. En el proceso de frotar dos cuerpos neutros (como por ejemplo una varilla de vidrio y un paño de seda) los electrones son "arrancados" de uno de ellos y retenidos en el otro.

En este mecanismo de transferencia de carga, el cuerpo receptor de los electrones queda con carga neta negativa. El otro cuerpo, que perdió los electrones, queda con exceso de carga positiva.

Perder o ganar electrones depende de las características de los dos materiales que participan. En la lista que sigue cada material se carga negativamente si se lo frota con alguno de los que están por arriba de él y se carga positivamente al entrar en contacto con los que están por debajo

Asbesto Vidrio Lana Cuarzo Seda Algodón Madera Bronce Caucho

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Celuloide Goma

También es posible cargar un cuerpo por contacto. En este caso uno de los cuerpos es neutro pero el otro tiene carga neta (positiva o negativa).

Supongamos que el cuerpo cargado tiene exceso de electrones. Entonces, al ponerlo en contacto con el cuerpo descargado, se transfiere parte de esos electrones. De esta manera, el exceso de carga negativa, queda repartido entre ambos cuerpos.

A diferencia de lo que ocurre con la carga por frotamiento, en el proceso por contacto los dos cuerpos quedan con el mismo tipo de carga.

Carga por inducción

Todos los cuerpos están formados por esas estructuras básicas que llamamos átomos.

Los átomos están formados a su vez por protones positivos, electrones negativos y unas partículas neutras llamadas neutrones.

Protones y neutrones se encuentran en el núcleo. Los electrones giran alrededor de ese núcleo.

En los materiales sólidos los átomos ocupan posiciones fijas. Si bien cada átomo mantiene su lugar dentro del material, los electrones más externos de cada uno de ellos se mueven con más o menos libertad.

En algunos materiales, llamados conductores, los electrones pueden desplazarse libremente en la red de átomos.

En otros, denominados aislantes, los electrones tienen restringida esa libertad de movimiento.

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Los metales son buenos conductores

Algunos elementos no metálicos y materiales como el vidrio, la madera o el caucho, son aislantes.

Cuando se agregan cargas a un cuerpo hecho de material conductor, estas se distribuyen uniformemente en todo el cuerpo.

Cuando se agregan cargas a un aislante, estas quedan localizadas en un lugar (a pesar de rechazarse unos a otros, los electrones no pueden desplazarse a otras zonas del cuerpo).

Cuando se acerca un cuerpo cargado a otro descargado (sin tocarlo) se produce un fenómeno conocido como polarización.La polarización consiste en una distribución no homogénea de cargas.

El cuerpo polarizado es eléctricamente neutro pero su distribución de cargas no es uniforme.

Cuando un cuerpo polarizado se conecta a tierra (o simplemente se lo toca) se produce una transferencia de cargas (electrones) desde o hacia el cuerpo. Como consecuencia del ingreso o salida de electrones el cuerpo polarizado (inicialmente neutro) adquiere carga neta.

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Si ahora se quita la conexión a Tierra y se aleja el inductor (en nuestro ejemplo la barra de vidrio con carga positiva), el cuerpo, que inicialmente estaba neutro, quedará cargado.

Los objetos que adquieren carga eléctrica mediante este mecanismo se dice que se han cargado por inducción.

Si bien el efecto de polarización es más evidente en los materiales conductores, los aislantes también se polarizan. En estos casos, aunque los electrones no pueden desplazarse con libertad de un lugar a otro del cuerpo, individualmente cada átomo puede perder su uniformidad y mostrar zonas "más positivas" y zonas "más negativas". En ocasiones esto será suficiente como para que se experimentes acciones de atracción y repulsión.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto el desplazamiento de las cargas en su interior depende de su propia naturaleza. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En los aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.

Entre los buenos conductores y los aislantes hay existe una gran variedad de situaciones intermedias. Los materiales semiconductores, como el silicio y el germanio, situados entre ambos, son la base de la actual revolución tecnológica, los circuitos electrónicos. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero sus propiedades conductoras pueden alterarse con cierta facilidad mediante cambios en su composición.

Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales, y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

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III.3 Ley de Coulomb. Potencial eléctrico. Circuitos de corriente continua

De los experimentos se concluye que:

1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.

Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un defecto de carga positiva, es decir, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia. 

2. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen. 

3. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

Medida de la carga eléctrica

Las cargas eléctricas se manifiestan por fuerzas eléctricas. Si un cuerpo con carga q. se coloca a cierta distancia d de otro cuerpo con carga Q aparece una fuerza entre ellos dada por la Ley de Coulomb

 

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En el Sistema Internacional de Unidades de Medida, la magnitud fundamental es la intensidad cuya unidad es el ampère o amperio, A, siendo la carga una magnitud derivada cuya unidad es el coulomb o culombio C.

La ley de Coulomb

Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q 1 y q2

(cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La ecuación de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la siguiente manera

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·109 Nm2/C2.

Obsérvese que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal

La fuerza F es repulsiva si las cargas son del mismo signo y es atractiva si las cargas son de signo contrario.

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Concepto de campo

Es útil imaginar que cada uno de los cuerpos cargados modifica las propiedades del espacio que lo rodea con su sola presencia. Supongamos, que solamente está presente la carga Q, después de haber retirado la carga q del punto P. Se dice que la carga Q crea un campo eléctrico en el punto P. Al volver a poner la carga q en el punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo eléctrico creado por la carga Q.

Cada punto P del espacio que rodea a la carga Q tiene una nueva propiedad, que se denomina campo eléctrico E que describiremos mediante una magnitud vectorial, que se define como la fuerza sobre la unidad de carga positiva imaginariamente situada en el punto P.El campo eléctrico se calcula como la fuerza por unidad de carga en un punto. Así, para una carga puntual

E = F / q

Recordar: en negrita indicamos que son vectores

III.4 El Potencial eléctrico

El efecto de una distribución de cargas puede describirse mediante el concepto de campo eléctrico producido por esa distribución. El campo eléctrico se define por la fuerza eléctrica Fe por unidad de carga y, como la fuerza, es un vector.

Vamos a introducir otro tipo de campo llamado potencial eléctrico o potencial V, definido como la energía potencial por unidad de carga. Como la energía, es un escalar.

Al estudiar Trabajo y Energía vimos que un objeto tiene energía potencial gravitatoria de acuerdo a su ubicación en el campo gravitatorio. De igual manera, un objeto con carga tiene energía potencial eléctrica de acuerdo a su ubicación o posición en un campo eléctrico. Así como se requiere trabajo para levantar un cuerpo contra el campo gravitacional de la Tierra, se requiere trabajo para mover una partícula cargada contra el campo eléctrico de un cuerpo cargado. Ese trabajo cambia la energía potencial eléctrica de la partícula cargada.

Supongamos una partícula con carga positiva pequeña

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+ +

+ +

+

Si queremos empujar la partícula para acercarla a la esfera tendremos que realizar trabajo (gastar energía) para vencer la repulsión eléctrica, es decir, necesitaremos hacer trabajo en contra del campo eléctrico de la esfera. Este trabajo realizado para mover la partícula aumenta su energía. A la energía que tiene la partícula por su posición en el campo eléctrico se la llama energía potencial eléctrica. Si se suelta la partícula, acelera alejándose de la esfera y su energía potencial eléctrica se transforma en energía cinética.

Si ahora empujamos una partícula del doble de carga realizamos el doble de trabajo y la partícula con carga doble tiene el doble de energía potencial eléctrica que antes. Una partícula con tres veces la carga tiene tres veces la energía potencial, etc.… Resulta más conveniente trabajar con la energía potencial por unidad de carga o potencial eléctrico.

Potencial eléctrico = Energía potencial eléctrica Carga

La unidad del potencial eléctrico es el Volt, por lo que al potencial se lo llama con frecuencia voltaje. Un potencial de 1 V equivale a 1 J de energía por 1 C de carga.Así una batería de 1,5 Volt cede 1,5 Joules de energía por cada Coulomb de carga que pasa por ella.La importancia del potencial eléctrico es que se le puede asignar un valor definido a determinado lugar. Se puede hablar de potenciales eléctricos en distintos lugares de un campo eléctrico, haya o no cargas que ocupen esos lugares. Una batería de 12 V mantiene permanentemente su Terminal positivo a un voltaje mayor en 12 V que el lugar del Terminal negativo. Cuando un material conductor conecta esos terminales con distinto voltaje, se moverán entre ellas cargas en el conductor.

III.5 Corriente continua y circuitos de corriente continua

Hasta el momento, lo que hemos descrito sobre fenómenos eléctricos, se ha referido a cargas en reposo, es decir, fenómenos electrostáticos. De ahora en más veremos fenómenos que involucran cargas eléctricas en movimiento.

El término corriente eléctrica se usa para describir el flujo de carga a través de una cierta región del espacio. La corriente eléctrica consiste simplemente en el movimiento de los electrones y los efectos que este movimiento produce en un conductor, en el aire o en el entorno.

La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad implican corrientes eléctricas y, en la mayoría de las situaciones, el flujo de cargas tiene lugar a través de un conductor.

+

+

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Se denomina corriente eléctrica al movimiento de cargas eléctricas. La corriente eléctrica es el flujo de portadores de carga eléctrica, normalmente a través de un cable metálico o cualquier otro conductor eléctrico, debido a la diferencia de potencial creada por un generador de corriente.

Para el establecimiento de una corriente eléctrica se necesita un circuito eléctrico. Un circuito eléctrico, una serie de elementos eléctricos o electrónicos interconectados a través de conductores en uno o más bucles cerrados. Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.

Los elementos de un circuito son

Conductores: Hilo conductor de resistencia despreciable (idealmente cero) que une eléctricamente dos o más elementos.

Generador o fuente: Elemento que produce una diferencia de potencial. Elemento transformador de energía: motor, plancha, computadora, en fin, cualquier

elemento que transforme la energía eléctrica en otra forma de energía (calórica, luminosa, mecánica, etc.)

El elemento generador o fuente provee en campo eléctrico necesario (a través de una diferencia de potencial) para que las cargas circulen a través del circuito.

Los electrones más alejados del núcleo pueden desligarse del mismo y circular entre los átomos del cuerpo, como sucede en los metales, dando lugar a la corriente eléctrica.

El rayo va acompañado del relámpago que no es más que una manifestación de la radiación electromagnética que ocurre cuando los electrones son acelerados.La luz es una más entre todas las radiaciones electromagnéticas (U. V. rayos X, etc.)

Así como las cargas eléctricas quietas dan lugar a fenómenos electrostáticos, las cargas en movimiento dan lugar a la corriente eléctrica y el electromagnetismo.

Intensidad de corrienteLa intensidad de corriente mide la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección del circuito cada segundo.   Su unidad es el amperio, es decir un culombio por segundo. Una corriente puede ser más o menos intensa. La intensidad de corriente refleja el caudal de electrones que se mueven por el cable.

Otras veces de las nubes cargadas se desprenden chorros de electrones que se transmiten en el aire dando lugar a uno de los fenómenos naturales eléctricos más importante, el rayo

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A la cantidad de carga que transportan los electrones a través de la sección S del conductor en un segundo se le llama intensidad de corriente (I = carga / segundo, Q/s = A: Ampére)

En realidad, las cargas móviles en un circuito ordinario de corriente continua, son electrones que circulan del polo negativo al positivo de la pila. Sin embargo, por tradición, el sentido oficial sigue siendo el de cargas positivas que circulan del polo positivo al negativo.

Este tipo de corriente en la que los electrones siempre se mueven en un mismo sentido se llama corriente continua (c. c.).

La corriente alterna se produce en los generadores de c. a. El proceso ocurre cuando una bobina se mueve frente a un imán, los electrones se mueven en el hilo de la bobina.

La c. a. consiste en un movimiento oscilatorio de los electrones. Estos no se desplazan a lo largo del hilo conductor y simplemente oscilan respecto a un punto.El campo electro-magnético que crean los e- con sus oscilaciones se desplaza por el hilo a la velocidad de la luz (c= 3·10 8 m/s) y a esa velocidad se desplaza la señal eléctrica. Es como si los efectos eléctricos se transmitieran al otro lado casi instantáneamente.

La intensidad de una corriente alterna se debe al mayor o menor número de electrones que oscilan en cada sección del conductor. Su medida la da la carga en culombios que atraviesan la sección del conductor en un segundo, y, como se dijo, su unidad es el amperio. La velocidad con que se transmite una señal electromagnética (luz) no es la velocidad a la que viajan las cargas en el conductor. En los conductores por los que circula corriente las cargas se mueven a velocidades del orden de 10-4 – 10-6 m/s dependiendo del conductor.

La intensidad de corriente se mide con un instrumento denominado amperímetro.

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El amperímetro, basándose en efectos magnéticos, mide la intensidad de la corriente en amperios, miliamperios o micro amperios.

El amperímetro se coloca en "serie", es decir, de forma que por él pase toda la corriente del circuito.

 

 El voltímetro es el aparato que mide, en voltios, la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito.

  El voltímetro se inserta en paralelo con el circuito.

Para tener c. c. en un cable se necesita una pila o Fuente de Voltaje

Para que la corriente circule por un cable o por un circuito necesitamos una fuente de alimentación (una pila o un generador) conectada a los extremos que asegure que un campo eléctrico s mantiene entre los extremos del conductor.

La pila no mantiene un voltaje constante entre sus polos: disminuye al envejecer.

Tampoco la pila da el voltaje que está escrito en su exterior, pues este depende del circuito en que se coloca. Cuanto mayor es la intensidad que la atraviesa menor es la diferencia de potencial entre sus extremos. Una pila en cortocircuito (uniendo sus extremos por un cable conductor) se agota en cuestión de minutos y ya desde el primer instante su voltaje cae a un valor mucho menor del indicado en ella.Colocando el polo positivo de la pila a un lado del conductor (cable) y el negativo en el otro, los electrones fluyen a través del cable. En un polo de la pila ocurre una reacción química que suministra electrones y en el otro polo

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transcurre otra que necesita que le aporten electrones. Al unir los polos se produce corriente continua.

Pilas en serie

Pilas en Paralelo

Portapilas

Las pilas tienen dos polos que son la conexión externa de unas celdas donde se realizan dos reacciones químicas diferentes: en una celda está un metal formado por átomos que tienen facilidad para soltar electrones (ej. trozo de Zn en medio ácido) y en la otra celda está el elemento que tiene átomos que desean capturar electrones (ej. iones Cu +2 de una disolución de sulfato de cobre). Puestos en contacto los polos la corriente circula.

En cada vaso de esta pila de petaca se produce una reacción que origina una d.d.p.(diferencia de potencial) de 1,5 V. Los tres vasos están en serie y la pila suministra 4,5 V.Cuando uno de los componentes, por ej. el trozo de Zn, se agota la pila deja de de funcionar.La pila siempre tiene polo + y -. Su voltaje depende del tipo de componentes y de las reacciones que tienen lugar en su interior. Si la reacciones que ocurren dentro de la pila son reversibles (pueden ir hacia atrás dándoles corriente), la pila es recargable.

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Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es una red de componentes eléctricos (elementos productores o consumidores de corriente) conectados entre sí para un fin. El circuito se representa mediante un esquema eléctrico en el que los elementos que intervienen están colocados de manera ordenada para poder estudiarlo de forma sistemática y conceptual.

Los elementos eléctricos se representan por símbolos.

Cable conductor

El cable debe ser de un material conductor (que tenga átomos con electrones externos fácilmente desligables del átomo y que se muevan fácilmente por él). Estos materiales son los metales (Cu, Al) o aleaciones metálicas.

Las característica o magnitudes de los cables son: Resistencia, con la que dificulta el paso de la corriente, y grosor que debe ser adecuado a cada instalación para que no se caliente y se funda (o incendie el entorno). Estas dos magnitudes están relacionadas. La resistencia mide la oposición del conductor al paso de la corriente. Su unidad es el ohmio.

Cables

Además de los cables para c. a. que llegan al hogar, llega también la c. c. del teléfono que transmite la señal por variación de la intensidad que determina el micrófono. Tiene bajo voltaje e intensidad.

Desde mediados del siglo XX llegan las señales transmitidas por ondas electromagnéticas (T. V.) que captadas por antenas, son ampliadas y se transmiten por cables coaxiales protegidos por una malla. Hoy llega también la señal de Internet y los datos se transmiten entre ordenadores con bajos voltajes e intensidades de miliamperios.

Los cables que portan señales y no sólo corriente, deben ser protegidos con mallas eléctricas para que sus datos no sean perturbados por señales externas.El color del recubrimiento de los cables no influye para nada en la conducción, sólo es una ayuda para que el electricista pueda saber cuando mira en el extremo de una conducción cuál está conectado a tensión, a tierra, etc. El cable de tierra es amarillo y verde que va desde los enchufes a una pica enterrada en los cimientos del edifico. Si pasa corriente a la carcasa de los aparatos por un mal contacto, la corriente deriva por ese cable antes que por nuestro cuerpo.

Para construir un alargador en tu casa debes conocer esta regla: por cada kW de potencia que quieras conectar el grosor del cable debe ser de 1mm2. Para calcular la intensidad que pasará por él sabes que: Potencia = voltaje del enchufe x Intensidad

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CONCLUSIONES SOBRE EL CONCEPTO DE CIRCUITO

Del mismo modo que puede circular el agua entre dos depósitos de agua de diferentes alturas; también circula la carga eléctrica entre dos puntos, con diferente potencial, unidos por un conductor.   

La intensidad de corriente mide la carga que pasa cada segundo. Su unidad es el amperio. El aparato de medida se llama amperímetro. El amperímetro se conecta en serie, dentro del circuito.

La diferencia de potencial entre dos puntos del circuito se mide en voltios . El aparato de medida se llama voltímetro. El voltímetro se conecta en paralelo al circuito.

La oposición del conductor al paso de la corriente se llama resistencia. Se mide en ohmios.

RESISTENCIA Y LEY DE OHM

Ohm investigó la relación que había entre la intensidad de corriente que pasa por un elemento de un circuito y la diferencia de potencial entre los extremos de ese elemento.

Cuando se aplica una diferencia de potencial V, en adelante V a los extremos de un conductor metálico como el de a figura, la corriente en el conductor es proporcional a la diferencia de potencial aplicada, es decir I V.

Esta proporcionalidad puede escribirse como V = I . R, donde la constante de proporcionalidad es la resistencia del conductor.

Luego la resistencia del conductor es el cociente entre la diferencia de potencial en el conductor y la corriente que circula por él.

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La unidad es V/A = Ohm cuyo símbolo es .

Si un dispositivo eléctrico conectado a una fuente de 220 V transporta una corriente de 10 A su resistencia será de 22 .

La resistencia es la cantidad que determina la corriente debido a un determinado voltaje en un circuito simple. Si la resistencia aumenta, la corriente disminuye, si la resistencia disminuye, la corriente aumenta.

En muchos materiales, como la mayoría de los metales, los experimentos demuestran que la resistencia es constante para un amplio rango de voltajes aplicados. Este comportamiento se conoce como Ley de Ohm. Los materiales que cumplen con esta ley se denominan óhmicos, mientras que los que no cumplen con esta relación se llaman materiales no óhmicos. Los materiales y dispositivos óhmicos presentan una relación lineal corriente – voltaje para un amplio rango de valores (gráfico 3.6 a). Los materiales y dispositivos no óhmicos presentan una relación corriente-voltaje no lineal, como la de la figura 3.6b. Un dispositivo no lineal es el diodo, un elemento de circuito que actúa sólo dejando pasar la corriente en un sentido. Su resistencia para las corrientes en un sentido es pequeña y grande para la dirección opuesta.

La resistencia de un hilo conductor óhmico es proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal.

lA

donde la constante de proporcionalidad se denomina resistividad del material y se mide en m. (Ohm-metro)

R =

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Ejemplo: Comparar las resistencias de dos alambres, uno de cobre y otro de aluminio de 1 mm de radio y 10 m de longitud. Calcular, además, la corriente que circulará por cada uno de ellos al conectarlos a una batería de 9 V.

ENERGÍA ELÉCTRICA Y POTENCIA

Si se utiliza una batería para establecer una corriente eléctrica en un conductor, se produce una transformación continua de energía química de la batería en energía cinética de los electrones y luego en energía interna del conductor, lo que da lugar a un aumento de a temperatura de éste.

En los circuitos eléctricos típicos, la energía se transfiere desde un generador, tal como una batería o pila, a algún dispositivo, como una lámpara o un receptor de radio. En el circuito de la figura 3.10, se está suministrando energía a una resistencia. Cuando la carga se mueve desde a hasta b pasando por la batería, cuya diferencia de potencial es V, la energía potencial eléctrica del sistema aumenta en una cantidad Q. V y la energía química de la batería disminuye en la misma cantidad. Cuando la carga se mueve desde c hasta d pasando por la resistencia, el sistema pierde esta energía potencial eléctrica en las colisiones con los átomos de la resistencia. En este proceso, la energía se transforma en energía interna, correspondiente al aumento del movimiento de vibración de los átomos de la resistencia. Consideramos que los cables de conexión presentan resistencia despreciable no se produce ninguna transformación de energía en los tramos bc y da. Cuando la carga vuelve a a el resultado neto es que parte de la energía química de la batería ha sido suministrada a la resistencia y se encuentra en dicho elemento en forma de energía interna.

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El ritmo de suministro de energía a la resistencia es

P = I V = I.VSi recordamos que en una resistencia la diferencia de potencial es proporcional a la corriente V = R I

P = R I2 = V 2

RLa unidad de potencia es el Watt = Ohm . ampere2 = volt2 / OhmComo esta energía es fundamentalmente disipada en forma de calor, dicho efecto se denomina efecto Joule.

La unidad de energía que utilizan las compañías eléctricas para calcular el consumo es el kilowatt-hora que es la cantidad de energía transferida en 1 h a un ritmo constante de 1 KW.

1 KWh = 1 . 103 W . 3600 s = 3,6 . 106 J (Joules)

Ejemplo: Un foco tiene los valores nominales 220 V/ 75 W, lo que quiere decir que su voltaje de operación es 220 V y su potencia nominal es de 75 W. Calcular la corriente en el foco y su resistencia. (Rta: 0,341 A 645)

ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS

Muchas veces deseamos conectar más de un aparato en el mismo circuito. Vamos a estudiar el caso en el que conectamos varias lámparas, aunque las concusiones son válidas para las resistencias de cualquier aparato que conectemos. Cuando todos los aparatos están conectados de forma que la misma intensidad de corriente pasa a través de todos, decimos que están en serie. Ese es el caso, por ejemplo de las bombillas del árbol de Navidad .Sin embargo, cuando los diferentes elementos están unidos a nudos comunes, decimos que están asociados en

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paralelo. Así es como están conectados casi todos los aparatos de nuestra vivienda.

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III.6 Magnetismo y electromagnetismo

Magnetismo

Se conoce como magnetismo en física a uno de los fenómenos por medio de los cuales los materiales ejercen fuerzas atractivas o repulsivas sobre otros materiales. El magnetismo forma junto con la fuerza eléctrica una de las fuerzas fundamentales de la física, el electromagnetismo. Es decir, los fenómenos magnéticos también se manifiestan a través de fuerzas sobre cierto tipo de materiales.

Un imán es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético significativo, de forma que tiende a alinearse con otros imanes (por ej., con el campo magnético terrestre).

Tipos de imanes

Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo, bien mediante frotamiento con un imán natural, bien por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente (electroimanación).

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Un electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espira) por la cual circula corriente eléctrica. Esto genera un campo magnético isomórfico al de un imán de barra el imán se imanta

Tanto si se trata de un tipo de imán como de otro la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados 'polo norte' y polo sur'. Polos iguales se repelen y polos distintos se atraen. No existen polos aislados (monopolo magnético), y por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, solamente que la fuerza de atracción del imán disminuye.

Entre ambos polos existen líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno. Nacía así el electromagnetismo que unificó las fuerzas eléctrica y magnética.

En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente el material no presenta propiedades magnéticas; y en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.

Es decir, los fenómenos magnéticos y eléctricos están relacionados entre sí y ambos responden a la misma causa: las cargas eléctricas.

Electromagnetismo es una rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. Ambos fenómenos se describen en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos, es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El Electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas

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eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

Bibliografía

Física Volumen II. Serway, Jewet Editorial ThomsonFísica para la Ciencia y la Tecnología, Vol. II. Tipler, Editorial Revertéhttp://www.fisicanet.com.arhttp://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/contenidos.htm http://fisicamontpe.webs.com/http://pablo-fisicadultos.blogspot.com/hhhp://wikipedia.com

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