ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
“¿QUÉ ES ESO?”
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ÍNDICE
Tema
Página
Introducción…………………………………………………….3 Electricidad……………………………………………………..5
Circuito eléctrico………………………………………….6 Componentes del circuito eléctrico………………… ..…7 Carga eléctrica…………………………………………..10 Fuerza entre cargas………………………………….….11 Ley de Coulomb…………………………………….……12 Campo Eléctrico………………………………………………..13 Resistencia Eléctrica……………………………………… .…..13 Conexiones en serie y paralelo…………………… .…...14 Capacitancia………………………………………………15 Ley de Ohm………………………………………….……16 Leyes de Kirchhoff………………………………………… .…..17 Magnetismo………………………………………………….…..18 Electromagnetismo………………………………………….…..20 iografía……………………………………………………… ……… 21 Bibliografía………………………………………………
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Introducción
La electricidad y el magnetismo son dos temas importantes a tratar ya que forman parte de nuestra vida cotidiana y de nuestro entorno. La relación que hay entre estos temas es muy estrecha porque de estos dos sale otro tema de igual importancia que es el electromagnetismo y en éste trabajo se verán los conceptos básicos de cada uno de sus apartados como lo son las fuerzas de las cargas eléctricas, la ley de Coulomb, la ley de Ohm y también la ley de Kirchhoff; además se ilustrará con algunos ejemplos para el mejor entendimiento de los temas. Así mismo se hablara acerca de las conexiones en serie y en paralelo, de sus conceptos, al igual que de los circuitos eléctricos que son compuestos por varios componentes como la intensidad de corriente, resistencias, voltaje, etc. Otro tema a tratar es el magnetismo que es una propiedad que puede ser obtenido de varias maneras como la inducción o de manera natural en el caso de la magnetita. Se toman en cuenta igual los temas del electromagnetismo que tiene una relación directa con todo lo anterior.
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ELECTRICIDAD La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros en otras palabras es el flujo de electrones. 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 ionosfera y la superficie terrestre. Los rayos son el ejemplo más claro que tenemos en la naturaleza sobre la electricidad, ya que de esta forma se nos hace más visible la complejidad que esto conlleva.
La electricidad fue un descubrimiento que cambió el curso de la historia, ya que en el época actual, prácticamente todo funciona gracias a ello. Es difícil pensar el cómo vivir sin la electricidad porque sin ella las ciudades dejarían de funcionar los hospitales se quedarían sin ningún lugar en donde guardar las vacunas, medicinas, etc. Pero ya refiriéndonos al tema que nos importa, que es en el ámbito de la física y su aplicación en la vida pues es muy obvio que los ejemplos están en todos lados, desde los grandes edificios hasta nuestros hogares en donde sin darnos cuenta estamos rodeados de las leyes de la física.
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Circuito Eléctrico Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores), y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Por ejemplo en esta imagen se puede ver cómo está compuesto un circuito eléctrico desmontado.
También hay varios tipos de circuitos eléctricos como por ejemplo: •Circuitos de corriente directa: Son aquellos circuitos donde la corriente se
mantiene igual a lo largo del tiempo. •Circuitos de corriente alterna: Son aquellos circuitos donde varía a manera de
ciclos la corriente eléctrica. •Circuito digital: Circuitos que trabajan con señales digitales como las
computadoras, y pueden ser programables. •Circuito serie: Circuito que está conectado uno detrás de otro. •Circuito paralelo: Circuito donde todos los componentes terminan las mismas
terminales.
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Componentes del circuito eléctrico Los principales componentes del circuito eléctrico son los conductores, resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores, semiconductores y aislantes.
Avanzando en orden primero tenemos a los conductores que son los que permiten el flujo de electrones de manera sencilla ya que no presentan oposición a ello. Comúnmente llamado cable; es un hilo de resistencia despreciable (idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.
Después tenemos a las resistencias del cual se hablará más adelante. Siguen los inductores que es un pequeño dispositivo que guarda energía en forma de campo magnético, generalmente también se le llama bobina y tienen una cabeza hueca en el que alrededor de él está el conductor que casi siempre es el cobre. 6
Luego están los condensadores, que son dispositivos que guardan la energía y se les considera como componentes pasivos, es decir que no necesita una fuente de energía para funcionar ya que no pueden controlar la corriente en un circuito. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separadas por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidas a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).
La fuente: Componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica. Pueden ser desde pilas eléctricas hasta generadores de alto voltaje, también lo son las tomas comunes de corriente de las casas. 7
Los interruptores: son los que controlan el paso de la corriente ya que lo pueden cortar o bien pueden permitir que siga fluyendo. Su función puede ser tan simple como el encender y apagar un foco.
Los semiconductores: son materiales que permiten el flujo de los electrones pero de manera moderada. Se usan actualmente el silicio y el germanio. Se utilizan mucho en forma de chips.
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Por último tenemos a los aislantes que son los materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica pues no son conductores, algunos ejemplos son la madera, la cinta aislante y el hule.
Carga Eléctrica La carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. Las partículas que tienen cargas se pueden dividir en electrones y protones que a su vez tienen cargas negativas y positivas respectivamente, y también está el protón que tiene una carga neutra. Y están formadas por otras partículas más pequeñas que se llaman Quarks. Entre estas cargas (negativas y positivas) hay una interacción, por ejemplo cuando se encuentran 2 cargas negativas, o 2 positivas, éstas se repelen, y si se encuentran 2 cargas distintas, es decir, una negativa y una positiva, entonces se atraen. Como se muestra en la imagen de abajo.
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Existe la carga eléctrica elemental que podemos decir que es la carga que tiene un electrón y equivale a 1,602 176 487(40) × 10 -19 coulombs y se le conoce como carga elemental. La unidad de medida dela carga eléctrica es el Coulomb que es equivalente a cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×10 9 N .
Fuerza Entre Cargas Coulomb fue el primero en determinar, en 1785, el valor de las fuerzas ejercidas entre cargas eléctricas. Cuenta la historia que Coulomb usó una balanza de torsión y que con ella determinó la magnitud de las fuerzas de atracción y repulsión de las cargas. Determinó que la magnitud de la fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Y la ecuación es la siguiente:
En esta ecuación q1 y q2 son las cargas, r es la distancia y la constante es k=9x10 9 Nm 2 /C 2 . Y a partir de esta fórmula se puede despejar cualquiera de las variables ya sea para encontrar la distancia entre las cargas o también para encontrar una carga faltante.
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Ley De Coulomb.
La ley de Coulomb se expresa como: 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.
La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrostática.
Una de las “desventajas” de la ley de Coulomb es que sólo funciona cuando las cargas están en reposo, es decir, cuando NO están en movimiento, aunque se puede utilizar para aproximaciones en cargas en movimiento a baja velocidad y en trayectorias en línea recta y a una aceleración que se mantenga constante. Y la fórmula es prácticamente la misma que se mostró anteriormente:
En la que F es la fuerza resultante, k es la constante, q1 y q2 son las cargas, y d es la distancia. Los submúltiplos del Coulomb son: Milicoulomb que es igual a 9x10 -3 C Microcoulomb es igual a 9x10 -6 C Nanocoulomb que es igual a 9x10 -9 C
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CAMPO ELÉCTRICO.
El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.
E campo eléctrico es una especie de fuerza que rodea a los cuerpos que están cargados eléctricamente. Es algo que no se puede ver, y cambia el espacio que lo rodea emitiendo una fuerza que como se había mencionado es invisible pero se puede medir por medio de la Ley de Coulomb, siempre y cuando estas cargas estén en reposo.
RESISTENCIA ELÉCTRICA.
La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente. Descubierta por George Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω).
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De acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón de la tensión y la corriente, así:
Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.
La resistencia eléctrica como su nombre lo dice es una medida que impide el flujo de electrones a través de un conductor. Además la resistencia eléctrica depende de varios factores como lo es la corriente eléctrica, y la tensión en las terminales de la corriente. Es decir, que necesita de cierta temperatura y de un material; y la resistencia en sí se mantendrá constante. Las resistencias en un circuito eléctrico se pueden conectar de 2 maneras, en serie o en paralelo, y éste será el tema que veremos a continuación.
Conexiones En Serie. Las conexiones de resistencias en serie se distinguen porque al momento de conectarse están una detrás de la otra, es decir, se conectan en forma lineal por así decirlo. Y abajo está un ejemplo para distinguirlo mejor. Estas conexiones tienen distintos componentes como lo son la tensión eléctrica que se mide en voltios, las resistencias que se miden en ohmios y la intensidad de corriente que se mide en amperes.
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Conexiones en Paralelo.
Este tipo de conexión a diferencia de la anterior no tiene sus resistencias una después de la otra sino que cambia su orden de tal manera que cuando se aplica la diferencia de potencial en todas las resistencias tienen la misma tensión.
Al igual que en la conexión anterior cuenta con los mismos componentes.
Capacitancia. La capacitancia o capacidad eléctrica es la una propiedad que tienen los cuerpos para retener una carga eléctrica, y esta propiedad es utilizada por el condensador en el circuito eléctrico.
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La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente ecuación:
Donde:
es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio. es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios; es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.
Ley de Ohm.
La Ley de Ohm afirma que la corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia siempre y cuando su temperatura se mantenga constante. La ecuación matemática que describe esta relación es:
Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.
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Leyes de Kirchhoff.
Son 2 las leyes de Kirchhoff que en realidad son igualdades que se basaron en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos.
Primera ley de Kirchhoff.
Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que: En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra en ese nodo es igual a la suma de la corriente que sale. De igual forma, La suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero
Esta fórmula es válida también para circuitos complejos:
La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en coulombs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos. Y aquí un ejemplo para la resolución de ejercicios con esta ley:
La cantidad de carga q (en C) que pasa a través de una superficie de área 2cm2 varía con el tiempo como q= 4t3 + 5t + 6, donde t está en segundos. a) ¿Cuál es la corriente instantánea a través de la superficie en t = 1 s? La intensidad de corriente instantánea se define como: i = dQ/dt Por lo tanto, 2
i (t)=12t +5 i (1S)
=17A
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La segunda ley de Kirchhoff o también conocido como ley de voltaje, dice que la suma de voltajes alrededor de un circuito cerrado debe ser cero. Y su formula es ∑vn=V4+V1+V2+V3=0
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Magnetismo. Es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influídos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. Es una propiedad que tiene el mineral conocido como magnetita, que posee una fuerza de atracción sobre ciertos metales.
Los imanes están rodeados por una fuerza conocida como campo magnético. Los imanes tienen dos polos magnéticos el sur y norte. El polo sur magnético se orienta hacia el norte geográfico y el norte magnético al sur geográfico. Un uso común de este material se da en las brújulas. Por ejemplo si aproximamos imanes tratando de unir sus polos, sólo 2 cosas pueden suceder, o se atraen o se rechazan.
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LINEAS DE FUERZA: Las líneas de fuerza son la ruta que describen de norte a sur la energía de los polos de un imán. El sentido de las líneas de fuerza de un imán es de norte a sur, expresándole de otra forma las líneas de fuerza salen del polo norte y llegan al polo sur del imán. CAMPO MAGNÉTICO: Es todo el espacio, donde actúan las líneas de fuerza magnética. Las líneas de fuerza representan la energía de] campo magnético del imán. Y estos dos conceptos se pueden apreciar en la siguiente imagen, en a que aparecen las líneas de fuerza que conforman al campo magnético.
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Electromagnetismo.
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas, vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Se puede dar por distintos medios, es decir, que el electromagnetismo puede ser inducido, por ejemplo en un clavo que al enrrollarlo con cobre y conectando los extremos del conductor a una fuente de energía, el clavo adquiere un campo magnético. Y al resultado se le conoce como electroimán. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA: Es el fenómeno electromagnético mediante el cual un campo magnético da origen a una corriente eléctrica. Cuando un conductor se desplaza cortando líneas de fuerza de un campo magnético, en ese conductor se induce una corriente. La experiencia demuestra que esa corriente inducida desaparece cuando el conductor se detiene, o sea, cuando deja de cortar las líneas de fuerza del campo magnético. La corriente inducida se consigue únicamente cuando el conductor corta o es cortado por las líneas de fuerza, de no ocurrir esto la corriente desaparece. La corriente inducida depende fundamentalmente de: La velocidad con que se produce el corte de las líneas de fuerza La cantidad de líneas de fuerza que corte el conductor al desplazarse El ángulo que exista entre el desplazamiento del conductor y las líneas de fuerza, siendo máximo en el corte perpendicular.
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BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica http://html.rincondelvago.com/carga-electrica-y-electricidad.html http://pdf.rincondelvago.com/capacitores-en-serie-y-paralelo.html http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito http://www.rena.edu.ve/cuartaEtapa/fisica/Tema13.html http://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_el%C3%A9ctrica http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo http://ea3cdc.galeon.com/aficiones1051491.html http://es.wikipedia.org/wiki/Volt%C3%ADmetro http://es.wikipedia.org/wiki/Amper%C3%ADmetro http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico
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