UNIDAD EDUCATIVA BIBLICA CRISTIANA “SENDERO DE FE”
ELECTRODINAMICA
MONOGRAFIA
PREVIO A LA OBTENCION DEL TITULO DE
BACHILLER EN: FISICO-MATEMATICO
PRESENTADO POR:
FELIPE EDUARDO LEON VARGAS
GUAYAQUIL – ECUADOR
2014
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a todas aquellas personas que me apoyaron durante mi vida escolar, a mis padres, amigos y familiares más cercanos. Quiero realizar una dedicatoria especial a mi madre que siempre ha estado apoyándome en cada una de mis decisiones, a mis amigos por su inigualable amistad brindada y su apoyo incondicional, que gracias a ellos pude culminar con éxito éste trabajo investigativo.
Felipe Leon
AGRADECIMIENTO
Por medio de este presente proyecto doy a conocer mis sinceros agradecimientos, primeramente a mis Padres quienes me han brindado todo su apoyo, y que con sus sabios consejos me supieron orientar e inculcar principios morales, para que de esta manera siga adelante y culminen mis estudios. Quiero también dar un agradecimiento muy especial al Lcdo. Roberto
Jur ado, al Pro fesor Jo séEcheverrí séEcheverría y al Profeso r J uan Esco bar, quien con paciencia y conocimientos me han h an sabido guiar en el transcurso del presente trabajo investigativo y de esta manera culminar el mismo.
TRIBUNAL DE GRADUACIÓN
___________________
_____________________
Ing. Loyda Calderón PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
Ing. Juan Escobar TUTOR
____________________ Lcda. Marcia Calero PRIMERA VOCAL DEL CONSEJO EDUCATIVO
_____________________ Lcdo. Roberto Jurado INSPECTOR GENERAL
_____________________ Sra. Elizabeth Vera Secretaria del Plantel
DECLARACION EXPRESA
Afirmo que todo el contenido que se encuentra en ésta monografía de grado es totalmente único, verídico y de mi autoría, dando fe que todo lo expresado en este trabajo son afirmaciones verdaderas.
_________________________
Firma del estudiante
INDICE
Portada……………………………………………………………………………….I Dedicatoria………………………………………………………………………... ..II Agradecimiento………………………………………………………………..……III Tribunal de Graduación…………………………………………………………....IV Declaración Expresa………………………………………………………...….....V Índice……………………………………………………………………...…... .......VI Introducción…………………………………………………………………………VII Objetivos…………………………………………………………………………….VIII
MARCO TEORICO CAPITULO 1: ELECTRODINAMICA 1.1 ¿Qué es la Electrodinámica?, 1 1.2 Tipos de Electrodinámica, 1 1.3 Reseña Histórica, 2 1.4 ¿Qué estudia la Electrodinámica?, 2
CAPITULO 2: CORRIENTE ELECTRICA 2.1 ¿Qué es Corriente Eléctrica?, 3 2.2 Naturaleza de la Corriente Eléctrica, 3 2.3 Intensidad de la Corriente Eléctrica, 4 2.4 Tipos de Corriente Eléctrica, 5
CAPITULO 3: FUERZA ELECTROMOTRIZ 3.1 F.E.M., 6 3.2 ¿Qué es una Pila?, 7 3.3 ¿Qué es un Generador Eléctrico?, 7 3.4 Resistencia Eléctrica, 7 3.5 Resistividad, 8
CAPITULO 4: LEYES DE LA ELECTRODINÁMICA 4.1 Ley de Ohm, 9
4.2 Leyes de Kirchhoff, 10 4.3 Campo eléctrico y potencial eléctrico, 11
CAPITULO 5: CONDUCTANCIA 5.1 ¿Qué es la Conductancia?, 12
CAPITULO 6: CIRCUITOS ELECTRICOS 6.1 Definición de Circuitos Eléctricos, 13 6.2 Clases de Circuitos, 13 6.3 Circuito en Serie. Propiedades, 13 6.4 Circuito en Paralelo. Propiedades, 14 6.5 Circuito Mixto, 15
CAPITULO 7: POTENCIA ELECTRICA 7.1 Definición, 16 7.2 Fórmulas de la Potencia Eléctrica, 17
CAPITULO 8: EFECTO JOULE 8.1 Efecto Joule, 18 8.2 Aplicaciones del Efecto Joule, 18
Conclusiones, 19 Anexos, 20 Bibliografía, 25
INTRODUCCION
Al contrario de lo que ocurre con la electrostática, la electrodinámica se caracteriza porque las cargas eléctricas se encuentran en constante movimiento. La electrodinámica se fundamenta, precisamente, en el movimiento de los electrones o cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse. Todos los cuerpos conocidos en la naturaleza, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se componen de átomos o moléculas de elementos químicos simples o compuestos. La electrodinámica es la rama del electromagnetismo que trata de la evolución temporal en sistemas donde interactúan campos eléctricos y magnéticos con cargas en movimiento. Albert Einstein desarrolló la relatividad especial merced a un análisis de la electrodinámica. Durante finales del siglo XIX los físicos se percataron de una contradicción entre las leyes aceptadas de la electrodinámica y la mecánica clásica.
OBJETIVOS
Objetivo general
Objetivo especifico
Definir lo que es Corriente Eléctrica.
Establecer diferencia entre una Pila y un Generador Eléctrico.
Definir la Resistencia Eléctrica.
Diferenciar un Circuito en Serie de uno en Paralelo.
Enunciar la Potencia Eléctrica.
Resolver problemas que traten sobre estos temas.
Definir y aplicar el Efecto Joule.
MARCO TEORICO CAPITULO 1 ELECTRODINAMICA
1.1
¿Qué es la Electrodinámica?
La electrodinámica consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctrica que pasan de una molécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor, por ejemplo, un metal. Se puede utilizar cualquier fuente de fuerza electromotriz para poder poner en movimiento las cargas eléctricas. Estas pueden ser de naturaleza Química (como una batería) o también Magnética (como un generador de corriente eléctrica).
1.2
Tipos de Electrodinámica.
La Electrodinámica Clásica se ocupa de los campos y las partículas cargadas en la forma original. La Electrodinámica Cuántica aplica los principios de la mecánica cuántica a los fenómenos eléctricos y magnéticos. La Electrodinámica Relativista trata de la conducta de las partículas cargadas y de los campos, cuando la velocidad de ellas se aproxima a la de la luz.
1
1.3
Reseña Histórica.
Galvani demostró en 1790 que el contacto de dos metales diferentes produce contracciones en los músculos de una rana. El físico italiano Alejandro Volta atribuyó este efecto en la electricidad originada por el contacto de dos metales, lo que condujo, en 1800, al descubrimiento de su pila. Este dispositivo permitió a Nicholson y Carlisle descomponer el agua en ese mismo año.
En 1801, demostró que la corriente eléctrica puede provocar la incandescencia de un hilo metálico. En 1807 Davy aisló por electrólisis los metales alcalinos y descubrió el arco eléctrico.
Ohm enuncio su ley en 1827. R.Krohlraush definió la resistividad, Kricheff estudio el reparto de las corrientes en un circuito.
Faraday dio en 1833 las leyes de la electrolisis y Joule estudio lo efectos térmicos de las corrientes.
1.4
¿Qué estudia la Electrodinámica?
La Electrodinámica estudia los fenómenos y los procesos relacionados con el movimiento de las cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse.
2
CAPITULO 2 CORRIENTE ELECTRICA 2.1 ¿Qué es Corriente Eléctrica?
Es el movimiento o flujo libre de las cargas negativas (electrones) a través de un conductor a través de un campo eléctrico. Los protones al estar fuertemente unidos al núcleo del átomo no tienen la posibilidad de moverse libremente, a diferencia de los electrones. Por lo tanto podemos decir que la corriente eléctrica se origina por el movimiento de los electrones a través de un conductor, esto se produce debido a que existe una diferencia de potencial.
2.2 Naturaleza de la Corriente Eléctrica.
En un conductor metálico, los electrones se mueven de forma desordenada, ya que no tienen ninguna dirección ni sentido definido, sin embargo, en promedio el número de electrones que se desplazan en un sentido es igual al número de electrones que se desplazan en sentido contrario, por lo cual el movimiento es nulo, con ello concluimos que el flujo neto de electrones es cero.
2.3 Intensidad de la Corriente Eléctrica.
La intensidad de la Corriente Eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa a través de un conductor en un segundo.
3
Entonces tenemos:
Siendo: I = Intensidad de la corriente eléctrica en coulomb/s = ampere = A. Q= Carga eléctrica en coulomb. T= Tiempo en segundos.
Para recordar: En la práctica se utiliza con mucha frecuencia el mili ampere
(mA). 4
2.4 Tipos de Corriente Eléctrica
Existen dos clases de corrientes eléctricas:
a)
Corriente Continua.-
Se origina cuando el campo eléctrico permanece constante, lo que provoca que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido, es decir, de negativo a positivo. Ejemplo: en la pila, en la batería, etc.
b)
Corriente Alterna.-
Se origina cuando el campo eléctrico cambia alternativamente de sentido, por lo que los electrones oscilan a un lado y otro del conductor, es así que, en un instante, el polo positivo cambia a negativo y viceversa.
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CAPITULO 3 FUERZA ELECTROMOTRIZ 3.1 F.E.M.
Sabemos que, la corriente eléctrica se origina por el movimiento o flujo de electrones a través de un conductor, a causa de la existencia de una diferencia de potencial.Entonces podemos decir que la fuerza electromotriz es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. A esta fuerza se lo representa con el símbolo griego “Ɛ”. El valor de la fuerza electromotriz se define como el trabajo realizado por la fuente de energía, ya sea una pila o un generador eléctrico, que recae sobre cada carga libre positiva, para luego trasladarlo desde el polo negativo hacia el polo positivo. Ejemplo: la unidad de carga gana energía “+Ɛ”, para un desplazamiento contrario, la unidad de carga pierde energía “ -Ɛ”.
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Siendo: Ɛ= Fuerza electromotriz, en volts. T= Trabajo realizado para que la carga recorra todo el circuito, en joules. Q= Carga que recorre el circuito, en coulombs.
3.2 ¿Qué es una Pila?
Una pila es un dispositivo que transforma la energía química en energía eléctrica.
3.3 ¿Qué es un Generador Eléctrico?
Un generador eléctrico es un aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
3.4 Resistencia Eléctrica.
Es una característica que tienen los materiales de ofrecer facilidad al fluido de la corriente eléctrica a través de ese material. Cuando pasa la corriente por la resistencia ésta se calienta, cualquiera que sea la dirección. 7
Algunos materiales como el plástico, la madera seca, la porcelana, el corcho, el vidrio; dificultan el paso de la corriente y son denominados aislantes. La unidad para medir la resistencia eléctrica es el ohm en honor a George Simon Ohm, físico alemán (1787 – 1854). El Reostato, es un aparato construido con un material aislante, es prácticamente una resistencia que gradúa la intensidad de la corriente.
3.5 Resistividad.
Los conductores ofrecen resistencia al paso de la corriente eléctrica, según sea la calidad y según sus dimensiones. La ley que regula esta característica se enuncia así: “La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección.”
Siendo: R= Resistencia del conductor, en “Ω”.
= Resistencia del material del que está hecho el conductor, en “Ω*m”. L= Longitud del conductor, en “m”.
A= Área de la sección del conductor en “ 8
”.
CAPITULO 4 LEYES DE LA ELECTRODINÁMICA
4.1 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:
En dónde:
I = Intensidad de corriente en Amperios “A”
V = Diferencia de potencial, en voltio “V”.
R = Resistencia del conductor, en “Ω”
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4.2Leyes de Kirchhoff.
Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos. Fueron descritas por primera vez en 1845 por Gustav Kirchhoff. Son ampliamente usadas en ingeniería eléctrica.
1)
Ley de corrientes 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 las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.”
∑
La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en couloumbs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos.
2)
Ley de tensiones de Kirchhoff
Esta ley es llamada también Segunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff o ley de mallas de Kirchhoff y es común que se use la sigla LVK para referirse a esta ley.
10
En un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico en un lazo es igual a cero.
Esta ley se basa en la conservación de un campo potencial de energía
∑
4.3 Campo eléctrico y potencial eléctrico.
La ley de tensión de Kirchhoff puede verse como una consecuencia del principio de la conservación de la energía. Considerando ese potencial eléctrico se define como una integral de línea, sobre un campo eléctrico.
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CAPITULO 5 CONDUCTANCIA ELECTRICA 5.1 ¿Qué es la Conductancia?
Se denomina conductancia eléctrica (G) a la propiedad de transportar, mover o desplazar uno o más electrones en su cuerpo; es decir, que la conductancia es la propiedad inversa de laresistencia eléctrica. No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia específica de un material.
La unidad de medida de la conductancia en el Sistema internacional de unidades es el siemens. Este parámetro es especialmente útil a la hora de tener que manejar valores de resistencia muy pequeños, como es el caso de los conductores eléctricos.
Dónde: G = Conductancia en Siemens. R = Resistencia en Ohmios.
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CAPITULO 6 CIRCUITOS ELECTRICOS 6.1 Definición de Circuitos Eléctricos.
Se denominan circuitos eléctricos al conjunto de dispositivos por las cuales circulan una corriente de manera permanente. En todo circuito eléctrico por donde se desplazan los electrones a través de una trayectoria cerrada existen los siguientes fundamentales: a) Voltaje b) Corriente c) Resistencia
Cuando la corriente eléctrica circula en todo el sistema, el circuito está cerrado y cuando no circula por el sistema estará abierto. Para abrir o cerrar el circuito utilizamos un interruptor.
6.2 Clases de Circuitos.
Los circuitos eléctricos pueden estar conectados: en serie, en paralelo o en forma mixta. 6.3 Circuito en Serie.
Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están dispuestos de tal manera que forma un único camino para la corriente. En este tipo de circuito las resistencias se acoplan una a continuación de la otra.
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Propiedades.
a)
La corriente es la misma en todas las resistencias.
b) El voltaje de la fuente se distribuye en forma de cascada en todas las resistencias.
c) La resistencia equivalente del circuito viene dada por la suma de las resistencias que actúan.
6.4 Circuito en Paralelo.
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricosestán dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro. En este tipo de circuito las resistencias se acoplan de manera que sus bornes están unidas entre sí, de tal manera que todos quedan conectados directamente a la fuente.
Propiedades.
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a) La corriente total está dada por la suma de las corrientes en cada resistencia.
b) Todas las resistencias experimentan el mismo voltaje.
c) La resistencia esta equivalente se puede calcular con la siguiente expresión matemática.
6.5 Circuito Mixto.
En este tipo de circuito las resistencias están agrupadas tanto en serie como en paralela.
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CAPITULO 7 POTENCIA ELECTRICA 7.1 Definición.
Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece en la forma de calor. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt.
Siendo: P= Potencia, en watts “W”. T= Energía o trabajo, en joules “J”. t = Tiempo, en segundos “s”.
7.2 Fórmulas de la Potencia Eléctrica.
La formula de la potencia eléctrica puede tomar otras formas en función de otras mediciones de la corriente, así tenemos:
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()
()
()
()
17
CAPITULO 8 EFECTO JOULE
8.1 Efecto Joule.
El calor desprendido en un circuito por defecto del paso de la corriente se llama “efecto Joule” y su enunciado es el siguiente: “El calor Q producido en un conductor al pasar la corriente a través de él es directamente proporcional a la energía eléctrica W gastada para vencer la resistencia del conductor.”
8.2 Aplicaciones del Efecto Joule.
Existen varios aparatos y dispositivos eléctricos que producen calor como consecuencia del efecto Joule; por ejemplo: calefacción eléctrica, planchas, cocinas, hornos, tostadoras, etc. En estos utensilios la corriente relativamente alta circula por una bobina de varios ohms de resistencia. Esta bobina se fabrica con una aleación especial y de un tamaño apropiado para que el calor generado no eleve la temperatura hasta el punto de fusión.
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CONCLUSIÓN
1. Para concluir podemos decir que la Electrodinámica nos ayuda en el estudio del análisis de los campos magnéticos producidos por las corrientes, 2. las fuerzas electromotrices inducidas por campos magnéticos variables, la fuerza sobre las corrientes en campos magnéticos, la propagación de las ondas electromagnéticas y el comportamiento de partículas cargadas en campos magnéticos y eléctricos.
Hemos podido entender que la electrodinámica es muy importante dentro de la Física, ya que fue uno de los principios planteados por Albert Einstein, y que gracias a sus estudios y descubrimientos han hecho un gran aporte para la humanidad. La electrodinámica también ha servido para el estudio de la Electrónica. Finalmente este trabajo nos invita a adentrarnos más en el campo de la Física.
RECOMENDACIONES 1.
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ANEXOS
Anexo 1
Así funciona la Electrodinámica
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electrodinamica/ke_electrodinami ca_2.htm
ANEXO 2 Naturaleza de la Corriente Eléctrica
20
http://villamor-electrodinamica10-2.blogspot.com/
ANEXO 3 Corriente Contínua
ANEXO 4 Corriente Alterna
21
http://villamor-electrodinamica10-2.blogspot.com/
ANEXO 5 Circuito en Serie – Circuito en Paralelo
http://www.monografias.com/trabajos34/circuitos-electricos/circuitoselectricos.shtml#circuit#ixzz2qOiZm0Ul
ANEXO 6 Conductancia Eléctrica: Calentad or elé ctr ico qu e em plea res isten cia d e alamb re nicrom o com o elemento de calefacción.
22
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_conductancia/ke_conduct_1.htm
ANEXO 7 Ley de corrientes de Kirchhoff
ANEXO 8 Ley de tensiones de Kirchhoff
23
http://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Kirchhoff
ANEXO 9 Potencia Eléctrica
http://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtml
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