COLEGIO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS Y TECNOLÓGICOS DEL ESTADO DE SONORA
MÓDULO DE APRENDIZAJE
FÍSICA II Hermosillo, Sonora; agosto de 2011.
COLEGIO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS DEL ESTADO DE SONORA Dirección Académica Subdirección de Desarrollo Académico Departamento de Desarrollo Curricular Calle La Escondida #34, Col. Santa Fe, Hermosillo, Sonora, México. CP. 83249 Física II Módulo de aprendizaje Quinto semestre Elaboradores María Isela Andrade Félix José Manuel Belderrain Gálvez Francisco Javier Díaz Ruíz Moisés Figueroa Mimela Víctor Manuel Escobar Gutiérrez Nohé Gallegos Maytorena Rubén Juárez Macazani Jesús Armando Leyva Rodríguez Eleazar López Pacheco Jesús Enrique Moreno Gámez Nicanor Medina Millanes Ricardo Nava Pozos Brenda Lizeth Rochín Castro Alicia Dolores Ruíz Saavedra Jesús Tamayo Fernández Carlos Adrián Vega Zazueta Supervisión académica María Asunción Santana Rojas Jesús Enrique Córdova Bustamante Mario Muñoz Urías Edición y diseño Elisa Sofía Valdez Alcorn Coordinación técnica Ana Lisette Valenzuela Molina Coordinación general José Carlos Aguirre Rosas Copyright ©, 2011 por Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de Sonora Todos los derechos reservados
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Directorio
MTRO. Martín Alejandro López García Director General
M.C. José Carlos Aguirre Rosas Director Académico
ING. José Francisco Arriaga Moreno Director Administrativo
L.A.E. Martín Francisco Quintanar Luján Director de Finanzas
LIC. Alfredo Ortega López Director de Planeación
LIC. Gerardo Gaytán Fox Director de Vinculación
L.A. Mario Alberto Corona Urquijo Director del Órgano de Control
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Ubicación Curricular
Componente: Formación básica
Campo de conocimiento: Ciencias experimentales
Asignatura antecedente: Física I
Asignatura Consecuente: Temas de Física
Créditos: 8
Horas: 4 HSM
Datos del alumno
Nombre ________________________________________________________ Plantel _________________________________________________________ Grupo _________ Turno _________ Teléfono _________________________ Correo electrónico _______________________________________________ Domicilio _______________________________________________________
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ESTRUCTURA GENERAL DE LA ASIGNATURA
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6
ÍNDICE Presentación……………………….……………………………………………………………......
10
Recomendaciones para el alumno …………………………………………………………….....
11
Competencias……………………………………………………………………………………….
13
Unidad 1. Calor
15
1.1. Temperatura
17
1.1.1. Diferencia entre calor y temperatura……………………………………….…………….
17
1.1.2. Escalas termométricas y conversiones…………………………………………………..
21
1.2. Dilatación
26
1.2.1. Dilatación térmica……………………………………………………………………………
26
1.2.2. Dilatación lineal, superficial, volumétrica y aplicaciones………………………………
29
1.3. Calor
39
1.3.1. Cantidad de calor…………………………………………………………………………..
39
1.3.2. Formas de propagación de calor………………………………………………………….
45
Autoevaluación…………………………………………………………………………………….
50
Unidad 2. Fluidos
53
2.1. Gases
55
2.1.1. Gases y sus características……………………………………….……………………….
55
2.1.2. Gases ideales………………………………………………………………………………..
57
2.2. Leyes de los gases
59
2.2.1. Ley de Boyle…………………………………………………………………………………
59
7
2.2.2. Ley de Charles…..………………………………………………………………………….
64
2.2.3. Ley de Gay- Lussac…………………………………………………………………………
70
2.2.4. Ley general del estado gaseoso…..………………………………………………………
74
Autoevaluación…………………………………………………………………………………….
77
Unidad 3. Fuerza eléctrica
81
3.1. Campo eléctrico
83
3.1.1. Fuerza eléctrica……………………………………….………………………………….…
83
3.1.2. Ley de Coulomb…………………………………………………………………………….
87
3.1.3. Intensidad del campo eléctrico……………………………………………………………
92
3.2. Potencial eléctrico
96
3.2.1. Energía potencial eléctrica…………………………………………………………………
96
3.2.2. Cálculo de potencial eléctrico.……………………………………………………………..
100
3.3. Capacitancia
107
3.3.1. El capacitor………………..…………………………………………………………………
107
3.3.2. Cálculo de la capacitancia…..……………………………………………………………..
110
3.3.3. Capacitores en serie y en paralelo…………………………………………………………
114
3.4. Corriente eléctrica
120
3.4.1. Intensidad de la corriente eléctrica………………...………………………………………
120
3.4.2. Tipos de corriente eléctrica (C.A. y C.D.)…..……………………………………………..
124
3.4.3. Ley de Ohm…………………………..………………………………………………………
127
3.4.4. Circuitos resistivos en serie, paralelo y mixto…………………………………………….
131
8
Autoevaluación……………………………………………………………………………………
142
Unidad 4. Magnetismo
145
4.1. Propiedades magnéticas
148
4.1.1. Imanes………….…………………………………….………………………………….….
148
4.1.2. Campo magnético…………………………………………………………………………
150
4.1.3. Materiales magnéticos.……………………………………………………………………
158
4.1.4. Teoría del magnetismo…………………..……………………………………………….
161
4.1.5. Leyes del magnetismo..…………………………………………………………………..
164
4.2. Inducción electromagnética
168
4.2.1. Electroimanes y sus aplicaciones………….……………………………………………..
168
4.2.2. Aplicaciones del electromagnetismo……….…………………………………………….
173
Autoevaluación…………………………………………………………………………………….
182
Instrumentos de evaluación………………………………………………………………………
184
Claves de respuestas de las autoevaluaciones………………………………………………
190
Glosario……………………………………………………………………………………………..
191
Referencias…………………………………………………………………………………………
194
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PRESENTACIÓN El Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de Sonora, comprometido con la calidad educativa, ha implementado acciones que apoyan tu desarrollo académico, siendo una de éstas, la elaboración del presente módulo de aprendizaje, el cual pertenece a la asignatura de Física II, que cursarás durante el quinto semestre. La asignatura de Física II, analiza los sistemas térmicos y los fenómenos electromagnéticos, y los diferencia de los fenómenos mecánicos, por medio del aprendizaje de los conceptos fundamentales y subsidiarios y leyes comprendidas en esta asignatura. Para lograr lo anterior, éste módulo de aprendizaje se conforma de tres unidades, descritas a continuación: UNIDAD I.
Calor
UNIDAD II.
Fluidos
UNIDAD III.
Fuerza eléctrica.
UNIDAD IV.
Magnetismo
En el contenido de estas unidades, se relaciona la teoría con la práctica, a través de ejercicios, encaminados a apoyarte en el desarrollo de las competencias requeridas para los alumnos que cursan esta asignatura. Seguros de que harás de este material, una herramienta de aprendizaje, te invitamos a realizar siempre tu mayor esfuerzo y dedicación para que logres adquirir las bases necesarias, para tu éxito académico.
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RECOMENDACIONES PARA EL ALUMNO El presente módulo de aprendizaje, representa un importante esfuerzo que el Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de Sonora, ha realizado, para brindarte los contenidos que se abordarán en la asignatura de Física II. Los contenidos de Física II, serán abordados a través de diversos textos, ejercicios, evaluaciones, entre otras actividades. Cabe mencionar, que algunas de las actividades propuestas las deberás realizar de manera individual mientras que en algunas otras, colaborarás con otros compañeros formando equipos de trabajo bajo la guía de tu profesor. Para lograr un óptimo uso de este módulo de aprendizaje, deberás: Considerarlo como el texto rector de la asignatura, que requiere sin embargo, ser enriquecido consultando otras fuentes de información. Consultar los contenidos, antes de abordarlos en clase, de tal manera que tengas conocimientos previos de lo que se estudiará. Participar y llevar a cabo cada una de las actividades y ejercicios de aprendizaje, propuestos. Es muy importante que cada una de las ideas propuestas en los equipos de trabajo, sean respetadas, para enriquecer las aportaciones y lograr aprendizajes significativos. Considerarlo como un documento que presenta información relevante en el área de las Matemáticas, a ser utilizado incluso después de concluir esta asignatura. Identificar las imágenes que te encontrarás en los textos que maneja el módulo de aprendizaje, mismas que tienen un significado particular:
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Evaluación diagnóstica
Ejercicio que se elaborará en equipo.
Ejercicio que se elaborará de manera individual.
Ejemplo del tema tratado en clase.
Tarea que se elaborará en casa, relacionada con el tema visto en clase.
Tarea de investigación.
Material recortable para resolver algunas de las tareas a elaborar en casa.
Ejercicios para aplicar lo aprendido en casos de la vida cotidiana.
Examen de autoevaluación que se resolverá al final de cada unidad.
Aprendizajes a lograr al inicio de cada subtema.
Esperando que este material de apoyo sea de gran utilidad en tu proceso de aprendizaje, y así mismo despierte el interés por conocer y aprender más sobre esta ciencia, te deseamos el mayor de los éxitos.
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COMPETENCIA DE LA ASIGNATURA Al final de la asignatura, el alumno: Identifica los sistemas térmicos y los fenómenos electromagnéticos para diferenciarlos de los fenómenos mecánicos para la solución de problemas reales, partiendo de la lógica de lo cotidiano para llega al pensamiento científico, utilizando como herramientas las estrategias centradas en el aprendizaje (secuencias didácticas).
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COMPETENCIAS Genéricas 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 3. Elige y practica estilos de vida saludable. 4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. 10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables.
Disciplinarias 1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. 9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
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Unidad I Calor
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COMPETENCIAS
Obtiene, registra y sistematiza la información sobre calor y temperatura para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.
Distingue los conceptos de calor y temperatura.
Comprende la relación que existe entre los factores que inciden en calor y temperatura.
Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos de calor y temperatura.
Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. Identifica problemas, formula preguntas caracterizadas dentro de los temas de calor y temperatura planteando hipótesis necesarias para responderlas.
Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno térmicas y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.
Analiza las leyes generales que rigen los fenómenos de calor y temperatura en el medio que se desarrollan.
Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno térmicas y los rasgos observables a vista o mediante instrumentos o modelos científicos.
Utiliza las tics para procesar e interpretar información.
TEMARIO 1.1
Temperatura
1.1.1. Diferencia entre calor y temperatura 1.1.2. Escalas y conversiones termométricas 1.2.
Dilatación térmica
1.2.1. Características de la dilatación térmica 1.2.2. Dilatación lineal, superficial, volumétricas y aplicaciones 1.3
Calor
1.3.1. Cantidad de calor 1.3.2. Formas de propagación de calor (conducción, radiación y convección)
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simple
Sesión 1
1.1.
Temperatura
1.1.1. Diferencia entre calor y temperatura
Contesta de manera individual las siguientes preguntas.
1. ¿Es correcto decir que una persona con fiebre tiene “temperatura”?
2. ¿Qué es calor?
3. ¿Es igual el calor a la temperatura?
4. ¿Con qué instrumentos se mide la temperatura?
5. ¿Qué relación existe entre calor, temperatura y energía?
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Calor y temperatura ¡Cuánto hemos progresado desde que el ser humano sintió la necesidad de proteger su cuerpo utilizando pieles de animales! Considerando tal vez que era una forma de contrarrestar el frío, sin pensar, en realidad, que con ese mecanismo lo que verdaderamente hacía era aislar su cuerpo de las inclementes bajas temperaturas de su ambiente. Observamos que los temas relacionados con conceptos cómo calor y temperatura son parte de la vida cotidiana, tal como una persona que dice que tiene “calor” y lo atribuye a la temperatura del ambiente o cuando se dice que la temperatura provoca que se sienta mucho calor, sin embargo, ambas afirmaciones son incorrectas; hablando en términos físicos, lo correcto es decir que podemos aplicar calor a un objeto para incrementar su temperatura o energía cinética promedio. En física, la temperatura está asociada a la energía cinética molecular de un cuerpo independientemente de la masa de dicho cuerpo, mientras el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo con mayor energía cinética molecular a otro con menor energía cinética molecular, en otras palabras, el calor es una forma de energía en tránsito. Si se mide la energía cinética de cada una de las moléculas de un cuerpo y después se calcula su promedio, se obtiene el valor de su energía térmica o su temperatura, de esa manera podemos caber cuando sube o baja su temperatura. Cuando dos cuerpos con diferentes temperaturas entran en contacto, existe una transferencia de calor entre ellos, de tal manera que transcurrido un tiempo, ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura y dejarán de transferirse calor, y es entonces que se logra un equilibrio térmico; no se debe confundir energía térmica con calor, ya que la energía térmica es la energía de todas las moléculas de un cuerpo y el calor sólo es la energía que se transfiere y se mide en Joules o Calorías.
EJEMPLO S
Un cerillo encendido tiene una alta temperatura (750°C a 1000 ºC), pero es incapaz de producir calor suficiente como para calentar un litro de agua en una olla. Sin embargo, un horno a 180 ºC sí tiene esa capacidad. La energía cinética de un líquido caliente como el contenido en una taza de café es alta, mientas la energía cinética de un objeto congelado como una paleta es muy baja.
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Ejercicio 1 Si ponemos a hervir agua en dos recipientes llenados al nivel, uno chico y uno grande, al llegar el contenido al punto de ebullición los dos marcarán 100°C, como se ilustra en la figura 1. ¿Cuál de los dos hervirá primero y por qué? Se evalúa con la lista de cotejo de trabajo escrito.
Figura 1. Experimento de comparación de temperaturas de dos objetos de diferente masa y calentados simultáneamente.
Operaciones matemáticas y anotaciones:
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Ejercicio 2 Apoyado en el texto “Calor y temperatura”, contesta las preguntas que se hacen a continuación. Las respuestas se evaluarán mediante una lista de cotejo.
Primera parte: Preguntas de opción múltiple: 1. a) b) c) d) e)
Podríamos definir el calor como: La temperatura que tiene un cuerpo. Un fluido que pasa de un cuerpo caliente a uno frio. La energía que almacena un cuerpo. La energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Una forma positiva de energía, mientras que el frio es una forma negativa.
2. a. b. c. d. e.
¿Es correcto pensar que la temperatura es una cantidad de calor que almacena un cuerpo? Si, la temperatura mide el calor total de las partículas de un cuerpo No, la temperatura mide la energía media de agitación de las moléculas de un cuerpo No, la temperatura mide la energía total de agitación de las moléculas de un cuerpo. Si, la temperatura mide el calor medio de las partículas de un cuerpo. Si, la temperatura mide la energía total del cuerpo.
Segunda parte: Preguntas de respuesta abierta o directa: 1. ¿Qué es la energía interna de los cuerpos materiales?
2. ¿Es lo mismo energía interna que temperatura? Explica con detalle la respuesta.
3. ¿Cómo definirías esa sensación que llamamos "tener frío"? ¿Nuestro sentido del tacto mide o detecta calor o temperatura?
4. ¿Cuál es la unidad de medida del calor?
Tarea 1 En el libro „Física General‟ de Héctor Pérez Montiel, Pp. 333-334, identifica los términos calor y temperatura. Con esa información elabora un mapa conceptual. El producto se evaluará con la rúbrica de mapa conceptual.
20
Sesión
1.1.2 Escalas termométricas y conversiones
2
Identifica las diferentes escalas de medición de temperatura y la relación que existe entre los puntos clave de estas escalas. Identifica las unidades de temperatura en los sistemas de medición. Comprende los modelos matemáticos para establecer conversiones entre las escalas. Resuelve ejercicios de conversión de unidades de temperatura relacionados con su realidad. Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita.
Con el objetivo de identificar y recuperar las creencias, conocimientos, saberes y opiniones de los jóvenes sobre temperatura: de manera individual contesta las siguientes preguntas.
1. ¿Con qué aparato se mide la temperatura? 2. ¿A qué temperatura hierve el agua?
3. ¿A qué temperatura se congela el agua? 4. ¿Cuáles escalas termométricas conoces? 5. ¿Cuál es la temperatura del cuerpo humano en condiciones normales?
A partir de las sensaciones fisiológicas que se tiene cuando se ponen en contacto los objetos se puede predecir la temperatura.
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Ejercicio 3 En equipos, analice el siguiente texto. A partir de su lectura elabore un mapa conceptual acerca de las escalas termométricas. Evalúa la actividad con la rúbrica de mapa conceptual.
Temperatura Las escalas termométricas Debido a la necesidad que se genera por el desarrollo de la tecnología y sus diferentes aplicaciones en la industria y la medicina, se hace imperante no solo tener la sensación de frio y caliente, sino cuantificar esas “sensaciones”, por lo que se plantea el uso de termómetros. Tienen para sus mediciones tres escalas importantes o más utilizadas; Celsius, Kelvin y Fahrenheit, y una menos conocida es Rankin. El termómetro es un instrumento que utilizamos para medir la temperatura (T) de los cuerpos. El más utilizado antiguamente fue el termómetro de mercurio, que por la característica del mercurio a dilatarse con el calor, aumentaba su volumen hasta la temperatura del cuerpo con el que había entrado en contacto. Hoy en día, este termómetro ha sido sustituido por el eléctrico. Hay varias escalas termométricas. La más utilizada es la escala Celsius o centígrada, pero vamos a ver las tres más importantes: a) Celsius ó Centígrada: Para esta escala, se toman como puntos fijos, los puntos de ebullición y de fusión del agua, a los cuales se les asignan los valores de 100 y 0 respectivamente. En esta escala, estos valores se escriben como 100° y 0° y se leen 100 grados Celsius y 0 grados Celsius, respectivamente. La temperatura se expresa con el símbolo °C. b) Fahrenheit: Es la más utilizada en la mayoría de los países anglosajones y su símbolo es: ºF. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. En ella el grado 32 corresponde al 0 de la escala centígrada y el 212 al 100 °C. Su Utilización se circunscribe a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la unificación de sistemas en la escala centígrada. c) Kelvin (o absoluta): Llamada absoluta o Kelvin por Sir Lord Kelvin. En la escala absoluta, al 0 ºC le hace corresponder 273,15 K; al 100 ºC corresponde 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como -273,15 ºC. 0 K se utiliza para referirse a una temperatura a la que todavía nadie ha conseguido llegar, en la cual no existe ningún tipo de movimiento, ni siquiera el ligero movimiento vibratorio de las partículas. Se emplea en los laboratorios; 273ºC bajo cero, equivalen a "0" en la escala Kelvin. A esto se le denomina el cero absoluto. Para referirnos a esta escala utilizamos: K. Definimos como temperatura al estado térmico de la materia. Siendo el estado térmico el indicado por el nivel energético de las partículas (electrones, protones y neutrones) que forman al átomo de la sustancia en cuestión.
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Ejercicio 4 Observa la figura 1.1.2.1. Con esa información da respuesta a las siguientes preguntas. Evalúa la actividad con la lista de cotejo para evaluar un cuestionario.
1.
¿Cuáles son los puntos en los que se igualan las temperaturas?
2.
¿Cuáles son los puntos bajos y altos de las tres escalas?
3.
¿Cuál es el punto de ebullición y el punto de congelación de las tres escalas?
4.
¿Qué escalas coinciden en el cero?
5.
¿Cuál es la escala que maneja el cero absoluto?
Figura 1.1.2.1 Comparación de las escalas entre los termómetros.
Tarea 2 Investiga la relación matemática que se da entre las escalas termométricas. Indica el significado de cada variable. Elabora las fórmulas para realizar conversiones entre escalas termométricas. Se evaluará con rubrica de trabajo de investigación.
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Sesión 3
María viajará a Ensenada por un fin de semana. Mientras decide qué ropa llevar, revisa la temperatura en la Internet. Se pronostica que el sábado estará a 100℉ y el domingo a 125℉. ¿Llevará ropa de verano o invierno? Convirtiendo los ºF a ºC, utilizamos el valor conocido de los grados °F y encontramos los grados °C, porque es el valor desconocido, y la relación que conocemos es la siguiente: ℉ Despejamos y sustituimos para obtener los ºC de la siguiente manera: Para el sábado: = =37
EJEMPLO
Para el domingo. =
= 51.6666
Por lo que tendrá que llevar ropa de verano.
Ejercicio 5 Resuelve los siguientes ejercicios de conversión entre escalas. Anota las operaciones realizadas para la obtención de resultados. Utiliza la lista de cotejo para evaluar la realización de un ejercicio.
Realiza la conversión de las siguientes escalas termométricas 1. 50
aK
2. 95℉ a K
3. 380K a
4. 210
a °F
5. 65℉ a
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Ejercicio 6 En equipo de cuatro integrantes resuelve los ejercicios siguientes. Aplica la fórmula vista anteriormente. Cada integrante deberá registrar el procedimiento en su cuaderno. Esta actividad será entregada al profesor, la cual la evaluará con la rúbrica para la solución de problemas.
1.- Una sustancia se calienta a una temperatura de 200℉, sin embargo el profesor te pide los resultados en la escala Celsius, ¿qué resultado le proporcionarás a tu profesor?
2.- En un cuarto frio, se tienen tres termómetros en la escala Celsius, Kelvin y Fahrenheit; El termómetro en escala Kelvin marca cero, ¿que marcan los otros dos termómetros?
3.- Se sabe que las palomitas de maíz revientan a la temperatura de ebullición del agua en la escala Celsius o centígrada. ¿A cuánto equivale esa temperatura a ℉?
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Sesión 4
1.2 Dilatación. 1.2.1. Dilatación térmica.
Identifica qué es la dilatación térmica. Investiga sobre los efectos de la dilatación térmica. Discrimina de varias fuentes conceptos claves. Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita
De manera individual contesta las siguientes preguntas.
1. ¿Qué es “dilatación”?
2. ¿Qué sucede a una puerta de aluminio cuando se le expone al sol durante la época de verano?
3. ¿Qué cambio origina el calor en los cuerpos metálicos?
4. ¿Por qué a los tramos de las vías del tren se les deja pequeño margen de separación entre una y otra?
5. ¿Por qué se deja un margen de separación entre las losas de cemento?
6. ¿Qué ocurre si se infla un globo y se le deja en la intemperie?, ¿Se da algún cambio comparativo al observarlo al mediodía o la noche?
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Ejercicio 7 Mediante la lectura del siguiente texto te darás una idea de lo que es la dilatación térmica. Redacta en tu cuaderno un ejemplo de cada tipo de dilatación. Puedes colocar imágenes ilustrativas de este fenómeno. Se evaluará con la lista de cotejo de una aplicación del contenido en la vida cotidiana. Efectos de la temperatura Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se licuan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes. La dilatación es el aumento de tamaño de los materiales, a menudo por efecto del aumento de temperatura. La experiencia muestra que los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La dilatación y la contracción ocurren en tres (3) dimensiones: largo, ancho y alto. A la variación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina dilatación térmica. La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre porque aumenta la energía térmica y esto hace que aumente las vibraciones de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, haciendo que pase a posiciones de equilibrio más alejadas que las originales. Este alejamiento mayor de los átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones. Este fenómeno no afecta sólo a los líquidos o sólidos también a los gases. Al recibir un aumento de calor, las partículas se separan entre sí, permitiendo que el gas se torne más liviano y se eleve. Ejemplo de esto es lo que hace posible que los "globos aerostáticos" se puedan elevar y desplazar. Pero toda regla tiene su excepción y es el agua en este caso quién confirma la regla, porque al calentarse entre los 0º C y los 4º C, se contrae y al enfriarse se dilata. Se conoce este fenómeno como la dilatación anómala del agua. Dilatación térmica: Dilatación, por lo general, la materia se dilata al calentarla y se contrae al enfriarla. Esta dilatación se determina por medio de los llamados coeficientes de dilatación. Dilatación Lineal: Un cambio en una dimensión de un sólido. La longitud inicial es Lo y la temperatura inicial es ti. El valor de temperatura que vario o temperatura final es t y la nueva longitud dilatada es L. De tal manera, un cambio en la temperatura, ∆T= Tf –Ti, ha dado como resultado un cambio en su longitud. Dilatación Superficial: Es cuando hay cambios de área como resultado de cambios de temperatura. Es similar a una ampliación fotográfica. Dilatación volumétrica: de un material que es igualmente calentado en todas direcciones. Creciendo en todas dimensiones.
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EJEMPLO
La dilatación térmica está presente hasta en lo más simple: Las ruedas de los coches, el aire que contiene, si aumenta mucho la temperatura, gana presión.
Ejercicio 8 .
En equipo, relaciona ejemplos de dilatación térmica. Se evalúa con la lista de cotejo para evaluar la aplicación del contenido a la vida cotidiana y lista de cotejo de trabajo en equipo.
Tarea 3 Consultando en Internet o en la bibliografía sugerida, investiga: La tabla de dilatación lineal con los principales elementos. En el libro Física General de Héctor Pérez Montiel. Página 338, se entrega reporte en el cuaderno. Ejemplos reales donde se aplica los conocimientos sobre la dilatación térmica y elabora un reporte, en el cuaderno. Se sugiere la siguiente página: http://www.xuletas.es/ficha/dilatacion-weas-del-calor/. Se evaluará con el instrumento rúbrica de investigación.
Ejercicio 9 Redacta en tu cuaderno un ensayo sobre qué se podría hacer o implementar para reducir la dilatación en los cuerpos y con ello evitar que se puedan dañar o perjudicar a las personas. Evalúa el ejercicio con la rúbrica para evaluar tareas y trabajos por escrito.
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Sesión 5
1.2.2. Dilatación lineal, superficial, volumétrica y aplicaciones.
Comprende los efectos de la temperatura en las dimensiones de los cuerpos (el concepto de dilatación de cuerpos). Distingue entre los tipos diferentes de dilatación de cuerpos. Resuelve problemas de dilatación lineal, superficial y volumétrica a partir de la aplicación de modelos matemáticos. Selecciona y organiza información. Discrimina de varias fuentes conceptos claves. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita.
De manera individual contesta las siguientes preguntas
1. ¿Qué es „dilatación‟?
2. ¿Qué importancia tiene la temperatura en la contracción o expansión de los cuerpos?
3. ¿Todos los materiales se dilatan de igual manera?
4. ¿En cuántas dimensiones pueden dilatarse los cuerpos?
5. ¿Si tienes un dado de metal y lo calientas que imaginas que pasa?
6. ¿Qué has notado cuando a una puerta de metal le pega el sol en verano?
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Ejercicio 10 Se te proporciona un mapa conceptual (Figura 1.2.2.1) incompleto, Complétalo con base en tus conocimientos sobre el tema. Se evaluará con el instrumento rúbrica de mapa conceptual.
.
Figura 1.2.2.1 Mapa conceptual para completar.
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Sesión 6
Ejercicio 11 En equipo de cuatro integrantes, observen y analicen las siguientes imágenes para que contesten las preguntas que se derivan. Se evalúa con una lista de cotejo de cuestionario.
a) Dilatación ____________________________
b) Dilatación ____________________________
c) Dilatación volumétrica o dilatación ______________________________
Figura 1.2.2.2. Diferentes tipos de dilatación.
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1.- Coloca en la línea el tipo de dilatación de que se trate en cada una de los casos. 2- ¿En cuántas dimensiones (lados) crecen cada una de las figuras? 3.- Define qué es Li, Lf ,Ti, Tf y ∆L de la figura (a). 4.- Define qué es X1 y Y1, X2 y Y2 , ∆X , ∆Y y Ai y Af de la figura (b). 5.- Define qué es V,Vo y ∆V de la figura (c). 6.- Menciona al menos tres tipos de materiales donde se presente el fenómeno de dilatación. 7.- Para construir el puente sobre el Rio Yaqui, ubicado en el estado de Sonora se utilizaron lozas de concreto. Entre cada loza se dejó un espacio. ¿Por qué? 8.- Menciona la diferencia entre los distintos tipos de dilatación.
EJEMPLO S
La capacidad de dilatación y contracción de los diferentes materiales se toman en cuenta para su diseño. En el caso de las vías del tren siempre se deja un espacio entre ellas para cuando se dilaten. Las llantas por el calor se inflan y toman presión aumentando de tamaño, los puentes, las tuberías, el concreto del pavimento. etc.
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Sesión 7
Ejercicio 12 En equipos de cuatro alumnos, lean el siguiente texto y den respuesta a las preguntas que se realizan sobre la dilatación lineal, superficial y volumétrica. Se evaluará con la lista de cotejo para trabajo en equipo.
Dilatación La dilatación lineal es aquélla en la cual predomina la variación en una única dimensión, ya sea en el ancho, largo o altura del cuerpo. Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L0 y temperatura T0. Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura ΔT, notaremos que su longitud pasa a ser igual a Lf. Pero si aumentamos el calentamiento, de forma de doblar la variación de temperatura, o sea, (2 ΔT), entonces observaremos que la dilatación será el doble (2 ΔL). Podemos concluir que la dilatación lineal es directamente proporcional a la variación de temperatura. Imaginemos dos barras del mismo material, pero de longitudes diferentes. Cuando calentamos estas barras, notaremos que la mayor se dilatará más que la menor. Podemos concluir que, la dilatación es directamente proporcional al largo inicial de las barras. Los valores de los coeficientes de dilatación lineal (α), superficial (γ) y volumétrica (β) se obtienen de tablas. Cuando calentamos igualmente dos barras de igual longitud, pero de materiales diferentes, notaremos que la dilatación será diferente en las barras. Podemos concluir que la dilatación depende del material (sustancia) de la barra. Entonces tenemos las siguientes expresiones:
Donde: Δl= Dilatación lineal en metros (m) α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1] L0 = Longitud inicial en metros (m) Lf = Longitud final en metros (m) ΔT=Diferencia de temperaturas (Tf-Ti) en ºC Ti = Temperatura inicial en ºC Tf = Temperatura final en ºC Los lados de una placa sufren dilataciones lineales, provocando una dilatación superficial cuando aumenta su temperatura. Esto se observa en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es mucho menor que las otras dos, por ejemplo en chapas, láminas y espejos, etcétera. El coeficiente de dilatación superficial de una lámina, que se dilata en la misma proporción a lo largo y lo ancho, se puede obtener multiplicando el coeficiente de dilatación lineal por dos: = 2α Se define al coeficiente de dilatación superficial como: La variación de la superficie de una placa, por unidad de área, cuando hay un aumento en la temperatura. Para calcular la variación de superficie que experimenta una placa metálica, por ejemplo, se aplica la expresión: A 33
Donde: Δl= Dilatación superficial en metros (m) =coeficiente de dilatación superficial [°C-1] A0 = Superficie o área inicial en m2 Af = Superficie o área final en m2 ΔT=Diferencia de temperaturas (Tf-Ti) en ºC Ti = Temperatura inicial en ºC Tf = Temperatura final en ºC Un ejemplo práctico de la dilatación superficial es la boquilla que le colocan al vitropiso para que si sufre dilatación no se arquee o abra.
La dilatación volumétrica se presenta en el estado liquido y su concepto y fórmula son los mismos, solo que en lugar de trabajar con longitudes se trabaja con volúmenes, los cuales deben ser dados en m3, es muy común que cuando se habla de dichos volúmenes se expresen en unidades de capacidad, pero el (coeficiente de dilatación volumétrica) nos señala que debe de haber transformación a m3 con la siguiente equivalencia: 1 m3 = 1x106 cm3 1 m3 = 1000 litros No solo son unidades en m3, esto es para todas las unidades que expresen volumen. La expresión matemática para el cálculo de la dilatación volumétrica o cubica es: Donde: ΔV= Dilatación volumétrica o cúbica en m3 =coeficiente de dilatación volumétrica [°C-1] V0 = Volumen inicial en m3 Vf = Volumen final en m3 ΔT=Diferencia de temperaturas (Tf-Ti) en ºC Ti = Temperatura inicial en ºC Tf = Temperatura final en ºC El coeficiente de dilatación cúbica se representa con la letra β (beta) y se aplica a los líquidos, si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, el coeficiente de dilatación cubica es tres veces mayor que el coeficiente de dilatación lineal en el caso de los sólidos. =3α
34
Ejemplo: Si el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es de 67.2x10-6 coeficiente de dilatación cubica es: =3α =3 (67.2x10-6 -1) =20.16x10-5 -1
-1
, entonces, el
Preguntas: 1. ¿Cómo podemos determinar el coeficiente de dilatación superficial y volumétrica a partir del coeficiente de dilatación lineal?
2. En la fórmula de dilatación superficial y volumétrica temperatura?
¿cómo se obtiene el cambio de
3. ¿Qué unidades tiene la dilatación superficial y la volumétrica?
4. Es una dilatación ________________, cuando un cuerpo incrementa su tamaño en dos dimensiones debido a incremento de su ________________. 5. En el caso de los sólidos huecos la dilatación __________________ se calcula considerando al solido como relleno del mismo material, es decir, como macizo.
6. Cuando se dilatan los líquidos al calentarse, también lo hace el recipiente que lo _____________________, y al suceder esto se incrementa su _____________________.
Tarea 4 El alumno investiga de manera individual y elabora en su cuaderno una tabla que responda a la pregunta: ¿Cuáles son los coeficientes de dilatación lineal, superficial y volumétrica para diversos materiales? Se recomienda consultar el libro de física general de Héctor Pérez Montiel, pp.338-341 ó las siguientes referencias de Internet. http://www.buenastareas.com/ensayos/Dilatacion-Volumetrica/119504.html http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_dilataci%C3%B3n http://galeon.com/profedemateyfisica/tablas.pdf
Se evaluará con la rúbrica de investigación.
35
Sesión 8 EJEMPLOS
1.- A una temperatura de 250C una varilla de hierro tiene una longitud de 5.5 m. ¿Cuál será la longitud al disminuir la temperatura a 30°C?
Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
α= 11.7 x 10-6°C-1 Lf=5.50032m
L0=5.5 m 0 T0 =25 C 0 Tf=30 C Lf=?
2.- A una temperatura de 170C una ventana de vidrio tiene un área de de 1.6 m2. ¿Cuál será su área final al aumentar su temperatura a 320C? Datos 0 Ti= 17 C 0 Tf= 32 C 2 Ai=1.6 m Af=? -6 =14.6 x 10 /
Fórmula
Sustitución 2(
Af=1.6 m 1.000219
)
Resultado 2 Af= 1.6003504 m
3.- Una esfera de aluminio a temperatura de 18º C posee un volumen de 98 cm³, ¿Cuál será su volumen final si su temperatura se eleva hasta los 96º C? El coeficiente de dilatación ( ) del aluminio es 67.2 x 10-6 / ºC. Datos Aluminio -6 =67.2 x 10 / Ti=18 3 -6 3 Vi=98 cm =98×10 m Vf=? Tf=96
Fórmula
Sustitución -6
3
Vf= 98×10 m (1.00524) Resultado -5 3 Vf=98.5136×10 m
36
Ejercicio 13 Resuelve los siguientes problemas sobre dilatación lineal, superficial y volumétrica. Éstos deberán incluir: datos, fórmula, sustitución, solución y unidades. Se evalúa con la lista de cotejo para ejercicios.
1. A una temperatura de 30 0C una varilla de hierro tiene una longitud de 5.5 m. ¿Cuál será la longitud al aumentar la temperatura a 500C? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2. Un puente de acero de 100 m de largo a 80C, aumenta su temperatura a 240C, ¿Cuánto medirá su longitud final? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3. A una temperatura de 40 °C una lámina de cobre mide .70 m de largo y .6 m de ancho. ¿Cuál será su área final al disminuir su temperatura a 12 0C? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
4. A una temperatura de 20 en un matraz de vidrio con capacidad de 2 litros se llena de mercurio y se calientan ambos a 100 . Calcula la dilatación cúbica del mercurio. Datos
Fórmula
Sustitución
37
Resultado
Sesión 9
Ejercicio 14 Resuelve de manera individual los siguientes problemas. Su solución deberá incluir lo siguiente: datos, fórmula, sustitución, desarrollo y resultado. Se evalúa con el instrumento rúbrica para evaluar una serie de problemas; además subraya la respuesta correcta en la serie de reactivos que se anexan; esta parte se evaluará con la lista de cotejo de un trabajo escrito. 1.- En un día caluroso de verano, la temperatura es de 35 0C a media mañana. Si la separación entre el poste de la CFE y la acometida de tu casa es de 10 metros, ¿Cuál será la dilatación del cable (de cobre) que cuelga del poste a la acometida cuando la temperatura alcanza su nivel máximo de 500C? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- A una temperatura de 296 0K una puerta de aluminio mide 1.98 m de largo y 0.65 m de ancho. ¿Cuál será su área final al disminuir su temperatura a 120C? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Un disco de latón tiene un agujero de 80 mm de diámetro en su centro a 70℉. Si el disco se coloca en agua hirviente, ¿Cuál será su nueva área del agujero? Datos
Fórmula
4.- Una barra de aluminio de 0.20 m3 a 16 a) El volumen final Datos
Sustitución
se calienta a 44
Fórmula
Resultado
. Calcula:
Sustitución
Resultado
Sustitución
Resultado
b) La dilatación cúbica Datos
Fórmula
38
Sesión 10
1.3 Calor. 1.3.1 Cantidad de calor.
Discrimina conceptos claves de varias fuentes. Identifica los conceptos de capacidad calorífica, calor específico, inercia térmica, calor latente. Identifica las características del calor (unidades de calor, capacidad calorífica, calor específico, inercia térmica y calor latente situaciones reales). Aplica los modelos matemáticos de cantidad de calor, capacidad calorífica, calor específico y calor latente. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita.
Con la finalidad de identificar y recuperar las creencias, conocimientos, saberes y opiniones de los jóvenes sobre calor. En plenaria, el profesor realiza las siguientes preguntas para construir de manera conjunta el conocimiento. Evaluación directa.
1. ¿Por qué se calientan los cuerpos?
2. ¿Se puede generar energía calorífica a partir de la energía mecánica?
3. ¿Cómo se genera el calor?
4. ¿Cómo se mide el calor?
5. ¿Hay materiales en el que el calor se trasmite más fácilmente que en otros, cuales son?
6. ¿Qué importancia tiene la masa para conducir el calor?
39
Introducción El calor es parte de nuestra vida diaria: Partiendo desde la temperatura de nuestro cuerpo, hasta los fenómenos de la naturaleza que suceden día a día. Por ello el estudiar sus reacciones, medición y estudio nos parecen muy importantes. Ejercicio 15 Lee el siguiente texto. De su lectura extraerás información para contestar las siguientes preguntas. Se evalúa con la lista de cotejo de cuestionario. El calor El calor es un flujo de energía de una cosa a otra debido a una diferencia de temperatura. Como el calor es una forma de energía se mide en Joules, y en ocasiones en calorías; la caloría que se define como la cantidad de calor necesaria para cambiar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. Ese nombre es vestigio de la idea antigua de que el calor es un fluido invisible llamado calórico. Como cualquier energía se puede convertir en otra, podemos igualar una unidad de energía mecánica con una de energía calorífica y resulta la siguiente equivalencia (1 caloría = 4.184 Joules). Quien encontró esta relación fue Joule, pues encontró que cuando se proporciona energía ya sea por fricción, corriente eléctrica, radiación o cualquier medio producirá trabajo mecánico, formando una cantidad equivalente de calor y a esto lo llamó “equivalente mecánico del calor”. Si cedes una caloría de calor al agua elevará su temperatura en 1°C. Es probable que ya hayas notado que algunos alimentos permanecen calientes mucho más tiempo que otros, por ejemplo si sacas del tostador una rebanada de pan tostado, al mismo tiempo viertes sopa caliente en un tazón, a los pocos minutos la sopa estará caliente y lista para tomar, pero el pan estará frio. Las diferentes sustancias tienen distintas capacidades de almacenamiento de energía interna, a esto se le llama capacidad calorífica y esta se define como la cantidad de calor que recibe una sustancia y su correspondiente elevación de temperatura. La reina del calor específico es el agua y la que tiene mayor calor especifico que todas las sustancias, porque tiene mayor inercia térmica y le toma mayor tiempo enfriarse, la arena tiene menor calor específico, lo que se manifiesta en la rapidez con la que se calienta la playa durante el día y en la rapidez con que se enfría por la noche. Por lo que la inercia en mecánica es la resistencia de un objeto a cambiar su estado de movimiento, la inercia térmica será la resistencia de una sustancia a cambiar su temperatura. Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible. Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C (temperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aún cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo. 40
1.
¿Cómo se determina el contenido energético de los alimentos?
2.
Explica la diferencia entre caloría y un joule.
3.
¿Cuáles son las unidades de calor?
4.
¿Una sustancia que se calienta con rapidez, tiene un calor específico alto o bajo?
5.
¿Qué es la inercia térmica?
6.
¿Qué es el equivalente mecánico del calor?
7.
¿Quién encontró la relación entre energía calorífica y energía mecánica?
8.
¿Cuáles son los tipos de calor latente?
9.
¿Para qué sirve el calor latente?
10.
¿Qué es el cambio de fase?
EJEMPLO S
Tarea 5
El relleno de un pay caliente de manzana, puede estar demasiado caliente, aun cuando la cubierta no lo esté. Ello se debe al calor específico de la sustancia.
De manera individual, investiga el calor específico de algunas sustancias. Las unidades de capacidad calorífica, calor específico, calor latente de fusión y de vaporización. Observa el vídeo los cambios de fase en una sustancia y define qué son calor de fusión y calor de vaporización, consulta la página: http://www.youtube.com/watch?v=vHwdi255j4A&feature=related, Si no tienes acceso al video, utiliza el libro Física General de Héctor Pérez Montiel pp. 350-51 para obtener la definición, las fórmulas de capacidad calorífica, calor específico, y calor latente. Se evalúa con la rúbrica de trabajo de investigación.
41
EJEMPLO S
A continuación se presenta un problema en el cual se aplican los conceptos de calor específico, cantidad de calor, calor latente y se realiza un cambio de fase, se esclarecen las unidades.
Sesión 11
Calcular la cantidad requerida para cambiar 200 g. de hielo de – 5°C en vapor de 110°C, como se aprecia en el esquema:
Datos Datos Q=? m =200 g Ce del hielo = .5 cal/g °C LF= 80 cal/g LV= 540 cal/g Ce del agua = 1 cal/g °C Ce del vapor = .48 cal/g °C
Fórmula 1. Calculamos el calor para llevar el hielo de -5°C a 0°C para poder fundirlo. Q1 = m Ce hielo
Sustitución
Resultado Q1 = 500 cal Resultado parcial
2. Calculamos el calor para fundir el hielo. Q2 = m LF
Q2 = 16000 cal Resultado parcial
3. Calcular para llevarlo al estado líquido. Q3= m Ce del agua
Q3= 15000 cal Resultado parcial
4. Calcular el calor latente para vaporizar el agua. Q4 = m LV
Q4= 108000 cal Resultado parcial
5. Calculemos el calor para llevar el agua de 75°C a vapor de 110°C Q5= m Ce del vapor
Q5= 3360 cal Resultado parcial
6. Calor total QT= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
QT = 500cal+16000cal+ 15000cal+108000cal+3360cal
42
QT = 142860 cal
Ejercicio 16 Con base en el problema de ejemplo anterior, responde en equipo de 3 integrantes, las siguientes preguntas. Esta actividad se evalúa con la lista de cotejo para la realización de un cuestionario.
1. ¿En qué unidades se expresa la cantidad de calor? 2. ¿Cuáles son las unidades de calor latente de fusión y vaporización? 3. ¿En qué unidades se expresa el calor especifico?
Ejercicio 17 Con base en la teoría, investigaciones y los problemas contesta las preguntas y los problemas. Las preguntas se evalúan con la lista de cotejo de cuestionario y los problemas con rúbrica para serie de problemas. 1. ¿Qué diferencia hay entre el calor específico del agua y el de los demás materiales?
2. ¿Qué significa que la capacidad calorífica de una sustancia sea muy alta?
3. ¿De qué depende un cambio de fase?
4. ¿Por qué una sustancia se funde?
5. ¿Por qué vaporizan algunas sustancias?
6. Elabora un esquema que represente los cambios de agregación de la materia
43
Resuelve los siguientes problemas: 7. Un recipiente de aluminio de 100 g cuyo calor específico es de 0,22 cal/g.°C contiene 100 g de agua a 20 °C. Si el recipiente se ubica sobre un hornillo, determine la cantidad de calor que absorbe el sistema hasta el momento que el agua alcanza una temperatura de 80 °C. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
8. ¿Qué cantidad de calor es necesario para fundir 250 g de hielo? Datos
Fórmula
Sustitución
44
Resultado
Sesión
1.3.2.
Formas de propagación de calor.
12
Utiliza varias fuentes de información. Comprende los conceptos de radiación, conducción y convección. Diferencia las características de formas de propagar el calor Selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa y responsable Es responsable en el cumplimiento de sus actividades. Se comunica en forma oral y escrita
De manera individual contesta las siguientes preguntas. El ejercicio se evalúa con el instrumento con autoevaluación acerca de la evaluación diagnóstica.
1. ¿Por qué sientes el calor de una fogata?
2. ¿Cómo llega a ti el calor del sol?
3. ¿Cómo se calienta el agua del mar?
4. ¿Cómo fluye el calor entre los cuerpos?
5. ¿Cómo se trasmite el calor cuando calientas agua para una sopa?
6. ¿Cómo se originan los vientos en nuestro planeta?
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La conducción de calor se da a través de la carrocería de un coche; mientras la convección es cuando calentamos agua en una estufa. El volumen de agua en el fondo de la olla adquirirá el calor por conducción desde el metal de la olla y se hará menos denso. Entonces, al ser menos denso, se moverá hacia la superficie del agua y desplazará a la masa superior menos caliente y más densa hacia el fondo de la olla. Por último, si colocamos un objeto (tal como una moneda, un coche, o a nosotros mismos) bajo los rayos del sol directos; al poco tiempo notaremos que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el sol y el objeto ocurrirá por medio de radiación.
Conducción
Convección
Radiación
Ejercicio 18 De los ejemplos que se muestran en la figura 1.3.1.1, relaciona la forma de transmisión de calor. El ejercicio se evaluará con la rúbrica de recuperación.
Figura 1.3.1.1 Tipos de forma de propagación del calor
46
Ejercicio 19 Con base a la lectura del texto “La propagación de calor”, llena la tabla de recuperación, marcando con una X la que relacione la situación con el fenómeno abordado y contesta las preguntas que se te plantean. Las actividades se evalúan con lista para evaluar la aplicación del contenido en la vida cotidiana y con lista de cotejo de cuestionario respectivamente. La propagación del calor El calor puede transferirse (pasar de un cuerpo a otro o de una parte a otra de un mismo cuerpo) de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. Conducción Con el experimento podemos comprender cómo transcurre la transmisión de energía por el alambre, al que se le ha fijado con cera unas tachuelas. El orden en que se desprenden las tachuelas indica cómo se produce el proceso de transmisión de la energía por conducción. La llama ardiente provoca la intensificación del movimiento térmico de las partículas del metal en uno de sus extremos por lo que aumenta su temperatura. Después, esta intensificación se transmite a las partículas vecinas y la velocidad de sus vibraciones también crece. En general la energía se transmite Fig. También es conocida como conductividad térmica de partículas a partículas hasta llegar al otro extremo de la varilla. En este proceso la transmisión del calor no ocurre por desplazamiento de sustancia, lo que se transmite de un lugar a otro es la energía, el movimiento. Haciendo un analogía, este proceso se produce similar a como se transmite el movimiento al colocar las fichas de un dominó una detrás de otra, al empujar la primera se van cayendo las demás una detrás de otra. Sabemos de la vida cotidiana que no todos los cuerpos conducen el calor de igual forma, por ejemplo, los metales conducen bien el calor, por esta razón se emplean en la fabricación de útiles de cocina, así como en cualquier dispositivo cuyo fin sea calentarse rápidamente. Por otra parte, si necesitamos conservar el calor se utilizan los malos conductores del calor como el plástico, la lana, entre otras. Convección Si necesitamos calentar un líquido, el recipiente que utilizamos es de un material que es buen conductor del calor, como el aluminio, sin embargo, una vez calentado, si queremos que se mantenga caliente empleamos entonces un recipiente plástico, que como analizamos es un material que es mal conductor del calor. Por lo general, los líquidos y los gases se calientan por abajo, cuando esto sucede el líquido o el gas se calientan por convección. Si ponemos las manos sobre la cocina caliente o sobre un bombillo incandescente notamos que desde ella fluyen corrientes de aire caliente. No es casual que el dispositivo de calefacción se sitúe abajo, cerca del suelo en la habitación. La convección transcurre en las habitaciones donde se instalan chimeneas fundamentalmente en los países donde las temperaturas son muy bajas. El aire que está en contacto con la fuente de calor se calienta y se dilata. La densidad del aire dilatado es menor que la del frío, que se encuentra más alejado de la fuente de calor, por lo que el aire caliente sube, por la fuerza de empuje que actúa sobre el aire caliente desde abajo, y el frío baja. Este proceso se repite sucesivamente creando corrientes convectivas
. 47
Radiación En la conducción y la convección es necesaria la presencia de la materia. Sin embargo, la vida sobre la Tierra depende de la transferencia de energía solar, y ésta llega a nuestro planeta atravesando el espacio. Esta forma de transferencia de energía es el calor - la temperatura del Sol es mucho mayor (6 000 K) que la de la Tierra y se denomina radiación. El calor que recibimos de un hogar es principalmente energía radiante (la mayor parte del aire que se calienta en la chimenea sube por el tiro mediante Convección y no llega hasta nosotros), lo mismo ocurre con el calor de una estufa eléctrica. La radiación consiste esencialmente en ondas electromagnéticas. La radiación del Sol se produce principalmente en la zona visible y en otras longitudes de onda a las que el ojo no es sensible, como la infrarroja, que es la principal responsable del calentamiento de la Tierra. No es necesario que exista un medio material para que se produzca la radiación porque el calor se transmite sin transporte de materia. Marca con una X el tipo de transmisión de calor con el fenómeno abordado Fenómeno Conducción Convección
Radiación
Planchar la ropa Acercarse a una fogata Prender un abanico para que me refresque Poner agua a calentar para tomarme un café Recalentar algo en el horno de microondas Preguntas: 1. ¿Cómo puede trasmitirse el calor?
2. ¿De qué otra manera se le conoce a la conductividad térmica?
3. Explica la forma de trasmisión de calor llamada conducción.
4. ¿En base a qué se conduce mejor el calor?
5. Para calentar un líquido, ¿Qué forma de propagación se utiliza?
6. Explica el proceso de convección.
7. ¿Cuáles son las características de la trasmisión de calor por radiación?
8. ¿Cuál es la franja electromagnética de propagación de ondas hacia la tierra responsable del calor que recibimos?
48
Ejercicio 20 Tomando en cuenta el texto sobre las formas de propagación de calor, elabora un mapa conceptual, donde relaciones las formas en que se transmite el calor, las características, sus aplicaciones, efectos, ventajas y desventajas entre otros. Utiliza para la evaluación la rúbrica de mapa conceptual.
Tarea 6 Individualmente investiga lo siguiente: El fenómeno de convección atmosférica, la radiación térmica y su relación con los rayos solares que penetran la tierra. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la rúbrica de informe de investigación.
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Nombre ________________________________________________ Grupo ________________________ Turno ___________________ Fecha _________________________________________________
A continuación se presenta una serie de reactivos con cinco opciones de respuesta. Subraya la respuesta correcta. 1.- ____________ es una medida de la energía debida al movimiento de las partículas que forman un cuerpo. a) Temperatura b) Calor c) Radiación d) Dilatación e)Electricidad 2.- Es el dispositivo utilizado para medir calor a) Calorímetro b) Termómetro c) Centígrado
d) Anemómetro
e) Fahrenheit
3.- Se puede definir como la energía que se transfiere de un cuerpo a otro. a) Temperatura b) Dilatación c) Radiación d) Calor e)Electricidad 4.- ¿Es correcto pensar que la temperatura es una cantidad de calor que almacena un cuerpo? a) Si, la temperatura mide el calor total de las partículas de un cuerpo. b) Si, la temperatura mide el calor total de las partículas de un cuerpo. c) No, la temperatura mide la energía media de agitación de las moléculas de un cuerpo d) No, la temperatura mide la energía total de agitación de las moléculas de un cuerpo. e) Si, la temperatura mide el calor medio de las partículas de un cuerpo. 5- Al ser el calor un tipo de energía, éste se mide en a) Fahrenheit b) Rankin c) Joules
d) Kelvin
e) Celsius
6.- Es el calor necesario para que una sustancia cambie de estado de agregación a) Dilatación b) Latente c) Específico d) Relativo e) Absoluto 7.- Se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en un unidad (kelvin o grado Celsius) a) Calor b) Capacidad c) Calor latente. d) Cambio de e) Calor específico calorífica fase Absoluto 8.- Fenómeno ocasionado en una lámina debido al aumento de temperatura: a) Expansión b) Deformación c) Tensión d)Prolongación e)Dilatación superficial 9.- ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de dilatación superficial con respecto al coeficiente de dilatación lineal? a) 1 a 2 b) 2 a 1 c) 1 a 3 d) 3 a 1 e) 1 a 1 10.- En este tipo de dilatación, el sólido incrementa el valor de dos dimensiones a)Relativa b)Volumétrica c)Superficial d)Lineal e)Cúbica
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11.- El agua presenta este tipo de dilatación. a)Lineal b)Superfical c)Volumetrica
c)Irregular
e)Térmica
12.- Este tipo de dilatación es el más importante a considerar al diseñar las dimensiones del vidrio en una ventana. a)Lineal b)Superfical c)Volumetrica c)Irregular e)Térmica 13.- El incremento de longitud de un alambre al ser sometido a un incremento de temperatura corresponde a un ejemplo de dilatación. a)Lineal b)Superfical c)Volumétrica c)Irregular e)Térmica 14.- Corresponden a ejemplos de materiales conductores de calor. a) Oro, plata y vidrio b) Plata, cobre y hierro c) Madera, vidrio y plástico d) Carbón, cobre y plástico e) Madera, cartón, agua 15.- Es el paso de energía entre dos cuerpos en contacto que están a diferente temperatura, sin que exista trasporte de materia a) Conducción b) Radiación c) Fusión d) Convección e) Dilatación 16. - Es una forma de propagación de la energía que se produce entre los líquidos y los gases, las zonas calientes son más ligeras que las frías. a) Radiación b) Conducción c) Fusión d) Convección e) Dilatación 17. - Es la propagación de la energía a través del espacio vacío, sin requerir presencia de materia. a) Radiación b) Conducción c) Fusión d) Convección e) Dilatación 18.-El agua hierve a una temperatura de 96oC en la ciudad de México, ¿Cuál es el equivalente de esta temperatura en la escala absoluta Kelvin? a)200 b) 177 c)369 d)165 e)352 19.- La longitud de un tubo de cobre es de 6 metros cuando se encuentra a una temperatura de 24 0C, si asciende la temperatura a 42 0C; ¿Cuál es la longitud final si su coeficiente de dilatación lineal es ? a)6.00036 m b) 6.0018 m c)6.0036 m d)0.036 m e)0.0018 m 20.- Determina la cantidad de calor requerida por 60 gramos de agua para que su temperatura aumente de 250C a 1000C, si el Ceagua es de 1cal/g . a)4250 cal b)4300 cal c)4350 cal d)4400 cal e)4500 cal
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AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente = Siempre Bien = A veces Regular = Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Bien
Regular
(3)
(2)
(1)
Asistir a clases Trabajar y colaborar con diversos equipos Participar o trabajar en clase Construir explicaciones sencillas proceso y fenómenos asociados con el calor utilizando los modelos matemáticos. Identificar las principales características que distinguen el calor y la temperatura. Relacionar algunos fenómenos cotidianos producidos por el calor y la temperatura en: la materia, los cuerpos, las dimensiones y la forma. Analizar y contrastar ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento del calor y la temperatura. Reinterpretar los aspectos analizados previamente sobre el calor y la temperatura. Reconocer y valorar de manera crítica las aportaciones de las aplicaciones del calor al desarrollo social y las comodidades de la vida cotidiana. Aplicar e integrar habilidades, actitudes y valores durante el desarrollo de actividades que permite explicar y predicen algunos fenómenos del entorno relacionados con conceptos de calor y temperatura. TOTALES
Si tu puntuación es de 30 EXCELENTE, ahora ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 20 a 29 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 19 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
52
Unidad II Fluidos
53
COMPETENCIAS
Identifica las propiedades de los gases en el medio en que se desarrolla.
Comprende el comportamiento de los gases ideales en situaciones experimentales.
Aplica la relación entre el volumen y la presión de un gas a temperatura constante
Aplica la relación entre el volumen y la temperatura de un gas en condiciones de presión constante
Aplica la relación entre la temperatura y la presión de un gas en condiciones de volumen constante
Aplica la relación entre temperatura, volumen y presión en diversas condiciones.
TEMARIO 2.1
Gases
2.1.1. Gases y sus características. 2.1.2. Gases Ideales
2.2
Leyes de los gases
2.2.1. Ley de Boyle 2.2.2. Ley de Charles 2.2.3. Ley de Gay Lussac 2.2.4. Ley general del estado gaseoso
54
Sesión
2.1 Gases. 2.1.1. Gases y sus características.
13
Identifica las propiedades de los gases en el medio en que se desarrolla. Identifica las leyes de los gases así como su modelo matemático. Trabaja colaborativamente.
En equipos de tres integrantes, responde las siguientes preguntas. Esta actividad será evaluada mediante la lista de cotejo para cuestionarios.
1. ¿Por qué aparece en los botes de desodorante la leyenda que dice: “No se perfore ó se caliente el recipiente”?
2. ¿Por qué no es recomendable cargar gas a un tanque en horas de más calor?
3. ¿Qué es el aire?
4. ¿Por qué se eleva un globo aerostático? 3
5. ¿Por qué se dice que un gas también es un fluido?
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Introducción Un gas se caracteriza porque sus moléculas están muy separadas unas de las otras. Los gases son fluidos como los líquidos porque tienen propiedades que le permiten comportarse como tales, pero se diferencian de éstos por ser sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas. Cuando la temperatura de un gas aumenta, se incrementa la agitación de sus moléculas y en consecuencia se eleva la presión. La temperatura crítica de un gas es aquella temperatura por encima de la cual no puede ser licuado independientemente de que la presión aplicada sea muy grande. Los gases licuados tienen muchas aplicaciones, tal es el caso del oxígeno líquido utilizado en la soldadura autógena o el hidrógeno líquido que sirve como combustible de las naves espaciales. Los gases cuyo punto de ebullición se encuentra cercano a la temperatura del medio ambiente, generalmente se conservan en estado líquido a una alta presión en recipientes herméticamente cerrados, como son los tanques estacionarios en los que se almacena gas butano de uso doméstico.
Ejercicio 1 Redacta en tu cuaderno de trabajo cinco aplicaciones en las cuales se utilicen gases y señala los beneficios que se obtienen de ellos. Conducidos por el profesor se examinarán en forma grupal para unificar criterios del estudio de los gases. Se evaluará con la lista de cotejo para realizar un resumen o trabajo escrito.
Tarea 1 En forma individual investiga en internet o en otra bibliografía lo referente a gases. Se evaluará con la rúbrica de investigación.
Ejercicio 2 Expón ante tus compañeros dos aplicaciones de los gases y los beneficios que se obtienen de ellos que hayas redactado de la actividad anterior. Identifica los gases que utilizas en tu casa para satisfacer tus necesidades. Se evaluará mediante la rúbrica de trabajo en equipo.
56
Sesión 14
2.1.2. Gases ideales
Comprende el comportamiento de los gases ideales en situaciones experimentales.
Responde de forma individual las siguientes preguntas.
1.- ¿En la naturaleza existen gases ideales?
2.- Define qué es un gas ideal.
3.- ¿Cuáles son las variables que se toman en cuenta en un gas ideal?
4.- ¿Por qué utilizamos un gas ideal?
Ejercicio 3 Analiza lo investigado en la actividad anterior, saca tus conclusiones e identifica tus nuevos conocimientos. Anótalos para exponerlos ante el resto de sus compañeros. Se evaluará mediante la rúbrica de trabajo en equipo.
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Ejercicio 4 Elabora en tu cuaderno de apuntes un ensayo a partir de los conocimientos adquiridos sobre los gases ideales. Se evaluará con la lista de cotejo para realizar un resumen o trabajo escrito.
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente = Siempre Buena = A veces Regular = Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Buena
Regular
(3)
(2)
(1)
¿Mi asistencia diaria a clases fue? ¿Mi participación en los equipos de clases fue? ¿Cómo fue mi desempeño en las clases? ¿De qué manera comprendí el tema de los gases? ¿Cómo considero mi aprendizaje acerca de los gases? ¿Lo aplicaría en mi vida cotidiana? TOTALES
Si tu puntuación es de 24 EXCELENTE, ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 16 a 23 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo. Si tu puntuación es de 15 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
58
Sesión
2.2.
15
Leyes de los gases.
2.2.1. Ley de Boyle.
Aplica la relación entre el volumen y la presión de un gas a temperatura constante. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de las tareas. Trabaja de manera colaborativa.
De manera individual contesta con tus palabras las siguientes preguntas. El ejercicio se evaluará con la lista de cotejo para realizar un cuestionario
1.- ¿Qué es „presión‟?
2.- ¿Puedes explicar qué es el volumen?
3.- ¿Qué entiendes por temperatura constante?
4.- ¿Sabes qué es una sustancia? Explícalo.
5.- Menciona los estados de agregación de la materia
6.- ¿Puedes explicar la diferencia entre masa y peso de una sustancia?
7.- ¿Cómo explicas qué es la fuerza de cohesión entre las moléculas de una sustancia?
8.- ¿Puedes explicar qué entiendes por compresión y dar un ejemplo?
9.- ¿Puedes explicar que entiendes por expansión y dar un ejemplo?
10.- ¿Qué sabes acerca del científico Robert Boyle?
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Introducción: ¿Quién fue Robert Boyle? (1627-1691) Inglés considerado padre de la química moderna, iniciador de las primeras mediciones experimentales del comportamiento térmico de los gases, llevó a cabo un estudio exhaustivo de los cambios en el volumen de los gases como resultado de la variación de su presión, en donde todas las demás variables como la masa y la temperatura permanecieron constantes, y enuncia una ley que lleva su nombre. Que dice: “A una temperatura constante y para una masa dada de un gas, el volumen del gas varía de manera inversamente proporcional a la presión absoluta que recibe”. En otras palabras expresa, cuando se duplica el volumen de un gas dentro del recipiente que lo contiene, la presión disminuye a la mitad de su valor original o viceversa. Matemáticamente se expresa: ( Esta ecuación relaciona los dos estados de presión y volumen para una misma masa de un gas a igual temperatura. Donde: ó ó
é
Nota: Existen otras medidas de presión como:
,
,
,
PV P V 11 2 2
=
Fig. 2.2.1.1. Al aumentar la presión disminuye el volumen y el producto de esa presión (P) por su volumen (V) será constante, en tanto no cambie su temperatura. (Proceso isotérmico) PV = k
60
¿Sabías que si a un gas que se encuentra dentro de un cilindro, por medio de un émbolo cuidadosamente variamos su presión y su volumen, su temperatura permanece constante?
Fig. 2.2.1.2 de la variación de la presión y volumen de un sistema manteniéndolo a una temperatura
61
Un gas que se encuentra en un depósito fijo que tiene una capacidad de volumen de 5 litros, por medio de un émbolo recibe una presión de 2 atm. Calcular la presión en que 3 debe soportar para que su volumen cambie a 3200 cm
EJEMPLO
Solución de ejercicios aplicando los conceptos y el modelo matemático de la Ley de Boyle. Para resolver este ejercicio primero leer, analizar y comprender el enunciado, sacar datos e incógnita y la fórmula que utilizaremos. Como nos pide que encontremos el resultado (P) en debemos de convertir las unidades de medida de los datos, V1 en m3, P1 en equivalencias necesarias. Datos Fórmula V1 = 5 lt P1 = 2 atm V2 = 3200 cm3 P2 = ?
y V2 en m3, y para hacerlo recordemos el valor de las Sustitución y resultado
P1V1 = P2V2
P2
=
Despejando la fórmula = P2
P2 = 189,937.5 , es la magnitud de la presión a la que está sujeto el gas.
P1=121,560
P2 = 189,937.5
= V1 =
V2 =
Fig. 2.2.1.4 En un proceso isotérmico al aumentar la presión disminuye el volumen y el producto de esa presión (P) por su volumen (V) será constante. (121,560
=
3
)(0.005 m ) = (189,937.5
62
3
)(0.0032 m )
Sesión 16
Ejercicio 5 Forma equipo de tres integrantes y resuelve los ejercicios que se presentan a continuación. El ejercicio se evalúa con la rúbrica de trabajo en equipo. 1.- Un gas que se encuentra dentro de un cilindro fijo ocupa un volumen de 1500 cm3 a una presión de 760 mm Hg. Si por medio de un pistón móvil desde el exterior le ejercemos un trabajo y éste permanece a una temperatura constante. ¿Cuál será su volumen cuando su presión aumenta a 950 mm Hg? Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
2. Un comerciante el día del festejo de la independencia de su nación se encuentra en la calle inflando globos para su venta, los infla parcialmente con un volumen de 2 litros de gas a una presión absoluta de 1.2 atm. Si un cliente le pide que lo infle más y lo hace aumentando el volumen al globo hasta 2.5 litros cuidadosamente logrando que no aumente su temperatura. Si toma la presión absoluta al globo ¿Qué resultado obtiene? Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
Tarea 2 Forma individual investiga las aplicaciones de la Ley de Boyle en la vida cotidiana. Responde a la pregunta: ¿Qué es un proceso Isotérmico? Consulta: http://portal.perueduca.edu.pe/modulos/m_termodinamica1.0/isotermico.htm http://www.yearofplanetearth.org/content/downloads/mexico/libro_expgalileo_bynweb.pdf http://www.bucea.org/articulos/a04leyboylemariotte.php
Tarea 1 Con base en lo visto en la sesión, contesta las preguntas en tu cuaderno. Se evalúa mediante la lista de cotejo para realizar un resumen ó trabajo escrito.
1.- Explica cómo demostrarías la ley de Boyle mediante un experimento sencillo laboratorio de tu escuela. 2.- Escribe el enunciado de la Ley de Boyle. 3.- Escribe la expresión matemática de la Ley de Boyle. 4.- Describe lo que es un proceso isotérmico. 5.- ¿Qué nos demuestra un diagrama PV?
63
en el
Sesión
2.2.2. Ley de Charles.
17
Aplica la relación entre el volumen y la temperatura de un gas a presión constante. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de las tareas Trabaja de manera colaborativa.
De manera individual contesta las siguientes preguntas. Se evalúa mediante la lista de cotejo para realizar un cuestionario.
1.- ¿Qué entiendes por „presión constante‟?
2.- Explica qué es „presión absoluta‟
3.- Explica qué es „presión atmosférica‟
4.- ¿Qué es „presión manométrica de un gas‟?
5.- Explica qué son „colisiones de las moléculas de un gas‟.
6.- Escribe tres diferentes unidades de medida de presión, que conozcas.
7.- ¿Qué sabes acerca del científico Jacques Charles?
64
Introducción: Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) inventor, científico y matemático francés. Comprobó experimentalmente la proporcionalidad directa entre el volumen y la temperatura en el año de 1787, en donde la masa y la presión permanecen constantes, con base a esto enuncia una Ley que lleva su nombre. Ley de charles, dice: “Mientras la masa y la presión de un gas se mantengan constantes, el volumen de dicho gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta”. De donde se obtiene el enunciado matemático
Esta ecuación relaciona los dos estados de volumen y temperatura de un gas, para una masa y presión constantes. Donde:
Nota: Otras unidades de medida de la temperatura son, 0F, 0C, 0R.
Fig. 2.2.2.1 Al considerar un gas bajo dos diferentes condiciones de volumen (V) y temperatura (T) tenemos (Proceso isobárico)
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¿Sabías que si depositamos un gas dentro de un cilindro y hacemos variar su volumen así como su temperatura a una presión constante, el resultado de la relación de esas variables son iguales?
Fig.2.2.2.2 Ejemplo de la variación del volumen y temperatura a presión constante de un sistema (Compresión dentro de los pistones en un motor de combustión interna de 4 tiempos).
Fig. 2.2.2.3 inventor científico y matemático Jaques Charles
Volumen
0 300
100
200 Temperatura en K
Fig. 2.2.2. 4 La variación del volumen en función de la temperatura
EJEMPLO
Dentro de un cilindro fijo y con un pistón móvil en uno de sus extremos, tenemos 4 litros de gas ideal, a una temperatura de 30 0C, cuando el gas se expande a presión constante se obtiene una temperatura de 84 0C. Calcula el valor del volumen que aumentó el gas.
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Ejercicio 6 Solución de ejercicios aplicando los conceptos y el modelo matemático de la Ley de Charles. Para resolver este ejercicio primero lee, analiza y comprende el enunciado, sacar datos e incógnita y la fórmula que utilizaremos.
Primero, en este ejercicio se busca obtener el valor del volumen que aumentó el gas en consecuencia del aumento de su temperatura, y como el cambio de volumen es ΔV = V2 – V1, entonces necesitamos calcular el volumen final del gas.
Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
V1 = 4 lt T1 = 30 0C T2 = 84 0C ΔV = ? ΔV = V2 – V1
Despejando la fórmula Si ya tenemos el valor de los volúmenes ΔV = V2 – V1 = 0.0047128 m3 – 0.004 m3 ΔV = 0.0007128 m3
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Sesión 18
Ejercicio 7 Forma equipo de tres integrantes y resuelve los ejercicios que a continuación se presentan. Se evalúa mediante la rúbrica de trabajo en equipo
1.- Si se suministra gas a un globo aerostático la cantidad de 63 m3 a una temperatura de 15 0C y permanecemos su presión constante, e intencionalmente se le aplica calor hasta aumentar su temperatura hasta 35 0C y éste queda completamente lleno. ¿Cuál será su capacidad? Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
2.- Al realizar un experimento bajo las características de un proceso isobárico, dentro de un tanque de acero fijo y con un pistón móvil en uno de sus extremos tenemos un volumen 1.5 litros de un gas ideal a una temperatura de 25 0C. ¿Cuál será la temperatura del gas si hacemos disminuir su volumen a la mitad? Datos
Fórmula
68
Sustitución y resultado
Tarea 2 Con base en lo visto en la sesión contesta las preguntas que se proponen a continuación. Se evalúa mediante la lista de cotejo para resumen o trabajo escrito
1.- Explica qué es lo que sucede si se tapa el cuello de una botella de plástico con un globo y se sumerge parcialmente a un recipiente con agua caliente; posteriormente se saca la botella y se le introduce parcialmente a un recipiente con agua fría.
2.- Escribe el enunciado de la Ley de Charles.
3.- Escribe la expresión matemática de la Ley de Charles.
4.- Define „proceso isobárico‟.
5.- ¿Qué nos demuestra un diagrama VT?
Tarea 3 En forma individual investiga las aplicaciones de la Ley de Charles en la vida cotidiana. ¿Qué es un proceso Isobárico? Puedes consultar: http://portal.perueduca.edu.pe/modulos/m_termodinamica1.0/isotermico.htm http://www.yearofplanetearth.org/content/downloads/mexico/libro_expgalileo_bynweb.pdf http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20071015174651AAfpe2X
Se evalúa con la lista de cotejo para realizar un resumen o trabajo escrito.
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Sesión 19
2.2.3. Ley de Gay Lussac
Aplica la relación entre la temperatura y la presión de un gas a volumen constante. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de las tareas Trabaja de manera colaborativa.
En clase con tus compañeros contesta expresa tu opinión acerca de las siguientes preguntas:
1. ¿Qué es una olla express?
2. ¿Qué reacción tiene la presión si aumenta la temperatura en la olla express?
3. ¿En qué otro aparato crees que pase lo mismo que en la olla express?
4. ¿A qué crees que se deba la relación de presión y temperatura en un volumen constante?
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Introducción: El científico francés José Louis Gay Lussac encontró que un gas a volumen constante mantiene una relación entre la temperatura y la presión con lo que enunció la siguiente ley: “Para una masa determinada de gas a volumen constante, la presión absoluta que recibe el gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta”. Lo que nos da a entender que en un volumen constante de gas si la temperatura se aumenta la presión también aumentará en la misma proporción. Matemáticamente la Ley de Gay Lussac se representa de la siguiente manera: Si consideramos a un gas en dos condiciones de presión y temperatura con una masa y volumen constante se tiene: A una de Aplicaciones de la Ley de Gay Lussac 1. En una olla express se tiene un gas a una presión de 3.2 atm y una temperatura de 40 º C con un volumen de 950 cm3 Si el volumen permanece constante y su temperatura aumenta a 95 ºC ¿Cuál será la presión absoluta del gas? Datos
Conversiones
Fórmula
Sustitución
Resultado
P1 = 3.2 atm 0
T1 = 40 ºC T2 = 95 ºC
K = C + 273 40 + 273 = 313 K 95 + 273 =368 K
P2=3.76 atm
P2 = ? atm V = Constante
2. En un cilindro metálico de gas que se encuentra con una presión atmosférica de 760 mm Hg cuando su temperatura es de 21 ºC en el manómetro se lee una presión de 1 865 mm Hg. Si aumenta su temperatura a 45 ºC por acción de los rayos solares, calcula: a) La presión absoluta que tiene el gas en el tanque. b) La presión manométrica del gas en el tanque. Datos Patm = 760 mm Hg Pman = 865 mm Hg T1 = 21 ºC T2 = 45 ºC V = constante P2 = ? mm Hg
Conversiones
Fórmula
Sustitución
Resultado
P1 abs = P1atm + P1mano
P1abs = 760 mm Hg + 1 865 mm Hg
2 625 mm Hg
0
a)._
K = C + 273 21 + 273 = 294 K 45 +273 = 318 K
2 839.28 mm Hg P2 mano = P2abs - P1atm
71
=2 839.28 mm Hg – 760 mm Hg
b).2079.28 mm Hg
Sesión 20
Ejercicio 8 Reunidos en equipo de tres personas resuelvan los siguientes ejercicios basándose en las fórmulas de la Ley de Gay Lussac. Se evaluará mediante la rúbrica de trabajo en equipo.
1. Un gas contenido en un tanque a una temperatura de 22 ºC y una presión absoluta de 3.8 atm. Calcula la temperatura del gas cuando su presión absoluta es de 2.3 atm. Datos
Fórmula
Sustitución y Resultados
2. Una pelota tiene una presión atmosférica de 78 000 N/m2 y está inflado a una presión manométrica de 58 000 N/m2 a una temperatura de 19 ºC. Si la temperatura aumenta a 25 ºC calcular: a) La presión absoluta b) Su presión manométrica. Datos
Fórmula
Sustitución y Resultados
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Tarea 3 Desarrolla las siguientes actividades para evaluar los aprendizajes logrados durante el desarrollo de la secuencia anterior. Los resultados deberán ser entregados al profesor para su evaluación. Indicaciones: de manera individual resolver los siguientes reactivos. 1.- Enuncia la ley de Gay Lussac con su fórmula.
2.- Investiga las diferentes unidades de presión, sus valores y sus equivalencias.
3.- Un gas se encuentra en un recipiente a una presión absoluta de 2.3 atm con una temperatura de 33 ºC, si aumenta su temperatura a 75 ºC, calcula su presión absoluta cuando su volumen permanece constante. Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
Tarea 4 Investiga ¿Qué es un proceso Isocórico? Señala tres aplicaciones de la Ley de Gay Lussac en la vida cotidiana. Consulta: Héctor Pérez Montiel, Física general, 2006 México. Paul E. Tippens, Física conceptos y aplicaciones, 2007 México. Se evalúa con una rúbrica para trabajo de investigación.
73
Sesión
2.2.4. Ley general del estado gaseoso.
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Investiga, selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa. Se comunica en forma oral y escrita. Identifica la relación ente presión, volumen y temperatura. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Aplica la relación entre la temperatura y la presión de un gas a volumen constante. Utiliza las fórmulas de Gay Lussac para resolver problemas de la vida cotidiana.
En clase con tus compañeros contesta expresando tu opinión acerca de las siguientes preguntas.
1.- ¿Qué es „presión‟ y cuáles son sus unidades?
2. ¿Qué es „volumen‟ y cuáles son sus unidades?
3. ¿Qué es „temperatura‟?
4.- Escriba las escalas termométricas y los valores de punto de ebullición del agua y su punto de congelación en cada una de las escalas.
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A continuación se te proporciona la información necesaria para que compruebes que tan correctas eran las ideas que tenías acerca del tema: Basándose en el estudio de las leyes de Boyle, Charles y Gay Lussac se encontró la relación entre los tres elementos que actúan en un gas, encontrándose una relación entre volumen, presión y temperatura, dando como resultado la siguiente ecuación: La expresión matemática es la siguiente:
La anterior expresión se denomina Ley General del Estado Gaseoso, y establece que: “Para una masa dada de un gas la relación de presión volumen y temperatura permanece constante” Aplicaciones de la Ley General del Estado Gaseoso 1.- Una masa de hidrógeno gaseoso ocupa un volumen de 2 litros a una temperatura 38 ºC y una presión absoluta de de 696 mm Hg ¿Cuál será su presión absoluta si la temperatura aumenta a 60 ºC y su volumen es de 2.3 litros? Datos V1 = 2 litro T1 = 38 ºC + 273 = 311 K P1 = 696 mm Hg V2 = 2.3 litro T2 = 60 ºC + 273 = 333 K P2=?
Fórmula
Sustitución
Resultado
P2=648.03 mm Hg
2.- Calcular el volumen que ocupará un gas en condiciones normales (Temperatura de 0 ºC y una presión de 760 mm Hg) si a una presión de 858 mm Hg y 23 ºC su volumen es de 230 cm3. Datos 3 V1 = 230 cm T1 = 23 ºC + 273 = 296 K P1 = 858 mm Hg T2 = 0 ºC + 273 = 273 K P2=760 mm Hg V2= ?
Fórmula
Sustitución
Resultado
V2=239.48 cm
75
3
Sesión 22
Ejercicio 9 Reunidos en equipo de tres personas, basándose en las fórmulas de la Ley del Estado Gaseoso, y con el despeje de cada uno de sus componentes resuelve los siguientes ejercicios. Se evaluará mediante la rúbrica de trabajo en equipo. 1.- Determine el volumen de un gas que se encuentra a una presión absoluta 970 mm Hg y a una temperatura de 57 ºC si al encontrarse a una presión de 840 mm Hg y a una temperatura de 26 ºC y su volumen es de 0.5 litros. Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
2. - A un gas que está en un recipiente de 4 litros se le aplica una presión absoluta de 1 020 mm Hg. y su temperatura es de 12 ºC ¿Cuál es la temperatura si recibe una presión absoluta de 920 mm Hg y su volumen es de 3.67 litros? Datos
Fórmula
Sustitución y resultado
Tarea 4 Explique cuál es la Ley General del Estado Gaseoso, elabora un resumen y escriba su expresión matemática.
Tarea 5 Describe tres aplicaciones de la Ley general del estado gaseoso en la vida cotidiana. Consulta los libros de Héctor Pérez Montiel, Física general, 2006 México y Paul E. Tippens, Física conceptos y aplicaciones, 2007 México. Se evalúa con una rúbrica de investigación
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AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente - Siempre Buena - A veces Regular - Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Buena
Regular
(3)
(2)
(1)
¿Mi asistencia diaria a clases fue? ¿Mi participación en los equipos de clases fue? ¿Mi desempeño en las clases? ¿De que manera comprendí el tema de las leyes de los gases? ¿Cómo considero mi aprendizaje acerca de las leyes de los gases? ¿Lo aplicaría en mi vida cotidiana? TOTALES
Si tu puntuación es de 24 EXCELENTE, ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 16 a 23 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 15 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
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Nombre ___________________________________________________ Grupo _____________________ Turno ___________________
Fecha _________________________________________________
A continuación se presenta una serie de reactivos con 5 opciones. Subraya la respuesta correcta. 1.-Es un fluido hipotético que posibilita hacer consideraciones prácticas que facilitan algunos cálculos matemáticos. a) Liquido b) Gas Ideal c) Solido d) Viscoso e) Fluido estable.
a) b) c) d) e)
General de los Gases Charles Boyle Gay Lussac Gases Ideales
5.- Un gas encerrado mantiene una temperatura de 20 ºC y tiene una presión absoluta de 3.8 atm Calcular la temperatura si su presión baja a 2.3 atm a) 17855 K b) 1874.5 K c) 178.55 K d) 1.7855 K e) 18.755 K
2.- Se caracteriza porque sus moléculas están muy separadas unas de las otras. Por ello carecen de forma definida y ocupan todo el volumen del recipiente que lo contiene. a).- Líquido b).- Gas c).- Solido d).- Viscoso e).- Fluido
6.- Un gas esta en un recipiente de 4 litros y se le aplica una presión de 1 020 mm de Hg a una temperatura de 12 ºC Si se le aplica una presión de 920 mm Hg y el volumen reduce a 3.67 litros determine su temperatura a) 235.85 K b) 3358.25 K c) 220.70 K d) 3. 38 K e) 2358.58 K
3.- La presión absoluta que recibe un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta, se refiere a la Ley a) General de los Gases b) Charles c) Boyle d) Gay Lussac e) De los Gases Ideales
7.- Expresión matemática de la Ley de Gay Lussac: a. P1 V1 /T1 = P2 V2 / T2 b. P1 /T1 = P2 /T2 c. V1 / T1 = V2 /T2 d. P1 V1 = P2 V2 e. PV = nRT
4. Ley que corresponde al siguiente enunciado: Para una masa gaseosa la relación que existe entre el producto de la presión y el volumen dividido entre la temperatura siempre será constante.
78
8.- Es la expresión matemática de la Ley General del Estado Gaseoso a) P1 V1 /T1 = P2 V2 / T2 b) P1 /T1 = P2 /T2 c) V1 / T1 = V2 /T2 d) P1 V1 = P2 V2 e) PV = nRT
13.- Ley que dice, a una temperatura constante y para una masa dada de un gas, el volumen del gas varía de manera inversamente proporcional a la presión absoluta que recibe. Corresponde a: a).- Gay Lussac b).- Lenz c).- Charles d).- General de los Gases e).- Boyle
9.- La ley de los gases que se aplica en un boiler de leña es a).- General de los Gases b). - Charles c). - Boyle d). - Gay Lussac e).- De los Gases Ideales
14.- Ley que dice, a una presión constante y para una masa dada de un gas, el volumen del gas varía de manera directamente proporcional a su temperatura absoluta. a).- Charles b).- Boyle c).- Gay Lussac d).- General de los Gases e).- Coulomb
10.- La ley de los gases que se aplica en un tanque de gas LP casero a).- General de los Gases b).- Charles c).- Boyle d).- Gay Lussac e).- De los Gases Ideales
15.- Cierta masa de un gas raro encerrado en un recipiente que tiene un pistón móvil en uno de sus extremos, ocupa un volumen de 130 cm3 cuando tiene una temperatura de 20 0C a una presión constante de 550 mm de Hg ¿Qué volumen ocupará si aumentamos su temperatura a 35 0C si la presión se mantiene constante? a).- 145.50 cm3 b).- 139.80 cm3 c).- 140.75 cm3 d).- 136.65 cm3 e).- 138.65 cm3
11.- Un gas con volumen de 350 cm3 y a una presión de 600 mm de Hg se encuentra encerrado en un recipiente que en su extremo tiene un émbolo por el cual le aumentamos la presión hasta 750 mm de Hg. ¿Cuál es su cambio de volumen? a).- 75 cm3 b).- 70 cm3 c).- 80 cm3 d).- 72 cm3 e).- 82 cm3
16.-Calcular la temperatura absoluta a la que se encontraba una masa de oxígeno gaseoso que ocupaba un volumen de 500 ml dentro de un cilindro que tiene un pistón móvil en uno de sus extremos si se conserva a una presión de 2 atm, si intencionalmente movemos el pistón hasta que ocupe un volumen de 800 ml a una temperatura de 50 0C. a).- 201.87 K b).- 205.78 K c).- 200.57 K d).- 220.00 K e).- 211.39 K
12.- Si suministramos 1.2 litros de gas a un globo elástico, este ejerce una presión de 0.220 atm sobre sus paredes. Ahora si le proporcionamos más gas al globo hasta un volumen de 2.4 litros ¿Cuál será la presión a la que estará sujeta las paredes del globo? a).- 0.11 atm b). - 0.10 atm c). - 0.15 atm d).- 0.12 atm e).- 0.09 atm
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80
Unidad III Fuerza eléctrica
81
COMPETENCIAS
Define el concepto de fuerza eléctrica. Analiza la ley de coulomb y la aplica en la solución de problemas en los que intervienen Comprueba el comportamiento de la corriente, voltaje y resistencia e diferentes circuitos resistivos. fuerzas eléctricas. Comprueba el comportamiento de la corriente, voltaje yeléctrico. resistencia e diferentes circuitos resistivos. Comprende los efectos de la intensidad del campo Comprueba el efecto del potencial eléctrico sobre las cargas puntuales. Comprueba el fenómeno que permite mover cargas en conductores. Comprenda la propiedad de los capacitares para almacenar carga eléctrica. Calcula la energía almacenada a diferentes voltajes en un condensador. Comprueba el comportamiento de la capacitancia en conexiones en serie o en paralelo. Aplica los conceptos de electrodinámica en el flujo dentro de un conductor. Identifica los tipos de corriente eléctrica de acuerdo a su naturaleza. Comprende la relación existente entre voltaje, corriente y resistencia en aparatos de uso cotidiano. Comprueba el comportamiento de la corriente, voltaje y resistencia e diferentes circuitos resistivos.
TEMARIO 3.1 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3
Campo eléctrico. Fuerza eléctrica (cargas eléctricas). Ley de Coulomb. Intensidad del campo eléctrico.
3.2 Potencial eléctrico. 3.2.1 Energía potencial eléctrica. 3.2.2. Cálculo de potencial eléctrico. 3.3 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3
Capacitancia. El capacitor. Calculo de la capacitancia. Capacitores en serie y en paralelo.
3.4 Corriente eléctrica. 3.4.1 Intensidad de la corriente eléctrica. 3.4.2 Tipos de corriente eléctrica (C.A y C.D). 3.4.3 Ley de Ohm. 3.4.4 Circuitos resistivos en serie, paralelo y mixto.
82
Sesión
3.1
Campo eléctrico.
3.1.1
Fuerza eléctrica.
23
Define el concepto de fuerza eléctrica. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.
De manera individual contesta de manera directa las siguientes preguntas.
1.- ¿Qué es un átomo?
2.- ¿Cuál es la polaridad de la carga de un electrón?
3.- ¿Cómo se cargan los cuerpos de electricidad?
4.- ¿Cómo se forman los rayos?
5.- ¿Qué entiendes por carga eléctrica?
83
Ejercicio 1 En equipo elaboren un electroscopio para presentar en la siguiente sesión. Investiguen el material necesario para su elaboración, cómo funciona. Preparen su demostración y conclusiones. Tomen en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de práctica. Electricidad Los modelos del átomo colocan a los protones y los neutrones en su centro o núcleo. Los protones tienen carga eléctrica positiva. La carga de cada protón es exactamente la misma. Los neutrones son neutros, no tienen carga eléctrica. Localizada fuera del núcleo del átomo se encuentra una “nube” de electrones. Cada electrón tiene una carga negativa igual en magnitud, pero de signo opuesto a la carga de un protón. La magnitud de la carga de todos los electrones y de todos los protones es la misma. La carga de un electrón, o de un protón, es la unidad elemental de carga. Usualmente un átomo contiene el mismo número de electrones que de protones. Entonces, un átomo es eléctricamente neutro. El electrón es la partícula movible del átomo, por ello, todos los fenómenos eléctricos se deben al movimiento de los electrones.
Fig. Los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo.
Carga Eléctrica La materia se compone por átomos. Los mismos tienen un núcleo de protones (que tienen carga positiva) y neutrones (carga neutra). En la periferia del átomo, se encuentran los electrones (carga negativa) describiendo órbitas alrededor del núcleo. Los electrones de la órbita más alejada (electrones de valencia) pueden abandonar el átomo y agregarse a otro cercano. El átomo que tiene un electrón menos queda cargado positivamente, mientras el átomo que ganó un electrón tiene carga negativa, es decir, si un objeto tiene un exceso de electrones, está cargado negativamente (ion negativo) y si tiene una deficiencia de electrones, está El signo de la carga eléctrica indica si se cargado positivamente (ion negativo). De lo anterior se trata de carga negativa o positiva. deduce la primera ley de la electrostática. Primera ley de la electrostática. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí y las cargas de diferente signo se atraen entre ellas. Por ejemplo, si frotas dos materiales distintos como plástico y vidrio, uno de los materiales queda cargado positivamente y el otro negativamente. La carga eléctrica se mide en Coulomb. Un Coulomb (1C = 6.25X1018 e-) es una unidad de carga grande por lo que es común usar submúltiplos como el micro Coulomb (1μC = 1 X 10 -6 C). El principio de conservación de cargas dice que dado un sistema aislado, la carga se conserva, es decir, no hay destrucción ni creación de la carga neta.
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La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática, la cual trata sobre los fenómenos relacionados con cargas eléctricas que se encuentran en reposo. El frotamiento, el contacto y la inducción son las formas más comunes de electrizar un cuerpo. La electrización por frotamiento se origina cuando dos cuerpos de diferente material son frotados entre sí.
Figura 3.1.1.1 La electrización por frotación se origina cuando dos cuerpos de diferente material son frotados entre sí
Cuando un campo eléctrico es acercado a un cuerpo neutro, éste adquiere una carga del Figura 3.1.1.2 La electrización por inducción consiste en mismo signo que la del campo eléctrico; si se acercar un cuerpo cargado negativamente a otro sin tocarlo. mantiene el campo eléctrico cerca del cuerpo llegará un momento en que éstos se rechacen, pues ambos tendrán carga eléctrica del mismo signo. Esta forma de electrizar un cuerpo se denomina inducción. Cuando un cuerpo posee algún tipo de carga eléctrica y se pone en contacto con la esfera de cobre del electroscopio, la carga corre por el alambre de cobre hasta las laminillas, las cuales adquieren cargas iguales y se rechazan entre sí, la electrización que han recibido las laminillas es una electrización por contacto. El electroscopio sirve para identificar si un cuerpo se encuentra cargado eléctricamente o si se encuentra en un estado Figura 3.1.1.3 Electroscopio neutro. Materiales conductores y aislantes Los materiales se pueden clasificar en conductores, semiconductores y aislantes, pero nosotros nos enfocaremos en los conductores y aislantes. Conductores Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto, son materiales que conducen la electricidad. En general, los metales como el oro, plata y cobre son buenos conductores de electricidad.
Aislantes Los aislantes son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha dificultad. La madera, el corcho, el plástico, el vidrio, son malos conductores de electricidad.
Fuerza eléctrica Dos o más cargas eléctricas experimentan una fuerza denominada fuerza eléctrica cuya magnitud depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga.
EJEMPLO S Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.
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Ejercicio 2 17
Con base en lo visto en la lectura, Contesta correctamente en la columna de la derecha de la tabla. Toma en cuenta los criterios de la lista de cotejo para cuestionarios.
1. Son las tres formas de electrizar un cuerpo 2. Son los electrones que giran en la órbita más aleada del núcleo del átomo 3. Ley que establece que cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen. 4. Son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. 5. ¿Cómo está cargado un cuerpo que tiene un exceso de electrones? 6. Dispositivo que sirve para identificar si un cuerpo se encuentra cargado eléctricamente o si se encuentra en un estado neutro. 7. La electrización por frotamiento se origina cuando dos cuerpos de diferente material son frotados entre sí.
Ejercicio 3 Realiza en tu cuaderno un mapa conceptual sobre el texto acerca de la electricidad. Esta actividad va a ser evaluada con la rúbrica de mapa conceptual.
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Sesión
3.1.2 Ley de Coulomb.
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Identifica y analiza la ley de Coulomb. Aplica fórmulas para calcular la fuerza eléctrica. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.
De manera individual contesta las preguntas que se te realizan. Se evalúa con el instrumento para la evaluación diagnóstica
1.- ¿Qué entiendes por carga eléctrica?
2.- ¿Por qué se atraen las cargas eléctricas?
3.- ¿Por qué se repelen las cargas eléctricas?
Ejercicio 4 El alumno leerá el texto referente a la ley de Coulomb, Con base en ello elaborará un resumen. Se evalúa con la lista de cotejo para realizar un resumen.
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Ley de Coulomb Charles-Augustin de Coulomb (Angulema, Francia, 14 de junio de 1736 - París, 23 de agosto de 1806) fue un físico francés. Se recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor la unidad de carga eléctrica lleva el nombre de culombio (C). Entre otras teorías y estudios se le debe la teoría de la torsión recta y un análisis del fallo del terreno dentro de la Mecánica de suelos. La Ley de Coulomb fue enunciada por Charles Augustin de Coulomb en 1785, gracias a una balanza de torsión con la que realizaba los experimentos (midiendo así la fuerza de atracción o de repulsión que sufrían dos cargas eléctricas). La Ley de Coulomb determina las propiedades de fuerza electrostática que surgen de una o varias fuerzas eléctricas. Guarda una gran similitud con la Ley de Gravitación Universal. La Ley de Coulomb puede expresarse 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”. Charles Coulomb
Matemáticamente, la ley de Coulomb se expresa de la siguiente manera:
Donde: F = Fuerza de atracción o repulsión entre las cargas (N) K = Constante de proporcionalidad de Coulomb en el vacío, cuyo valor es: 9x109 Nm2/C2 q1 = Fuerza eléctrica de la primera carga (C) q2 = Fuerza eléctrica de la segunda carga (C) d = Separación entre las cargas (m) En el sistema internacional de unidades (SI) o MKS, la unidad de carga es 1 Coulomb; se simboliza C y se define en términos de la corriente eléctrica. En este sistema, la fuerza se mide en Newtons (N), la distancia en metros (m) y la constante K = 9 x 109N m2 / C2. Limitaciones de la Ley de Coulomb: La expresión es aplicable para las cargas puntuales solamente. La fuerza es indefinida para r = 0
Tarea 1 Investiga cuáles son los valores de la constante de proporcionalidad de Coulomb para distintos medios como: Vacío, Aire, Gasolina, Ámbar, Vidrio, Aceite, Mica, Petróleo, Glicerina, Agua, presenta esta tabla en tu cuaderno. Factores numéricos de equivalencia para los prefijos de las unidades de Coulomb (mC, C , C , pC, etc.). Toma en cuenta los criterios de evaluación de la rúbrica de investigación.
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Sesión 25
EJEMPLO
Si las cargas son de signo opuesto (+) y (-), la fuerza "F" será negativa lo que indica atracción. Si las cargas son del mismo signo (-) y (-) ó (+) y (+), la fuerza "F" será positiva lo que indica repulsión.
1. Determina la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = + 1 x 10-6 C y q2 = + 2.5 x 10C que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.
6
Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado F=9 N
K = 9x109 N m2/C2
(repulsión)
-6
q1 = 1 x 10 C q2 = 2,5 x 10-6 C d = 0.05 m
2.- Determina la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C 10-5 C que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm. Datos
Fórmula
Sustitución
y q2 = +2 x Resultado
K = 9x109 N m2/C2
F = 0.02 N (atracción)
q1 = 1.25 x 10-9 C q2 = 2 x 10-5 C d = 0.1 m
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Ejercicio 5 Realiza los siguientes problemas relativos a la ley de Coulomb. Utiliza la metodología para resolver problemas. Toma en cuenta los criterios de la lista de cotejo para la solución de ejercicios.
1. Un cuerpo de 3µC está separado 0.5m de otro de -5µC ¿Cuál es la fuerza entre ellos? ¿Y de qué tipo es atracción o repulsión? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultados
2. Dos cuerpos cargados con 5µC y -9µC ejercen entre sí una fuerza de atracción de 8µN. hallar la distancia en la que se encuentra separada dichas cargas. Datos
Fórmula
Sustitución
90
Resultados
Sesión 26
Ejercicio 6 En equipos de cuatro alumnos resuelvan los siguientes ejercicios sobre la ley de Coulomb. Su solución debe hacerse mediante la metodología para la solución de problemas. Se evalúa con la lista de cotejo de ejercicios.
1.- ¿Qué fuerza existe entre una carga positiva de 1.5X10-5 C y una carga negativa de 6X10-6C cuando están separadas por 5 cm? Datos Fórmula Sustitución Resultado
2.- Una carga positiva de 6X10 -6C está a 0.03m de una segunda carga positiva de 3X10 -6C. Calcule la fuerza que se ejerce entre las dos cargas. Datos Fórmula Sustitución Resultado
3.- Dos cargas positivas de 6X10 -6C están separadas 0.5m. ¿Qué fuerzas existen entre las dos cargas? Datos Fórmula Sustitución Resultado
91
Sesión
3.1.3. Intensidad del campo eléctrico
27
Identifica el modelo matemático de intensidad de campo eléctrico. Aplica la solución de problemas de intensidad de campo eléctrico. Representa las líneas de fuerza.
Responde las siguientes preguntas.
1. ¿De dónde se genera la electricidad?
2. ¿Por qué en ocasiones atraes las hojas de papel o bolsas de mandado sin haberlas tocado?
3. ¿Por qué se adhiere tan fácilmente el polvo a las pantallas de televisión?
4. ¿Qué entiendes por campo eléctrico?
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Ejercicio 7 Después de leer la teoría sobre la intensidad de campo eléctrico, subraya las ideas principales y elabora un resumen. Se evalúa con la lista de cotejo para resumen.
Campo Eléctrico Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferente signo se atraen y las de igual signo se repelen, aun cuando se encuentren separadas. Esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor; esa región de influencia recibe el nombre de campo eléctrico. El campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los objetos cargados y por ello es fácil detectar su presencia, así como medir su intensidad. El electrón y todos los objetos electrizados tienen a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influencia. El campo eléctrico es inherente a la naturaleza del electrón e independiente de su movimiento. No así el campo magnético que aparece solo cuando el electrón esta en movimiento. La representación del campo eléctrico se hace por medio de líneas imaginarias, llamas líneas de fuerza. Para fijar el sentido de estas líneas de fuerza se admite que van desde las cargas positivas a las cargas negativas, esto fue descubierto por el inglés Michael Faraday en 1823. Para poder interpretar como es la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva (por convección) de valor muy pequeño llamada carga de prueba. La intensidad del campo eléctrico (E) creado por una carga puntual fija (q) sobre una carga de prueba (q0) que esta a una distancia (r) de q, se define como la fuerza (F) por unidad de carga sobre q0 y está dada por:
Figura 3.1.3.1. Configuración del campo eléctrico producido por una carga positiva y otra negativa
Donde:
E= Intensidad de campo
eléctrico en .
Figura 3.1.3.2. Configuración del campo eléctrico producido por dos cargas del mismo signo y otra por dos cargas de diferentes signos.
93
F= Fuerza que recibe la carga de prueba en newton (N). q0= Valor de la carga de prueba en coulomb (C). q = Carga eléctrica en coulomb (C). K= Constante de proporcionalidad 9x109 Nm2/C2 r= Distancia entre las cargas en metros (m).
EJEMPLO S
A continuación se te presenta una serie de problemas sobre la intensidad del campo eléctrico. Éstos están planeados y resueltos con la metodología para resolución de problemas.
1.- Una carga de prueba de 4x10-7 C recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 2x10-4 N. ¿Cuál es la magnitud de la intensidad del campo eléctrico en el punto donde está colocada la carga de prueba? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
E =? -7 q0= 4 x10 C -4 F= 2 x10 N
2. Una carga de 2 C en un punto p en un campo eléctrico experimenta una fuerza descendente de 8x10 4 N ¿cuál es la intensidad del campo eléctrico en ese punto? Datos E=? -6 q0= 2 x10 C 4 F=8 x10 N
Fórmula
Sustitución
Resultado 4
2x106 C
Ejercicio 8 Después de analizar los ejercicios anteriores, resuelve los siguientes problemas utilizando la metodología para resolver problemas. Utiliza para la evaluación la lista de cotejo para resolver problemas.
1.- Una carga de prueba de se sitúa en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico 2 tiene una magnitud de 5x10 N/C. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza que actúa sobre ella? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- La intensidad del campo eléctrico producido por una carga de 3 en un punto determinado tiene una magnitud de 6x106 N/C. ¿A qué distancia del punto considerado se encuentra la carga? Datos
Fórmula
Sustitución
94
Resultado
Tarea 5 Elabora en equipo una maqueta que represente las líneas de fuerza del campo eléctrico. Ésta se presentará en una exposición grupal. Sigue las indicaciones del tu maestro para esta actividad. Toma en cuenta la rúbrica de trabajo en equipo
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Contesta las preguntas planteadas y compara tus puntuaciones obtenidas con los valores esperados de la tabla Excelente - Siempre Buena A veces Regular - Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Buena
Regular
(3)
(2)
(1)
¿Cómo fue mi asistencia a clases? ¿Cómo fue mi participación en los equipos de trabajo en el grupo? ¿Cómo fue mi desempeño en las clases? ¿De qué manera comprendí el tema de fuerza eléctrica? ¿Cómo considero mi aprendizaje acerca de la ley de Coulomb? ¿Soy capaz de resolver problemas de la Ley de Coulomb? ¿Comprendí el tema „intensidad del campo eléctrico‟? TOTALES
Si tu puntuación es de 21, EXCELENTE, ahora ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 14 a 20, BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 13 o menos, REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
95
Sesión
3.2.
28
Potencial eléctrico.
3.2.1. Energía potencial eléctrica.
Define qué es energía potencial eléctrica Identifica la expresión matemática de potencial eléctrico Utiliza modelos matemáticos que determinen el potencial eléctrico.
De manera individual responde los siguientes cuestionamientos acerca del tema.
1.- ¿Qué es energía en términos de física?
2.- ¿Qué es „trabajo‟? ¿Qué se necesita para hacer un trabajo?
3.- ¿Qué se necesita para mover una carga eléctrica de un lugar a otro dentro de un campo eléctrico?
4. Al mover la carga eléctrica, se gesta una energía ¿Cómo se llama a esa energía?
5. ¿Cómo se mueven los electrones en un conductor? ¿Qué los impulsa?
96
Energía Potencial Eléctrica La parte de la física que se encarga del estudio de las cargas en movimiento dentro de un conductor es la electrodinámica. Cuando un objeto se encuentra dentro del campo gravitatorio de la tierra, tiene una Toda carga eléctrica, positiva o negativa, tiene un energía potencial gravitacional. De potencial eléctrico debido a su capacidad para manera análoga, una carga eléctrica realizar trabajo sobre otras cargas. situada dentro de un campo eléctrico tendrá una energía potencial eléctrica, pues la fuerza que ejerce el campo es capaz de realizar un trabajo al mover la carga. Un potencial eléctrico es positivo si al conectar un objeto a tierra, por medio de un conductor eléctrico, los electrones fluyen desde el suelo al objeto; y será negativo si al conectarlo a tierra los electrones fluyen en dirección inversa. Para estas definiciones se considera que el potencial eléctrico en tierra es cero. El potencial eléctrico (V) en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo (T) que se necesita realizar para transportar la unidad de carga positiva (q) desde el potencial cero (tierra) hasta el punto considerado. Por tanto: Donde: V= Potencial eléctrico o voltaje (Volts) T= Trabajo realizado (Joule) q= Carga transportada (Coulomb) En términos prácticos, no es tan importante conocer el potencial eléctrico existente en determinado punto de un campo eléctrico, sino cuál es la diferencia de potencial entre estos dos puntos y con ello determinar la cantidad de trabajo necesario para mover cargas eléctricas de un punto a otro. La diferencia de potencial entre ambos puntos puede determinarse si se conoce el potencial eléctrico de cada uno y se obtiene su diferencia.
EJEMPLO
Si el potencial de un punto A es de 2 volts y en un punto B es de 1 volts, la diferencia de potencial entre A y B es de 1 volt. Como la diferencia de potencial es de 1 volt, equivale a 1 J/C, entenderemos que el campo eléctrico realiza 1 joule de trabajo por cada coulomb de carga eléctrica para moverlas del punto A al B. Ésta es la diferencia de potencial de 1 volt.
97
Ejercicio 9 Contesta las preguntas que se te presentan a continuación. Toma en cuenta los criterios de la lista de cotejo para cuestionario.
1. ¿Qué significa Diferencia de potencial?
2. ¿Qué es energía potencial eléctrica?
3. ¿Para que se usa la fuerza en el potencial eléctrico?
4. ¿Por qué el trabajo eléctrico está relacionado con la distancia?
5. ¿Cómo se mueven cargas eléctricas de un lugar a otro?
6. Despeja el trabajo partiendo de la siguiente fórmula de potencial eléctrico
7. ¿De qué unidades se compone un Joule?
8. ¿Porqué toda carga tiene un potencial eléctrico?
98
Ejercicio 10 Realiza un mapa conceptual que toque los puntos más importantes del tema. Se evalúa con una rúbrica de mapa conceptual.
MAPA CONCEPTUAL
99
Sesión
3.2.2 Cálculo de potencial eléctrico.
29
Calcula el potencial en cualquier punto. Resuelve problemas de potencial eléctrico. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.
De manera individual responde los siguientes cuestionamientos acerca del tema.
1.- ¿Qué entiendes por potencial eléctrico?
2.- ¿Qué ecuación es usada para el cálculo del potencial eléctrico sobre una carga de prueba en cualquier punto de un campo eléctrico?
3.- ¿De qué otras formas se puede nombrar el potencial eléctrico?
4.- ¿En qué unidades se mide el potencial eléctrico?
100
Ejercicio 11 Realiza la lectura del tema de Potencial eléctrico y contesta lo que se te pide, toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo para resolver cuestionario.
Potencial eléctrico Para calcular el potencial eléctrico (también llamado voltaje) existen varias ecuaciones dependiendo de los datos que se nos proporcione; como hemos visto el potencial se calcula mediante el trabajo realizado para transportar una carga a través de un espacio: Donde:
V= Potencial eléctrico en volts (V)
T= Trabajo en Joules (J) q= Carga en Coulombs (C) Pero existen otros conceptos que incluyen el potencial eléctrico del cual se obtienen mediante sustituciones matemáticas dando lugar a una segunda ecuación para el potencial eléctrico: Donde:
V= Potencial eléctrico en volts (V) K0= Constante de proporcionalidad en el vacío de 9 x109 Nm2/C2 q= Carga que produce el campo determinado en Coulomb (C) r= Distancia determinada en metros (m)
Un campo eléctrico uniforme se produce cuando existen dos placas cargadas con signo diferente y la ecuación para calcular el potencial eléctrico o el trabajo que se realiza para transportar una carga entre estas placas: Donde:
V=Voltaje o potencial eléctrico en Volts (V) E= Campo eléctrico dado en Newton (N) d= Distancia entre las placas en metros (m)
También están las ecuaciones de resistencia, capacitancia y Potencia eléctrica que se revisarán posteriormente de donde se puede despejar el voltaje.
101
Antes de resolver problemas, repasemos algunos conceptos: 1. Si el trabajo es el producto de la fuerza por distancia ( , escribe la fórmula para calcular el potencial eléctrico sustituyéndola en 2. ¿Qué es necesario realizar para mover un una carga dentro de un campo eléctrico? 3. ¿Qué otro nombre recibe el potencial eléctrico? 4. ¿Cuál es la unidad de medida del potencial eléctrico? 5. ¿Cuál es el valor de la constante de proporcionalidad en el vacío?
Analiza el siguiente problema de potencial eléctrico y contesta lo que se te pide como continuación del ejercicio anterior.
EJEMPLO S
Calcule el potencial V para un punto a 6 mm de una carga de 15 μC. Si se sabe que se le aplica una fuerza de .02 N para desplazar la carga.
Datos d= 6mm=6 q0 =15 μC =15
Fórmula
Sustitución
Resultado
C ó
F= 0.02N V=?
V 8 Volts
a. ¿Cuál es el valor del potencial eléctrico si se duplica la distancia a la que se encuentra la carga?
b. ¿Cuál es la fórmula despejada para calcular la fuerza en caso de que sea necesaria?
102
Sesión 30
Ejercicio 12 Completa los siguientes ejercicios, selecciona la utilizando la metodología para resolver problemas. Se evalúa con la lista de cotejo para resolver problemas.
1.- Determina el valor del potencial eléctrico a una distancia de 10 cm de una carga de 8 nC. Datos
Fórmula
Sustitución
V=?
Resultado V= _______ V
d=10cm = 0.10m Q= 8nC = 8x10-9 C
2.- Determina el valor de una carga transportada desde un punto a otro al realizarse un trabajo de 4x10-4 J, si la diferencia de potencial es de 2x102 V. Datos
Fórmula
Sustitución
q=?
Resultado q= _________ C
T= 4x10-4 J V = 2x102 V
3.- ¿Cuál es el potencial o voltaje entre dos placas que se encuentran separadas1 cm, cuyo campo eléctrico es de 5x104 N/C? Datos
Fórmula
Sustitución
V=?
Resultado V= 500 volts
d= 1cm = ________m 4
E = 5x10 N/C
103
Ejercicio 13 Con apoyo del texto que contiene las distintas maneras de calcular el potencial eléctrico, responde los ejercicios que se les plantean utilizando la fórmula correcta y la metodología para la solución de problemas. Se evalúa mediante una lista de cotejo de ejercicios.
1.- Determina el valor del potencial eléctrico a una distancia de 10 cm de una carga de 8 nC. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- Determina el valor de una carga transportada desde un punto a otro al realizarse un trabajo de 4x10-4 J, si la diferencia de potencial es de 2x102 V. Datos
Fórmula
Sustitución
104
Resultado
Sesión 31
Ejercicio 14 En forma individual resuelve los siguientes ejercicios. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de ejercicios.
1.- Una carga de 4nC es transportada desde el suelo hasta la superficie de una esfera cargada, con un trabajo de 7x10-5 J. Determinar el valor del potencial eléctrico de la esfera. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- Determina el valor del potencial eléctrico a una distancia de 15cm de una carga puntual de 6μC. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Entre dos placas separadas a una distancia de 2 cm existe una diferencia de potencial de 4x102 V. ¿Cuánto vale la intensidad del campo eléctrico entre las placas? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
4. ¿A qué distancia de una carga de 67 μC se tiene un potencial de 4μV? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
5. Calcule el valor de una carga situada a 3 cm de un potencial eléctrico de 13 μV Datos
Fórmula
Sustitución
105
Resultado
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO
Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente- Siempre BienA veces Regular- Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Bien
Regular
(3)
(2)
(1)
Asistir a clases Trabajar y colaborar con diversos equipos Participar o trabajar en clase Comprender el concepto de potencial eléctrico Calcular potencial eléctrico en cualquier punto Resolver problemas que involucren potencial eléctrico TOTALES
Si tu puntuación es de 18 EXCELENTE, ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 12 a 17 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 11 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
106
Sesión
3.3
Capacitancia.
32
3.3.1 El capacitor.
Comprende el concepto de capacitancia. Identifica las propiedades del capacitor Advierte las características y el funcionamiento de un capacitor Trabaja colaborativamente
Ejercicio No. Plantea un problema escrito sobre potencial eléctrico sobre cómo actúan las cargas positivas y negativas. Puedes usar la información de la teoría de campo eléctrico.
De manera individual contesta las siguientes preguntas.
1. ¿Qué entiendes por carga eléctrica?
2. ¿Cómo se almacena o se guarda una carga?
4. ¿Puede una carga viajar en un material conductor?
5. ¿Qué sucede con la carga en un material no conductor?
107
Ejercicio 15 Analiza la siguiente lectura y resalta las ideas principales y posteriormente elabora un cuadro sinóptico en tu cuaderno.
Capacitores Un capacitor o condensador eléctrico es un dispositivo empleado para almacenar cargas eléctricas. Un condensador básico consta de dos láminas metálicas separadas por un aislante o dieléctrico que puede ser aire, vidrio, mica o papel encerado. Un capacitor tiene la capacidad de un Farad cuando al almacenar la carga de un Coulomb su potencial aumenta un Volt La capacidad o capacitancia de un capacitor se mide por la cantidad de carga eléctrica que se puede almacenar. Para aumentar la capacitancia se hacen las siguientes modificaciones: a).- Disminuir la distancia entre las dos placas metálicas de tal manera que al acercarse, la placa positiva provocará que se atraigan más cargas negativas de la batería sobre la placa negativa y por su puesto más carga positiva sobre la placa positiva. b).- Aumentar el áreas de las placas, pues mientras mayor superficie tengan, mayor será su capacidad de almacenamiento. c).- Aumentar el voltaje de la batería.
¿Sabías que… Como el Farad es una unidad muy grande, en la práctica se utilizan submúltiplos como: -6 1µF = 1 X10 F -9 1nF = 1 X10 F -12 1pF = 1 x 10 F
EJEMPLO S
Fig. Algunos ejemplos de capacitores
108
Ejercicio 16 Contesta individualmente las siguientes preguntas para reforzar lo aprendido. Esta actividad se va a revisar con la lista de cotejo de cuestionario.
1.- Es la unidad de medida de la capacitancia.
2.- ¿Cuál es la función de un capacitor?
3.- ¿Cuáles son las partes de un capacitor?
4.- ¿De qué material pueden estar hechos los capacitores?
Tarea 2 Realiza una tabla en tu cuaderno clasificando los tipos de capacitores, apóyate en la página http://www.unicrom.com/Tut_ClasifCapaci.asp, esta actividad se va a evaluar con la rúbrica de investigación.
109
Sesión
3.3.2 Cálculo de la capacitancia.
Resuelve ejercicios de aplicación relacionados con la capacitancia. Relaciona el concepto de capacitancia a su vida diaria. Trabaja colaborativamente integrados en equipos.
Contesta de manera individual las siguientes preguntas.
1.- ¿Qué es un capacitor?
2.- ¿Cuál es la unidad de medición de los capacitores?
3.- ¿Qué es la capacitancia?
110
33
Capacitancia Como ya se vio en el tema anterior, la capacitancia es la cantidad de carga (Q) que se puede almacenar en capacitor a un voltaje dado es proporcional a la capacitancia ¿Cuál y el voltaje (V) de donde: , de la cual se obtiene que Donde:
Cuando se desea calcular la capacitancia de un capacitor de placas paralelas se utiliza la siguiente expresión:
Donde:
La constante llamada permeabilidad eléctrica o permitividad del medio aislante, es igual al producto de la constante de permitividad en el vacio 0= 8.85 X 10-12 C2/ Nm2 y r es la permitividad relativa o coeficiente dieléctrico del medio aislante (Ver cuadro 3.3.2), por tanto: =
0
r
Medio aislador Vacio Aire Gasolina Aceite Vidrio Mica Glicerina Agua
Permitividad relativa 1.0000 1.0005 2.35 2.8 4.7 5.6 45 80.5
Cuadro 3.3.2 Permitividad relativa ( r) de algunos materiales
111
r
Dos láminas cuadradas de estaño de 30 cm de lado están adheridas a las caras opuestas de una lamina de mica de EJEMPLO S
0.1 mm de espesor con un
r
= 5.6
¿Cuál es el valor de la Capacitancia? Datos L= 30 cm = 0.3 m
Fórmulas = 0 r
Sustitución -12 = (8.85 X 10 F/m)(5.6) -12
d = 0.1 mm = 0.0001 m
= 49.56 X 10 A= LXL
r
(mica)= 5.6
0
= 8.85 X 10
-12
F/m
A = (0.3 m)(0.3 m) = 0.09 m
F/m
2
= 49.56 X 10-12 F/m
=?
Resultado -10 = 446 X 10 F
Analizando el resultado ¿esa cantidad de capacitancia es mucha o es poca? Para ello comparar con un valor típico de capacitores comerciales cuya capacitancia típica es de algunos μF.
Ejercicio 17 En equipo desarrollen los ejercicios en su cuaderno, utilizando la metodología para resolver problemas. Se evalúa con la lista de cotejo para ejercicios.
1.- Las placas de un capacitor tienen una separación de 5 mm en el aire. Calcula su capacitancia si cada placa rectangular mide 15 cm X 20 cm.
2.- Dos laminas cuadradas de 27 cm de lado, separadas por 3 mm en un medio aislador (dieléctrico) de glicerina ( r =45) ¿Cuál es el valor de su capacitancia?
3.- Un capacitor de tiene una carga almacenada de 43 coulomb, además, se aplica una diferencia de potencial entre sus placas de 110 volts.
112
Tarea 6 Contesta los siguientes ejercicios para presentarlos en la siguiente clase. Para calificar este trabajo se utiliza la lista de cotejo de solución de ejercicios.
1.- Dos laminas rectangulares tienen un área de 9X10-2 m2 están adheridas a las caras de una lámina de mica con un espesor de 0.3 mm y su permitividad relativa r = 5.6 ¿Cuál es el valor de su capacitancia? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- Un capacitor tiene una capacitancia de 85.3 nF y una diferencia de potencial de 110 v ¿Cuál es la carga del capacitor? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Un capacitor obtiene una carga de 79 culombios y una capacitancia de 86.2 pF ¿Cuál es su diferencia de potencial? Datos
Fórmula
Sustitución
113
Resultado
Sesión
3.3.3 Capacitores en serie y en paralelo.
34
Diferencia el comportamiento de la capacitancia en circuitos con capacitores en serie y en paralelo. Da solución a problemas de la vida diaria. Calcula capacitancias equivalentes para configuraciones serie y paralelo. Trabaja colaborativamente con el resto del grupo
De manera individual contesta en la columna derecha de los reactivos.
Preguntas relacionadas a tus conocimientos previos
Es un dispositivo empleado para almacenar carga eléctrica
Es la unidad utilizada para medir la capacitancia de un condensador
Es el valor de la permeabilidad en el vacio (
0)
Es la expresión matemática utilizada para medir la capacitancia
Qué sucede con la capacidad de almacenamiento de un capacitor al aumentar el área de sus placas
114
Respuesta
Condensadores Los capacitores también pueden conectarse en serie y en paralelo, con la diferencia de que las dos ecuaciones empleadas para los capacitores son intercambiadas de las utilizadas para las resistencias en serie y en paralelo. C1 10uF +
1 1 1 1 ... Ce C1 C2 Cn
+ V1 10V
+
En serie:
C3 5uF
C2 7uF +
C1 10uF
C2 7uF
+
+ V1 10V
+
En paralelo:
+
Capacitores en serie
C3 5uF
Ce = C1 + C2 + C3 +……+ Cn
Circuito en paralelo
Donde: C = Capacitancia en Faradios (F) Ce = Capacitancia equivalente en Faradios (F) Es importante señalar que al conectar los capacitores en paralelo cada uno de ellos tendrá la misma diferencia de potencial V equivalente a y, además, el valor de la carga total almacenada será igual a Q= Q1 + Q2 + Q3 +…+ Qn y en una conexión en serie los capacitores adquieren la misma carga: Q = CV y el valor de la diferencia de potencial total será V= V 1 + V2 + V3 +…+ Vn
EJEMPLO S
Tres capacitores de 3, 6 y 8 pF se conectan primero en serie y luego en paralelo. Calcula la capacitancia equivalente en cada caso.
115
En serie: Datos C1= 3 pF C2= 6 pF C3= 8 pF
Fórmulas
Sustitución
1 1 1 1 ... Ce C1 C2 Cn
1 1 1 1 0.333 0.166 0.125 0.624 Ce 3 6 8
Ce
=
Resultado:1.6 pF
En paralelo: Datos C1= 3 pF C2= 6 pF C3= 8 pF
Fórmulas
Sustitución
Ce = C1 + C2 + C3 +……+ Cn
Ce
=3+6+8
Resultado: 17 pF
Ejercicio 18 En equipos de 4 alumnos, resuelve las siguientes preguntas y ejercicios, analizando los resultados anteriores. Se evalúa con la lista de cotejo de ejercicios.
1. ¿Cuál de las dos configuraciones posee mayor capacitancia?
2. ¿Se podría hacer una configuración que mezclara serie y paralelo en un mismo circuito?
3. ¿De ser así, cómo se esperaría que fuera su valor al compararse con los resultados previos?
116
4. Tres capacitores de 2pF, 7pF y 12 pF se conectan en serie a una batería de 30 V, calcula la capacitancia equivalente. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
5. Un capacitor cuyo valor es de 40 µF se conecta a una diferencia de potencial de 120 V ¿Cuál es su carga? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
6. Dos capacitores de 7 y 9 pF se conectan en serie y en paralelo, calcula su capacitancia equivalente. Datos
Fórmula
Sustitución
117
Resultado
Sesión 35
Ejercicio 19 Contesta los siguientes ejercicios para reforzar tu aprendizaje del tema. Esta actividad se va a evaluar con la lista de cotejo de ejercicios.
1.- Dos capacitores de 20 y 30 pF se conectan en paralelo a una diferencia de potencial de 60 V. Calcula: a) La capacitancia equivalente.
b) El voltaje en cada capacitor.
c) La carga total que almacenan los capacitores.
2.- Si se tienen tres capacitores en paralelo de 7, 5, y 9 pF respectivamente, ¿Cuál sería su capacitancia? Ahora a ese mismo sistema se le añaden dos capacitores más pero en paralelo de 10 y 4 pF respectivamente ¿Cuál será la nueva capacitancia? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Se tienen cuatro capacitores 2, 4, 6 y 8 pF respectivamente, después se le añaden tres capacitores más en serie ¿Cuál es su capacitancia? Datos
Fórmula
Sustitución
118
Resultado
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente- Siempre BienA veces Regular- Casi nunca
Valoración Excelente Bien Regular
Criterios
(3)
(2)
Asistir a clases Trabajar y colaborar con diversos equipos Participar o trabajar en clase Comprender el concepto de capacitancia Calcular la capacitancia de un condensador Calcula la capacitancia de condensadores conectados en paralelo Calcula la capacitancia de condensadores conectados en serie TOTALES
Si tu puntuación es de 21 EXCELENTE, ahora ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 14 a 20 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 13 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet
119
(1)
Sesión
3.4
Corriente eléctrica.
36
3.4.1 Intensidad de la corriente eléctrica.
Identifica que significa el término corriente eléctrica. Resuelve problemas del tema. Trabaja de manera colaborativa y responsable. Es responsable en el cumplimiento de sus actividades.
Contesta de manera individual las siguientes preguntas.
1.- ¿Qué es la corriente eléctrica?
2.- ¿Cómo se mueve la carga dentro de un conductor? ¿Qué nombre recibe este fenómeno?
3.- ¿Qué aparatos eléctricos de su alrededor usan corriente eléctrica?
4.- ¿Cuáles son los tipos de corriente existentes?
5.- ¿En donde se puede generar una corriente eléctrica?
6.- ¿Qué materiales son capaces de generar la electricidad?
7.- ¿Qué hace que los electrones se muevan en un conductor?
8.-¿Como se le lama al dispositivo donde fluye la corriente?
120
Corriente eléctrica La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones por el interior del material. Se mide en amperios y se indica con el símbolo A. Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, que en los metales los portadores de carga son negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad, solo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento o por inducción. Se logró, por primera vez, en 1800 tener un movimiento constante de carga cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó, la primera pila eléctrica. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir. Intensidad de corriente eléctrica Un material conductor posee una gran cantidad de electrones libres, por lo que permite el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo en concreto. Una característica de los electrones libres es que, incluso sin aplicarles un campo eléctrico externo, se mueven a través del material de forma aleatoria debido a la energía térmica. En el caso de que no tengan aplicado ningún campo eléctrico cumplen con la regla de que la media de estos movimientos aleatorios dentro del material es igual a cero. Esto es, si sumamos las cargas (electrones) que atraviesan dicho plano en un sentido y restamos las que lo atraviesan en sentido contrario, estas cantidades se anulan. Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 culombio de carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el material conductor. Dicho de otra forma, un ampere equivale una carga eléctrica de un coulomb por segundo (1 C/s) circulando por un circuito eléctrico, o lo que es igual, 6,3 x 1018 e- (seis mil trescientos billones) de electrones por segundo fluyendo por el conductor de dicho circuito. Por tanto, la intensidad ( I ) de una corriente eléctrica equivale a la cantidad de carga eléctrica ( q ) en coulomb que fluye por un circuito cerrado en una unidad de tiempo.
La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos domésticos funcionan con corriente alterna. En estas situaciones comunes, el flujo de carga fluye por un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre. Es posible también que existan corrientes fuera de un conductor. Por ejemplo, un haz de electrones en el tubo de imagen de una TV constituye una corriente.
121
Analiza el siguiente ejemplo del cálculo de la corriente cuando se tiene una carga que circula en determinado tiempo.
EJEMPLO S
Una carga de 3600 Coulombs pasa por un punto en un circuito eléctrico durante media hora. ¿Cuál es el promedio de circulación de corriente? Datos
Fórmula
q=3600 C
I
t = ½ h =1800s
Sustitución
q t
I
3600C 1800S
I 2C
I =?
Resultado
I 2A
s
Ejercicio 20 Contesta las siguientes preguntas en forma individual. Se va a evalúa con la lista de cotejo de cuestionario.
1. Completa las expresiones matemáticas que permiten calcular la carga eléctrica y el tiempo que le toma en pasar por un punto conociendo la intensidad de corriente t= 2.
q=
Completa el siguiente cuadro: Variable
La unidad de medida es:
Se representa con: A
Coulomb tiempo
3. ¿Qué es la corriente eléctrica?
4. ¿Cuál es la equivalencia de -1 Coulomb? __________________________ e-
122
Sesión 37
Ejercicio 21 Resuelva los siguientes ejercicios en forma individual. Se va a evaluar con la lista de cotejo de ejercicios.
1.- A través de un circuito electrónico se observa que circula una corriente uniforme de 50 mA (miliamperes). ¿Qué carga se transfiere durante un intervalo de 10 minutos? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- Para obtener un plateado de espesor deseado, por la cuba electrolítica debe pasar una carga de 72.000 Coulombs, utilizando una corriente constante de 8 amperes. ¿Qué tiempo es necesario? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Por la sección transversal de un alambre pasan 10 mC en 4 segundos Calcular la intensidad de la corriente eléctrica Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
4.- La intensidad de la corriente que atraviesa a un conductor es 5 amperios. Calcular la carga que pasa por su sección transversal en 2 segundos. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
5.- Determina la intensidad de corriente eléctrica en un conductor cuando circulan 86 coulombs por una sección del mismo en una hora. Dé el resultado en amperes. Datos
Fórmula
Sustitución
123
Resultado
Sesión 38
3.4.2. Tipos de corriente eléctrica (C.A. y C.D.)
Identifica los tipos de corriente eléctrica. Analiza las diferencias que entre cada una de ellas. Relaciona gráficamente los tipos de corriente eléctrica. Identifica el tipo de corriente eléctrica utilizada por los aparatos eléctricos de uso cotidiano. Comprende los conceptos de corriente alterna y directa.
En plenaria responde los siguientes cuestionamientos.
1.- ¿Qué es el flujo de electrones? ¿Cómo se comporta?
2.- ¿Que da origen al movimiento de electrones en un conductor eléctrico?
3.- ¿El movimiento de un electrón siempre está ligado al movimiento del electrón consiguiente?
4.- ¿Qué signo lleva la carga del electrón?
5.- .Una batería de un carro, ¿Qué tipo de corriente usa?
6.- ¿Un celular ¿qué tipo de corriente utiliza?
7.- ¿Que metales son los mejores conductores?
124
Tipos de corriente eléctrica Existen dos tipos de corriente eléctrica: La corriente directa o continua (CC ó CD) se origina cuando el campo eléctrico permanece constante, esto provoca que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido, es decir, de negativo a positivo (recuerda: el sentido convencional de la corriente en forma equivocada señala que es de positivo a negativo). La corriente alterna (CA) se origina cuando el campo eléctrico cambia alternativamente de sentido, por lo que los electrones oscilan a uno y otro lado del conductor, así, en un instante el polo positivo cambia a negativo y viceversa. De manera cotidiana utilizamos en diversos aparatos la corriente directa, misma que obtenemos de pilas o baterías (unión de dos pilas o más), como es el caso de relojes de pared, lámparas sordas, radios portátiles, teléfonos celulares o en el control remoto del televisor. La corriente alterna la usamos en licuadoras, refrigeradores, plancha eléctrica o bien el televisor y se obtiene a partir de generadores eléctricos.
EJEMPLO S
A continuación se muestra dos figuras representando gráficamente la corriente directa (CD) y alterna (CA).
Figura 3.4.2.1 Corriente directa (CD)
Figura 3.4.2.2. Corriente alterna (CA)
125
Ejercicio 22 Completa el siguiente cuadro con la información de tipos de corrientes que se proporcionó en el salón de clase. Tomando en cuenta los aparatos eléctricos que usas. Se evalúa con lista de cotejo para aplicación de contenido de la vida real.
Dibuja la forma de la señal de la Corriente Directa.
Ejemplos de aplicación de C.D.
Dibuja la forma de la señal de Corriente Alterna.
Ejemplos de aplicación de C.A.
Ejercicio 23 Elabora un mapa conceptual de los tipos de Corriente en tu cuaderno, incluye las formas de la señal y ejemplos. Esta actividad se va a evaluar con la rúbrica de mapa conceptual.
126
Sesión 39
3.4.3 Ley de Ohm.
Comprende la relación existente entre voltaje, corriente y resistencia en aparatos de uso cotidiano. Establece la relación entre la corriente que circula por un conductor y la diferencia de potencial que está sometido. Valora la importancia de la electricidad en su vida diaria.
En plenaria responde los siguientes cuestionamientos.
¿Qué entiendes por circuito eléctrico?
¿Cómo funciona una parrilla eléctrica para cocinar?
¿Cómo se llama a la oposición que presentan los conductores al paso de la corriente?
¿Qué puede hacer que se frene el flujo de la corriente?
¿Cuáles son las variables que intervienen en la Ley de Ohm?
127
Ley de Ohm El físico y matemático alemán George Simon Ohm, experimentalmente observó que la corriente que fluye por un conductor aumenta al incrementar la diferencia de potencial (voltaje) entre sus terminales y disminuye en la misma proporción al reducir la diferencia de potencial, eso quiere decir que si se duplica el voltaje de alimentación, se duplica la corriente y al disminuir el voltaje a la mitad, la corriente también disminuye a la mitad. En sus experimentos también comprobó que al incrementar la resistencia del conductor, la corriente que fluye por el mismo disminuye y que al disminuir la resistencia del conductor la corriente se incrementa en la misma proporción, lo que significa que si se duplica la resistencia se disminuye la corriente a su mitad y viceversa. En la relación a estos tres conceptos, en 1826 postuló una ley, misma que lleva su nombre.
George Simon Ohm (177-1854)
Ley de Ohm
La intensidad de corriente eléctrica que fluye por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor.
Matemáticamente esta ley se expresa con la siguiente ecuación: Donde:
Al cerrar el interruptor de un circuito se enciende un foco que consume 0.15 Amperes, si se cuenta con 3 pilas de 1.5 volts conectadas en serie como fuente de alimentación de 4.5 volts, calcula la resistencia del filamento del foco. Datos: R= _____ V=4.5 V I= 0.15 A
Fórmula: , Despejamos la Resistencia:
Sustitución y desarrollo:
Resultado:
= 30 V /A
128
Ejercicio 24 A partir de la lectura anterior, trabaja en equipo para repasar los conceptos relacionados con la Ley de Ohm y su aplicación en la actualidad. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de cuestionario.
1. Son las variables que relacionó en sus experimentos George Simon Ohm en 1826.
2. Completa las expresiones matemáticas que permiten calcular la diferencia de potencial y la resistencia a partir de la Ley de Ohm. V=
3.
R=
Completa el siguiente cuadro: Variable
La unidad de medida es:
Se representa con: V
Ampere Resistencia
4. Calcula la corriente que fluye por una plancha conectada a una diferencia de potencial de 120V, si su resistencia es de 50. Datos Fórmula Sustitución Resultado
129
Ejercicio 25 A continuación se te presentan una serie de situaciones relacionadas con la Ley de Ohm y su aplicación en la actualidad, contesta de manera individual. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de cuestionario.
1. ¿Cuáles son las expresiones matemáticas para calcular: voltaje, corriente y resistencia en base a la Ley de Ohm?
2. Calcula la intensidad de la corriente que circula por un horno eléctrico cuando se enciende si está conectado a una línea de 127 V y tiene una resistencia de 25. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3. Calcula el voltaje suministrado por una batería, si al conectarle una resistencia de 50, circulan 1.2 A en el circuito. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
Tarea 7 Redacta en tu cuaderno un texto de media cuartilla acerca del valor de las investigaciones de Ohm para el desarrollo de la humanidad.
130
Sesión
3.4.4. Circuitos resistivos en serie, paralelo y mixto.
40
Distingue entre los diferentes tipos de conexión de circuitos resistivos. Determina el valor de la resistencia equivalente en circuitos resistivos serie, paralelo y mixto. Aplica la Ley de Ohm en circuitos resistivos para obtener el voltaje o la corriente correspondiente. Valora la importancia de los circuitos resistivos en el beneficio de la sociedad.
En plenaria responde los siguientes cuestionamientos.
1. ¿Cuáles tipos de conexión eléctrica conoces?
2. ¿Qué tipo de conexión tienen los aparatos al conectarse a un multicontacto?
3. ¿Cuándo se dice que un circuito es mixto?
4. ¿Cómo se llaman los aparatos que sirven para medir voltaje, corriente y resistencia?
131
Práctica 1 Elabora un tablero de conexiones en equipo, para demostrar el comportamiento de la corriente, la resistencia y el voltaje en un circuito: serie, paralelo o mixto, para el cierre de tema. Investiga en internet, toma las precauciones necesarias y apóyate con tu maestro para realizarlo y presentar el informe correspondiente. Se evalúa con la lista de cotejo para práctica.
I.
Resistencias en serie
Antes de iniciar a hacer cálculos, es necesario representar todo mediante símbolos, ya que al complicarse un circuito se vuelve más dificil su representación y/o interpretación.
El circuito de la izquierda se representa mediante símbolos de la siguiente manera:
En el ejemplo se muestran tres resistencias en una sola rama o sea, conectadas en serie, de tal manera que la corriente es la misma para cada resistencia ya que solo tiene que recorrer un solo camino, eso quiere decir que si se quita una resistencia del circuito este queda abierto por lo que se interrumpe la circulación de la corriente. Se puede incrementar a “n” número de resistencias y la corriente total es igual a en cada una de ellas. Por otro lado el voltaje alimentado por la batería es igual a la suma de los voltajes de cada resistencia, eso quiere decir que el voltaje se divide entre el total de resistencias.
Despejando la Ley de Ohm sabemos que: Entonces el voltaje se puede sustituir por: Si sabemos que la corriente es igual en todas las resistencias, entonces obtenemos la siguiente ecuación:
132
En el caso de necesitar calcular la corriente y resistencia total para reemplazar 2 resistencias de 50 , y 100 respectivamente, conectadas en serie a una fuente de 12 volts se necesita tener una resitencia equivalente de: Datos:
Fórmula
Sustitución y desarrollo
Resultado:
R1=50
a) Para obtener resistencia total:
la
a)
a)La resistencia equivalente es:
b) La corriente la obtenemos aplicando la Ley de Ohm:
b)
R2=100 VT= 12V
RT=_____
b) La corriente es:
IT= _____A
Ejercicio 26 A partir de la lectura y ejercicio anterior, trabaja en equipo para realizar los siguientes ejercicios relacionados con las resistencias en serie. Se evalúa con la lista de cotejo para ejercicio.
1. Conecta en serie los siguientes grupos de resistencias a su respectiva fuente de alimentación:
2. Calcula el valor de la resistencia total de 3 resistencias si sus valores son 100 , 220 y 330 conectadas en serie: Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3. Determina la cantidad de corriente que fluye por un circuito serie compuesto por 2 resistencias de 50 , conectadas a una fuente de 12V. Datos Fórmula Sustitución Resultado
133
Sesión 41
II.
Resistencias en paralelo
Cuando dos o más resistencias se conetan en un mismo nodo en cada uno de sus extremos, se dice que están conectadas en paralelo, de tal manera que el voltaje es el mismo para cada una de las resistencias y que la corriente se tiene que dividir en cada rama , eso quiere decir que si se quita una resistencia del circuito la corriente ahora circula por las que quedan conectadas y el voltaje no varía. Se puede incrementar a “n” número de resistencias y el voltaje de alimentación es igual al voltaje de cada resistencia. Por otro lado la corriente que suministra la fuente se distribuye entre las resistencias, eso quiere decir que, la suma de todas las corrientes es igual a la corriente total.
Aplicando la Ley de Ohm: Entonces el voltaje se puede sustituir por:
Si sabemos que el voltaje es igual en todas las resistencias, entonces obtenemos la siguiente ecuación:
Despejamos para obtener el valor de la resistencia total:
Calcular el voltaje de una batería si al conectarla a un circuito de tres resistencias en paralelo, cuyo valor es de 100, 120 y 150 respectivamente, en total consumen 0.1 A
134
Datos
Fórmula
R1=100
Se necesita la resistencia total
Sustitución y desarrollo
Resultado
R2=120 R3=150 IT= 0.1A
RT=_____
Para obtener el voltaje, aplicando la Ley de Ohm:
Aplicando la ley de los extremos:
VT= _____A
Ejercicio 28 A partir de la lectura y ejercicio anterior, trabaja en equipo para realizar los siguientes ejercicios relacionados con las resistencias en paralelo. Toma en cuenta la evaluación de la lista de cotejo de ejercicios.
1. Conecta en paralelo los siguientes grupos de resistenciasa a su respectiva fuente de alimentación:
2. Calcula el valor de la resistencia total de 3 resistencias si sus valores son 144 , 240 y 360 conectadas en paralelo: Datos Fórmula Sustitución Resultado
3. Determina la corriente total que fluye por un circuito paralelo, compuesto por 2 resistencias de 50 , conectadas a una fuente de 12V Datos Fórmula Sustitución Resultado
135
Sesión 42
III.
Resistencias en serie-paralelo
Existen situaciones en las que no se puede tener un circuito puramente serie o paralelo, es a partir de la combinación en conexiones de sus elementos que se logra una nueva conexión llamada serie-paralelo o mixto, para su solución es necesario simplificar el circuito obteniendo resistencias equivalentes que permitan. Actualmente las luces navideñas, tienen una conexión serie-paralelo, a diferencia de años anteriores que eran conocidas por el nombre de su conexión como “series de luces navideñas”. La diferencia radica en el hecho de que si ahora se funde un foco, sólo la sección serie en la que está conectado no enciende, funcionando correctamente el resto de las luces.
Si se tiene un aparato con una resistencia de un valor que no se logra conseguir y un arreglo en serie o paralelo no dan un equivalente se puede hacer un arreglo equivalente en una conexión mixta. Vamos a calcular el valor de corriente que suministra la batería del siguiente circuito, para lo que necesitamos la resistencia total de la conexión mixta, si los valores de las resistencias son: R1= 20 , R2=24 , R3= 90 , y R4=60 . R1
+ V1
R3
R4
Como podemos observar las resistencias R3 y R4 están conectadas en paralelo, por lo que las reducimos a su resistencia equivalente.
R2
Fig. 3.4.2.1 Circuito mixto R1
Necesitamos utilizar la fórmula para obtener el valor de la resistencia equivalente (RA) a las 2 resistencias en paralelo.
+ V1
R3
R4
R2
Fig. 3.4.2.2 Las resistencias R3y R4 se encuentran en paralelo , y su equivalente se encuentra en serie con R 1 y R2
136
R1
+ V1
Al obtener el valor de la resistencia equivalente RA podemos notar que se encuentra en serie con el resto de las resistencias, lo que nos permite obtener el valor de la resistencia total.
RA
R2 Fig. 3.4.2.3 La resistencia total se obtiene al sumar RA con R1 y R2, por estar en serie
Al obtener el valor de la resistencia total, conociendo el voltaje, en base a la Ley de Ohm calculamos la corriente.
+ V1
RT
Fig. 3.4.2.4 La corriente que circula por la resistencia RT, se distribuye entre todas las resistencias del circuito
Ejercicio 29 En base al ejemplo anterior, trabaja en equipo para realizar los siguientes ejercicios relacionados con las resistencias en conexión mixta. Se evalúa con la lista de cotejo de ejercicios.
1. Calcula la corriente y la resistencia total del siguiente circuito si VT= 10V, R1= 10, R2=30, R3=20 y R4= 60. R1
+ V
R2
R3
R4
137
2. Dibuja el diagrama del circuito de dos resistencias conectadas en paralelo entre sí y en serie con una tercer resistencia.
3. Calcula la corriente y la resistencia total del siguiente circuito si se conecta a una pila de 9V, cuando los valores de las resistencias son: R1= 15, R2=30y R3=45.
R1 + V1
R3 R2
138
Sesión 43
Ejercicio 30 A continuación se te presentan una serie de situaciones relacionadas con circuitos serie, paralelo y mixto y su aplicación en la actualidad, contesta de manera individual. Se va a evaluar con la lista de cotejo de ejercicios.
1. ¿Cuál es el valor de la corriente que circula por 3 resistencias conectadas en serie a una fuente de 3V? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2. ¿Qué valor toma la corriente en un circuito eléctrico si la resistencia se disminuye en una tercera parte?
3. Calcula la intensidad de la corriente que pasa por una extensión conectada a la línea de 120V, misma que se utiliza para conectar una secadora cuya resistencia es de 30 y una plancha que al máximo de su potencia su resistencia tiene un valor de 25. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
4. En una conexión en paralelo el voltaje es __________________ para todas las resistencias.
5. El valor de la resistencia total es ______________ que el valor de cada una, en una conexión en paralelo.
6. La representación matemática para obtener el valor de la resistencia total en un circuito paralelo es:
139
7. La suma de los voltajes de cada resistencia es igual al voltaje total, en un circuito _________. 8. Por uno de los cables de un automóvil pasan 4 A al aplicarle una diferencia de potencial de 12V, ¿Cuál es el valor de su resistencia? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
9. ¿Qué valor tiene la resistencia total en un circuito con 2 resistencias del mismo valor conectadas en paralelo?, ¿Y si se conectan en serie?
Paralelo:
Serie:
10. ¿Al utilizar focos ahorradores de energía, que es exactamente lo que se reduce: la diferencia de potencial, el flujo de corriente o la resistencia?
140
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Valoración
Excelente- Siempre BienA veces Regular- Casi nunca Criterios
Excelente
Bien
Regular
(3)
(2)
(1)
Asistir a clases Trabajar y colaborar con diversos equipos Participar o trabajar en clase Comprender el concepto de corriente eléctrica Resolver problemas que involucren la intensidad de la corriente eléctrica Comprender los conceptos de corriente alterna y corriente directa Diferenciar la corriente alterna de la corriente directa Comprender la relación existente entre voltaje, corriente y resistencia Distinguir entre los diferentes tipos de conexión de circuitos resistivos Determinar el valor de la resistencia equivalente en los circuitos resistivos TOTALES
Si tu puntuación es de 30 EXCELENTE, ahora ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 20 a 29 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 19 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
141
Nombre________________________________________
Grupo____________________ Turno________________
Fecha______________________________________________ A continuación se presenta una serie de reactivos de 5 opciones de respuesta. Subraya la respuesta correcta que corresponda a cada uno de ellos: 1.- Determina la fuerza eléctrica ejercida entre as cargas q1 = 8 x 10-6 C y q2 = 6 x 10-6 C cuando se encuentran separadas por una distancia de 30 cm. a) 3.2 N b) 4.8 N c) 6 N d) 8 N e) 30 N 2.- La plata es un material: a) Aislante b) semiconductor
c) conductor
d) superconductor
e) electromagnético
3.- ¿Qué fuerza experimentan dos cargas positivas cuando se aproximan? a) atracción b) superposición c) repulsión d) neutras e) paralelas 4.- Determina el valor de la resistencia total en un circuito de 5 resistenicas conectadas en serie, si sus valores son: 75, 50, 150, 100y 200, respectivamente a) 825 b) 287.5 c)575 d)125 e)18.18 5.- Determina el valor de la resistencia total en un circuito de 3 resistenicas conectadas en paralelo, si sus valores son: 75, 150y 200 , respectivamente a) 425 b)40 c)25 d)125 e)18.18 6.- Ley que menciona que 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. a) Coulomb b) Joule c) Ohm d) Lenz e) Intercambio de calor 7.- Las cargas eléctricas de diferentes signos se atraen y las de igual se repelen aun cuando están separadas e influyen sobre la región que está a su alrededor: a) Energía potencial eléctrica b) Corriente eléctrica c) Potencial eléctrico d) Campo Eléctrico e) Carga de Prueba 8.- Una esfera metálica, cuyo diámetro es de 20 cm, esta electrizada con una carga de de 8 µC distribuida uniformemente en su superficie. ¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico a 8 cm de la superficie de la esfera? a) 22.22 X 106 N/C b) 4.22 X 102 N/C c) 2.22 X106 N/C 2 2 d) 10.32 X 10 N/C e) 1.44 X 10 N/C
142
9.- Es un dispositivo empleado para almacenar carga eléctrica a) Transformador b) capacitor c) electroimán d) motor
d) generador
10.- Cuando un conductor recibe 10 C , su potencial aumenta 100 V. ¿Cuánto vale su capacitancia? a) 100 pF b) 68 pF c) 89 pF d) 108 pF e) 43 nF 11.- Un capacitor de placas paralelas de 20 X 4 cm. Cada una, están separadas 1 mm. Hallar su capacitancia a) 46 pF b) 25.8 pF c) 47.8 pF d) 70.8 pF e) 69 pF 12.- Un condensador de un circuito de televisión tiene una capacidad de 2.4 F y la diferencia de potencial entre sus bornes vale 1000 V; calcular la energía almacenada en él. a) 0.024 C b) 3.8 C c) 0.34 C d) 0.09 C e) 0. 0005 C 13.- Toda la carga positiva o negativa tiene un: A) Energía potencial eléctrica B) Corriente eléctrica D) Campo Eléctrico E) Carga de Prueba
C) Potencial eléctrico
14.- Determinar el valor del potencial eléctrico creado por una carga puntual q1=12 x 10-9 C en un punto. a) 100 V b) 18 V c) 1.080 V d) 10 V e) 8 V 15.- Un campo eléctrico uniforme tiene un valor 200 N/C, donde se deja en libertad una carga puntual Q=3C ¿Cuál es el voltaje que se usa para transportar la carga? a) 600 V b) 800 V c) 500 V d) 60 V e) 5 V 16.- La diferencia de potencial entre 2 puntos de un campo eléctrico es de 500 V. Calcular el trabajo que hay que realizar para transportar una carga de 2.5x10-5 a) 0.0125 J b) 125 J c) 1.25 J d) 12.5 J e) 1250 J 17.- Determine el potencial eléctrico a 9cm de un cuerpo puntual cuya carga eléctrica es de 9μC. a) 9x105 V b) 9x104 V c) 9x106 V d) 9x103 V e) 9x10-5 V 18.- Se origina cuando el campo eléctrico permanece constante, esto provoca que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido: A) Corriente alterna B) Potencial eléctrico C) Campo eléctricos D) Corriente directa E) Corriente Positiva 19.- Calcular la intensidad de una corriente sabiendo que la carga eléctrica es de 3000 C y el tiempo que dura el pasaje es de 5 minutos. a) 10 A b) 15 A c) 100 A d) 150 A e) 1 A 20.- ¿Qué cantidad de corriente en Coulomb habrá pasado por un conductor en 30 minutos, si la intensidad de la corriente es de 15 A? a) 27000 C b) 27 C c) 2700 C d) 270 C e) 0.27 C
143
144
Unidad IV Magnetismo
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COMPETENCIAS
Identifica el concepto de magnetismo.
Comprende los fenómenos magnéticos y su origen.
Identifica de manera objetiva el uso de materiales magnéticos.
Comprende la existencia de los diferentes tipos de materiales que generan un campo magnético.
Identifica las leyes del magnetismo en la situación que se generaron.
TEMARIO
4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4
Propiedades magnéticas Imanes Campo magnético Materiales magnéticos Teoría del magnetismo
4.2 Inducción electromagnética 4.2.1 Electroimanes 4.2.2 Motores, transformadores y generadores
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Sesión 44
Responde los siguientes cuestionamientos.
¿Qué es un imán?
¿Qué es magnetismo?
¿Qué es un campo magnético?
¿Cómo se caracteriza un material magnético?
¿Cómo funciona un motor?
¿Cómo funciona un generador de corriente?
¿Para qué sirve un transformador?
¿Dónde se emplean los motores, generadores y transformadores?
147
4.1
Propiedades magnéticas.
4.1.1 Imanes.
Conoce los imanes y los diferentes tipos que existen. Comprende la función que desempeñan los imanes en la vida cotidiana. Conoce los aparatos eléctricos en donde se hace uso de los imanes.
A principios del siglo XVI, los sabios descubrieron la explicación del magnetismo y comprendieron el funcionamiento de la brújula.
EJEMPLO S
Fig. 4.1.1.1 Brújula magnética
La brújula indica el rumbo, empleado por marinos, pilotos, excursionistas y viajeros para orientarse. Hay dos tipos de brújula: la magnética, y la giroscópica. La imagen de la figura 4.1.1.1 es la de una brújula magnética. William Gilbert (1540-1603) médico e investigador inglés, demostró con sus experimentos que la tierra se comporta como un imán enorme, lo cual genera que un extremo de la brújula apunte al polo norte geográfico de la tierra. Gilbert también demostró que cuando un imán se rompe en varios pedazos, cada uno es transformado en un nuevo imán con sus dos polos en cada extremo. Gilbert descubrió la interacción entre los polos de los imanes y demostró que polos iguales se rechazan y diferentes se atraen. Experimento con trozos de hierro sin imantar y se percató que eran atraídos por ambos polos, como también observó que tanto la fuerza de atracción como de repulsión era mayor en los polos.
148
Ejercicio 1 Recrea el experimento de Gilbert, utilizando el siguiente material: una aguja de coser, un vaso con agua, el fondo de un vaso térmico desechable (unicel). Se evalúa con el instrumento de rúbricas de práctica. 1. 2. 3.
Imanta la aguja frotándola unas 15 veces con un imán del centro hacia la punta. Vierte agua en el vaso, coloca el unicel con la aguja para que flote libremente. Gira el vaso hacia un lado y hacia el otro, observa que ocurre y contesta lo siguiente: ¿Hacia donde apunta uno de los extremos de la aguja?
¿Puedes orientarte con tu experimento?
¿Qué dispositivo hace la misma función que tu experimento?
Anota tus conclusiones. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Los imanes más utilizados son los artificiales, ya que se fabrican con mayor intensidad magnética que los naturales y pueden ser moldeados según se requiera. Muchos imanes son fabricados con níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto, tungsteno o molibdeno. Imanes permanentes y temporales Los imanes permanentes son aquellos que se originan cuando el metal es sometido a la acción de un campo magnético producido por un solenoide en el que circula una corriente eléctrica. Los imanes temporales se originan porque reciben imantación a través de un campo magnético el cuál cesa al interrumpirse la corriente o suministro.
Tarea 1 Investiga los aparatos eléctricos y artefactos de uso común en donde se usen los imanes y que trabajo desempeñan. Anota tus conclusiones Se evalúa con una lista de cotejo para realizar un cuestionario.
____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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Sesión 45
4.1.2 Campo magnético.
Comprende el concepto de campo magnético Identifica las características del campo magnético Comprende que líneas de campo magnético son imaginarias Campo magnético terrestre Trabaja de manera colaborativa Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas
Responde los siguientes cuestionamientos.
1.- ¿Qué es campo magnético?
2.- ¿Qué es flujo magnético?
3.- ¿Qué es fuerza magnética?
4.- ¿Qué es la intensidad del campo magnético?
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Campo magnético Se le denomina Campo Magnético a la magnitud vectorial qué expresa la intensidad de la fuerza magnética. El campo magnético es creado por cargas eléctricas en movimiento, pero nunca se crea el campo magnético en el mismo sentido de la trayectoria de la carga, además cargas en reposo no originan ningún campo magnético. Cabe destacar que, a diferencia del campo eléctrico, en el campo magnético existen sólo dipolos magnéticos, lo que significa que las líneas de campo magnético son cerradas, esto es, el número neto de líneas que entran en una superficie es igual al número de líneas de campo que salen de la misma superficie. Las líneas de campo eléctrico fueron útiles para describir los campos eléctricos, las líneas de campo magnético, llamadas líneas de flujo, son muy útiles para visualizar los campos magnéticos. El número de líneas magnéticas que atraviesan a la unidad de área se llama intensidad del campo magnético; donde queden separadas es débil y dónde queden muy juntas, el campo es más intenso. Ejemplos de espectros de campos magnéticos. Las líneas de flujo magnético producidas por un imán ya sea de barra o de herradura, se esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur. (Fig. 4.1.2.1 y Fig. 4.1.2.2)
Fig. 4.1.2.1 Espectro magnético de un imán en forma de herradura.
Fig. 4.1.2.2 Espectro magnético de un imán en forma de barra.
Si dos polos magnéticos iguales son colocados uno cerca del otro, ambos se repelen.
Fig. 4.1.2.3 Líneas de fuerza entre polos iguales.
Fig. 4.1.2.4 Líneas de fuerza entre polos diferentes.
Las líneas de campo magnético comienzan y terminan en el mismo lugar, por lo que no existe un solo polo magnético. Si, dos polos magnéticos diferentes son colocados uno cerca del otro, ambos serán atraídos.
151
El campo magnético terrestre La tierra posee un poderoso campo magnético, cómo si el planeta tuviera un enorme imán en su interior cuyo polo sur estuviera cerca del polo norte geográfico y viceversa. Pero, los polos magnéticos terrestres no coinciden con los polos geográficos, ya que el polo norte geográfico realmente se encuentra próximo al polo sur magnético y el polo sur geográfico se encuentra próximo al polo norte magnético. Las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestran notables cambios de año en año. Cada 960 años, las variaciones en el campo magnético de la tierra incluyen el cambio en la dirección del campo provocado por el desplazamiento de los polos.
Fig. 4.1.2.5 Representación del eje magnético de la tierra.
Ejercicio 2 A través del siguiente esquema, cuáles son las reacciones qué tienen los polos de las figuras descritas al momento de querer interactuar. Evaluar con la lista de cotejo de la realización de ejercicios.
__________________
_______________________
__________________
_______________________
__________________
_______________________
Tarea 2 Observa las líneas de fuerza y el campo magnético de un imán, utilizando el siguiente material: 2 imanes, limadura de fierro, una hoja de papel y un lápiz. Toma un imán y colócalo debajo de la hoja de papel, espolvorea la limadura de fierro sobre el papel y golpea con un dedo un poco el papel. Anota los resultados. Evaluar con la lista de cotejo de la realización de actividad experimental. 152
Sesión 46
Aplicaciones de campo magnético y ejemplos El concepto propuesto por Faraday acerca de las líneas de fuerza es imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los campos magnéticos y cuantificar sus efectos. Una sola línea de fuerza equivale a la unidad del flujo magnético Φ en el sistema CGS y recibe el nombre de Maxwell. Sin embargo, esta es una unidad muy pequeña de flujo magnético, por lo que en el sistema internacional, se emplea una unidad mucho mayor llamada weber y cuya equivalencia es la siguiente: 1 weber = 1 x 108 maxwells Un flujo magnético Φ qué atraviesa perpendicularmente una unidad de área A recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética B (Fig. 4.1.2.6)por definición la densidad de flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza (o sea el flujo magnético) qué atraviesan perpendicularmente a la unidad de área. Matemáticamente Fig. 4.1.2.6 Cálculo del flujo magnético se expresa: a través de un área perpendicular. , donde: B= es igual a la densidad de flujo magnético, se mide en Wb/m2 y nombre es el Tesla (T). Φ = flujo magnético, su unidad es el weber (Wb) A = área sobre la que actúa el flujo magnético, se expresa en metros cuadrados (m2). La densidad del flujo magnético también recibe el nombre de inducción magnética. Cuándo el flujo magnético no penetra perpendicularmente un área, sino qué lo hace con un cierto ángulo, la expresión para calcular la densidad del flujo magnético será:
Dónde θ = ángulo formado por el flujo magnético y la normal a la superficie. En conclusión. La densidad de flujo magnético es un vector qué representa la intensidad, dirección y sentido.
Ejercicio 3 En una placa circular de 4 cm de radio existe una densidad de flujo magnético de 2 teslas. Calcular el flujo magnético total a través de la placa, en webers y maxwells. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de solución de problemas.
153
Permeabilidad magnética Es una propiedad que presentan algunos materiales, cómo el hierro dulce, en los cuáles las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material de hierro qué por el aire o por el vacío. Esto provoca qué cuando un material permeable, se coloca en un campo magnético, concentre un mayor número de líneas de flujo por unidad de área y aumente el valor de la densidad del flujo magnético. Se representa con la letra griega μ (mu). La permeabilidad magnética del vacío μo tiene un valor en el SI de: μo = 4 π x 10-7Wb/Am = 4 π x 10-7 Tm/A
Fig. 4.1.2.7 Un material permeable se vuelve magnetizado por inducción, lo que da por resultado una mayor densidad de flujo en esa región.
Para fines prácticos la permeabilidad del aire se considera igual a la permeabilidad del vacío. La permeabilidad relativa de una sustancia se calcula con la expresión:
Donde: μ = Permeabilidad de la sustancia; μo= Permeabilidad del vacío. Intensidad del campo magnético Para un medio dado, el vector intensidad del campo magnético es el cociente qué resulta de la densidad del flujo magnético entre la permeabilidad magnética del medio.
Dónde: H = intensidad del campo magnético para un medio dado, se mide en Ampere/metro (A/m). B = densidad del flujo magnético se expresa en Teslas (T). µ = Permeabilidad magnética del medio, su unidad es la tesla metro/ampere (Tm/A).
Ejercicio 4 En base ala información vista con anterioridad resuelve el siguiente problema. Una barra de hierro cuya permeabilidad relativa es de 13 000 se coloca en una región del campo magnético en el cuál la densidad del flujo magnético es de 0.9 Teslas. ¿Cuál es la intensidad del campo magnético originada por la permeabilidad del hierro? Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de solución de problemas.
154
Ejemplos de aplicaciones del campo magnético El magnetismo halló aplicación desde el siglo pasado. El teléfono y el telégrafo alrededor de 1880 eran aparatos activados por baterías. Las aplicaciones en la industria militar son obvias (detección de submarinos).Las grandes aplicaciones a la ingeniería de la inducción electromagnética son el motor eléctrico y el dínamo. Con el experimento de Hertz se sentaron las bases para la transmisión inalámbrica de ondas de radio. De la misma forma, aparatos como la radio y la televisión utilizan muchos de los conocimientos que sobre electromagnetismo se generaron en las primeras decenas del siglo XX. Las aplicaciones que se realizan en la actualidad son variadísimas y la ciencia del magnetismo se ha vuelto central en nuestra tecnología como medio ideal de almacenamiento de datos en cintas magnéticas, discos magnéticos y burbujas magnéticas. Además, se empieza a aplicar en la medicina ejemplo claro la resonancia magnética. El desarrollo de nuevos materiales y su aplicación a modernas tecnologías es uno de los dínamos que mueven a la sociedad post industrial representada por los Estados Unidos y, sobre todo, por Japón, donde, por cierto, la llegada de Ewing a fines del siglo pasado motivó un esfuerzo sin precedente de Honda para desarrollar el estudio del magnetismo.
Tarea 1 En base ala información vista con anterioridad resuelve el siguiente problema.Una espira rectangular de 10 cm de ancho y 20 cm de largo forma un ángulo de 30 grados con respecto al flujo magnético como se muestra en la figura 4.1.2.8. Si la densidad de flujo es 0.3 T, calcule el flujo magnético Φ que penetra la espira. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de solución de problemas.
Figura 4.1.2.8 Fuerzas magnéticas sobre una espira por la cual circula corriente.
Datos
Fórmula
Sustitución
155
Resultado
Sesión 47
Solución de problemas Ejercicio 5 A continuación se te muestran una serie de problemas a cerca del tema de campo magnético. Discútelos con tus compañeros de trabajo y elabora la respuesta correcta. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de solución de problemas.
1.- En una placa circular de 3 cm de radio existe una densidad de flujo magnético de 2 teslas. Calcular el flujo magnético total a través de la placa, en webers y maxwells. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- En una placa rectangular que mide 1 cm de ancho por 2 cm de largo, existe una densidad de flujo magnético de 1.5 teslas. ¿Cuál es el flujo magnético total a través de la placa en webers y maxwells? Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Dibuje la configuración del espectro magnético producido cuando: a) se acercan dos imanes de barra por sus polos iguales y distintos; b) se tiene un solo imán en forma de barra; c) se trata de un imán en forma de herradura. Datos
Fórmula
Sustitución
156
Resultado
Sesión 48
Solución de problemas
Ejercicio 6
A continuación se te muestran una serie de problemas del tema de flujo magnético y permeabilidad relativa. Discútelos con tus compañeros de trabajo y elabora la respuesta correcta. Toma en cuenta los criterios de evaluación de la lista de cotejo de solución de problemas.
1.- Calcular el flujo magnético que penetra por una espira de 8 cm de ancho por 14 cm de largo y forma un ángulo de 30° respecto a un campo magnético cuya densidad de flujo es de 0.15 T. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- Se coloca una placa de hierro con una permeabilidad relativa de 12 500 en una región de un campo magnético en el cual la densidad de flujo vale 0.5 T. Calcular la intensidad del campo magnético originada por la permeabilidad del hierro. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
3.- Una espira rectangular tiene un área de 200 cm2 y el plano de la espira forma un ángulo de 41° con un campo magnético de 0.28 T. ¿cual es el flujo magnético que penetra la espira? Datos
Fórmula
Sustitución
157
Resultado
4.1.3 Materiales magnéticos.
Sesión 49
Busca, selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Se comunica en forma oral y escrita. Comprende y explica los elementos de los materiales magnéticos
El profesor hará una breve explicación acerca de los materiales con las características del material magnético, en qué consiste y la aplicación de ellos.
Propiedad de los materiales magnéticos Hoy en día la ciencia nos presenta un panorama bastante completo acerca de los materiales magnéticos, nos dice que todas las sustancias tienen de una u otra forma propiedades magnéticas, debido al movimiento de sus cargas eléctricas. El fenómeno del magnetismo se presenta en aquellos elementos que al combinarse en forma de iones en sus electrones de valencia, NO se anula el efecto de sus SPINES, si no que se suman; esto hace que se produzcan las Moléculas Magnéticas que hace que tomen un comportamiento como pequeños imanes. Los materiales que tienen magnetismo natural reciben el nombre de materiales FERROMAGNÉTICOS, este tipo de material responde a la formación de un campo magnético, estos materiales tienen moléculas como imanes pequeños, cuentan con polo norte y sur, e inducen un campo magnético, originalmente estas moléculas tienen una orientación aleatoria, esto causa que sus campos se cancela entre sí como si no tuvieran una relación entre ellos y parecen no tener una propiedad magnética, pero al aplicar una fuerza Magnética externa, se alinean en el sentido de la fuerza exterior. Así los campos magnéticos son unidos,(suman) estos materiales se comportan como imanes, creando ese campo magnético que los caracteriza. Alguno de estos materiales se mantiene imantado por poco tiempo, mucho tiempo o permanentemente. Esta capacidad de mantenerse imantado, se le llama retentividad, un imán está hecho con material altamente retentivo. Otra de las características de este tipo de materiales con alta retentividad, es la de conservar su imantación en presencia de campos magnéticos exteriores.
158
Lo opuesto a la imantación, se le llama resistencia magnética, lo opuesto a la resistencia magnética, se le llama permeabilidad (propiedad con la que un material es imantado). Las sustancias que reaccionan débilmente al magnetismo se les denomina PARAMAGNETICAS, un ejemplo, es el aluminio Los materiales paramagnéticos son ligeramente magnéticos, caracterizados por susceptibilidades magnética pequeñas positivas. Las sustancias que no reaccionan al magnetismo se le llaman DIAMAGNETICAS, el antimonio es uno de ellos, los materiales están caracterizados por susceptibilidades magnéticas negativas, lo que significa, que la imantación inducida en ellos está orientada en sentido opuesto con respecto al sentido del campo externo aplicado. En los materiales paramagnéticos la susceptibilidades magnéticas es inversamente proporcional a la temperatura absoluta según la Ley de Curie. Los átomos o las moléculas de los materiales paramagnéticos están caracterizados por un momento magnético en ausencia de un campo externo y por una interacción magnética débil pasando entre sus átomos. Normalmente sus átomos distribuidos al azar, pero aplicando un campo externo, tienden alinearse paralelamente a la dirección del campo. ANTIFERROMAGNÉTICOS. En estos materiales las interacciones entre los spines tienden alinearlos anti paralelamente, como resultado a bajas temperaturas y en ausencia de un campo magnético externo, habrá una configuración única de mínima de energía .En este estado del sistema, todos los spines apuntan alternadamente hacia arriba y hacia abajo, y el material , no exhibe magnetismo a nivel macroscópico. Las sustancias que permiten el paso del magnetismo sin magnetizarse, se dice que tiene transparencia magnética. De los efectos del magnetismo, pues las líneas de fuerza del campo magnética prefieren cruzar por la sustancia permeable pues presenta una menor resistencia al magnetismo, Se utiliza para fabricar relojes antimagnéticos, utilizando material permeable como blindaje.
Ejercicio 7 Forma equipo con tres o cuatro de tus compañeros y explica acerca de las propiedades de los materiales magnéticos, este proceso se evaluará con una lista de cotejo para exposición.
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Sesión 50 EJEMPLO EJEMPLO S
Figura 4.1.3.1 Limaduras de Hierro formando un campo magnético Las limaduras de hierro de la figura 4.1.3.1 se van orientando hasta que finalmente quedan dibujadas las líneas del campo magnético. Por ejemplo cuando en un imán, una aguja magnética, se encuentra en un campo magnético, éste se mueve y se orienta de manera que las líneas del campo entran por su polo sur y salen por el polo del norte, recorriéndolo en toda su longitud. Si hacemos varias veces el experimento anterior y observamos detenidamente lo que ocurre, comprobaremos que los campos magnéticos producidos por los imanes crean unas líneas que salen de su polo norte y entran por su polo sur, la tierra es un claro ejemplo de cómo se da este fenómenos cómo se genera un campo magnético.
Figura 4.1.3.2 ¿Sabías que? La tierra es ejemplo de un campo magnético descrita por William Gilberth en su obra De magnate.
Después de haber leído los que son los materiales magnéticos, en qué consisten y la funcionalidad que en la vida cotidiana tienen, has equipo con tus compañeros y has una exposición para profundizar acerca de estos materiales.
160
4.1.4.1
Teoría del magnetismo.
Sesión 51
Busca, selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Se comunica en forma oral y escrita. Comprende y explica el tema sobre la teoría del magnetismo
El profesor hará una breve explicación acerca de la Teoría del magnetismo.
Teoría del magnetismo A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1831, después de que Hans Oersted comenzará a describir una relación entre la electricidad y el magnetismo, y el francés André Marie Ampére seguido por el físico francés Dominique François profundizarán en dicho campo, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético. Después de que el físico francés Pierre Ernest Weiss postulará la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada, lo que permitió que más tarde otros científicos predijeran muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas. Hace más de dos mil años en la ciudad de Magnesia en Turquía se descubrió una roca negra la cuál atraía al hierro, al cual lo nombraron magnetita o piedra imán .Y a la fuerza de atracción se le conoce como magnetismo, y al objeto que ejerce una fuerza magnética se le llama imán. A las regiones donde se concentra la fuerza del imán se llaman polos magnéticos. Más adelante se descubrió la brújula al colgar en un trozo de hilo delgado la roca negra de magnesia siempre daba vueltas y se desvía apuntando al polo norte un extremo y el otro al polo sur. William Gilbert (1540-1603) estableció la ley de la fuerza magnética que dice: “Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos se atraen”
161
No existen polos aislados, no importa cuántas veces se rompa un imán por la mitad, cada pieza resultante será un imán
Figura 4.1.3.3 Forma del núcleo de un Imán
Actualmente se investigan nuevos y potentes imanes para utilizarse en carros de ferrocarril y de transporte colectivo. En Japón se construyen trenes que utilizan la propulsión y levitación magnética, ésta se da por repulsión, la cual mantiene a los carros arriba de los rieles, pero sin tocarlos. La ventaja es reducir la fricción, el desgaste de las piezas metálicas y la contaminación por ruido. Sesión 52
Ejercicio 8 Forma equipo con tres o cuatro de tus compañeros y explica acerca de las teorías magnéticas, este proceso se evaluará con una lista de cotejo para exposición.
EJEMPLO S
Fig. 4.1.3.4 La aplicación de la corriente inducida genera un campo magnético.
Cuando la barra es de acero (fig. 4.1.3.4) templado adquiere una imantación la cual persiste incluso después de que la corriente eléctrica se interrumpe en el solenoide, con lo cual se tiene un imán permanente.
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Sesión 53
Teoría molecular del magnetismo Esta teoría es la de Weber que dice que las moléculas de las sustancias magnéticas son pequeños imanes que, cuando están en estado natural, se encuentran en desorden, sin manifestar ningún magnetismo, pero que al imantarse se orientan en la dirección norte - sur. Clasificación de los imanes La mayoría de los imanes utilizados ahora son artificiales, pues se pueden fabricar una mayor intensidad magnética que los naturales, además de tener mayor solidez y facilidad para ser modelados según se requiera. No todos los metales pueden ser imantados y otros, aunque pueden adquirir esta propiedad, se desimantan fácilmente, ya sea por efectos externos hoy en forma espontánea. Muchos imanes se fabrican con níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto, tungsteno o molibdeno. La imantación de un trozo de acero, como una aguja, unas tijeras o un desarmador, se hace fácilmente a flotar unas doce veces cualquiera de ellos con un imán, desde el centro del cuerpo hasta la punta. Después de esta operación cualquiera de ellos será un imán y podrá atraer limaduras de hierro, clavos, tornillos, alfileres o clips. En la industria, una barra de metal se imanta al someterla a la acción de un campo magnético producido por un solenoide en el que circula una corriente eléctrica. Si la barra es de hierro dulce, se imanta, pero la imantación cesa al momento de interrumpir la corriente, por ello recibe el nombre de imán temporal. Cuando la barra es de acero templado adquiere una imantación la cual persiste incluso después de que le corriente eléctrica se interrumpe en el solenoide, con lo cual se tiene un imán permanente.
Ejercicio 9 Forma equipo con tres o cuatro de tus compañeros y explica acerca de los diferentes tipos de imanes que existen, este proceso se evaluará con una lista de cotejo para exposición.
Después de haber leído acerca de la teoría del magnetismo en qué consisten, has equipo con tus compañeros y con una exposición frente a grupo comenta con ejemplos prácticos acerca de este fenómeno que hoy en día se aplica en nuestro entorno.
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Sesión 54
4.1.5 Leyes del magnetismo.
Busca, selecciona y organiza información. Trabaja de manera colaborativa. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Se comunica en forma oral y escrita. Comprende y explica el tema sobre leyes del magnetismo. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Se comunica en forma oral y escrita.
La aplicación de las leyes del magnetismo para determinar el comportamiento de este fenómeno llamado magnetismo, mencionado algunos de los autores que estudiaron de forma tal que llegaronyaorganiza las siguientes estructuras (enunciado) de las Busca, selecciona información. leyes que hasta el día de hoy siguen vigentes para estos ejemplos: Trabaja de manera colaborativa. Actúa con responsabilidad en el cumplimiento de tareas. Ley del magnetismo o Ley de Faraday Se comunica en forma oral y escrita. Ley de Coulomb Comprende y explica los elementos de los materiales magnéticos Ley de Lenz Por ejemplo: Faraday nos dice que: “Los polos magnéticos de nombre contrario se atraen y los del mismo nombre se repelen”. También se puede aplicar la ley de Coulomb, que dice: “La fuerza de atracción o de repulsión en algunos de sus polos varía en razón directa de su masa magnética e inversamente proporcional al cuadrado de sus distancias”.
Tarea 2 Forma equipos de tres a cuatro personas e investiga acerca de cómo se rigen los materiales magnéticos y complementa la información sobre las leyes magnéticas y de sus autores. ¿Cómo este fenómeno beneficia a diferentes procesos, en la industria, en la medicina, etc.? Cotejar con la rúbrica de investigación.
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Sesión 55
El concepto propuesto por Faraday de las líneas de fuerza, es imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los campos magnéticos y cuantificar sus efectos. Una sola línea de fuerza equivale a la mitad del flujo magnético Ǿ, el sistema cegesimal CGS y recibe el nombre de Maxwell; sin embargo, esta unidad de medida de flujo es demasiado pequeña para el flujo magnético, por lo que en el Sistema Internacional de unidades, se emplea una unidad mucho mayor que es llamada Weber y cuya equivalencia es la siguiente: 1 Weber = 1x 108 Maxwell.
EJEMPLO
Ley de Faraday: Basándose en los experimentos descritos, encontró la ley de la inducción, que dice que: “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que encierra, y se expresa matemáticamente como: = - Ǿf - Ǿi t Donde = Fuerza electromotriz media inducida en volts (V) Ǿf = Flujo Final en Weber (WB) Ǿi = Flujo Inicial en Weber (WB) T = Tiempo durante el flujo paso de Ǿf a Ǿi, en segundo (S) Si se considera varios circuitos en serie, como una bobina, entonces: = - N Ǿf- Ǿi t = Fuerza electromotriz media inducida en volts (V) Ǿf = Flujo Final en Weber (WB) Ǿi = Flujo Inicial en Weber (WB) T = Tiempo durante el flujo paso de Ǿf a Ǿi , en segundo (S) N = Números de vueltas o espiras de la bobina
165
La figura 4.1.4.1 muestra el sentido de la corriente y del campo magnético que se forma al aplicar una fuerza externa a un elemento en condiciones favorables.
FIGURA 4.1.4.1 Ilustración del sentido de la corriente y el campo que se forma.
Ejercicio 10 Forma equipo con tres o cuatro de tus compañeros para realizar una exposición de las diferentes leyes magnéticas, comenta con ejemplos prácticos su acción en la naturaleza, la industria, el hogar, etc. Este proceso se evaluará con una lista de cotejo para exposición.
166
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente- Siempre BienA veces Regular- Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Bien
Regular
(3)
(2)
(1)
Asistir a clases Trabajar y colaborar con diversos equipos Participar o trabajar en clase Relacionar en algunos fenómenos cotidianos, el magnetismo con el movimiento de electrones en un conductor. Reinterpretar los aspectos analizados previamente sobre el magnetismo, con base en el movimiento de los electrones. Analizar y contrastar las ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento en la inducción electromagnética. Reconocer y valorar de manera crítica las aportaciones de las aplicaciones del electromagnetismo al desarrollo social y a las comodidades de la vida actual. TOTALES
Si tu puntuación es de 21 EXCELENTE, ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 14 a 20 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo. Si tu puntuación es de 13 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
167
Sesión 56
4.2
Inducción electromagnética.
4.2.1 Electroimanes y sus aplicaciones.
Identifica los antecedentes históricos en el desarrollo del electromagnetismo. Establece las características de los imanes y de las interacciones magnéticas. Explica el concepto de campo magnético y lo representa gráficamente por medio de líneas de fuerza.
EJEMPLO S
Cuando fluyen cargas eléctricas a través de un conductor, se genera un campo magnético a su alrededor, por lo que es muy importante analizar lo que sucede en estas situaciones.
Fue en el año de 1820 cuando el Físico danés Hans Christian Oersted descubrió que una corriente eléctrica que circula por un conductor es capaz de desviar la aguja de una brújula cuando se coloca a un lado, lo que le permitió concluir que una corriente en un conductor genera un campo magnético a su alrededor. Había descubierto el electromagnetismo.
Figura 4.2.1.1 Desviación de la aguja debido al campo magnético producido por el flujo de la corriente eléctrica
168
Existe una forma sencilla de conocer la dirección del campo magnético alrededor de un conductor eléctrico conocida como la regla de la mano derecha: con el pulgar de dicha mano se indica el sentido de la corriente eléctrica y los dedos restantes que rodean al conductor nos indican la dirección del campo magnético:
Figura 4.2.1.2 Regla de la mano derecha. Sesión 57
Un solenoide se obtiene al enrollar un alambre alrededor de un núcleo de material conductor (devanado) por ejemplo el hierro, lo cual generara un campo magnético similar al que produce un imán de barra, en el interior las líneas de fuerza son paralelas y el campo magnético es uniforme.
Figura 4.2.1.3 Ejemplo de un solenoide
Para calcular la inducción magnética en el interior de un solenoide se utiliza la siguiente expresión matemática:
Donde: B = inducción magnética en el interior de un solenoide en teslas (T) N= número de espiras. µ = Permeabilidad del medio en el interior del solenoide, en Tm/A I = intensidad de la corriente en amperes (A) L = longitud del solenoide en metros (m)
169
EJEMPLO
Calcular la induccion electromagnetica en el centro de un solenoide cuando por el alambre circula una corriente de 9 mA, si tiene una longitud de 11 cm y esta devanado con 200 vueltas sobre un nucleo de hierro cuya permeabilidad relativa es de 1.1 x 104.
Datos
Fórmula
B= ¿?
Sustitución
B = (200) (0.0138 Tm/A)(9x10-3 A)
L= 11 cm = 0.11 m
0.11m
I= 9 mA = 9 x 10-3 A µr= 1.1 x 104
Resultado
N= 200
B = 0.23 T
Como µ = µr x µ0
µ0 = 4 π x 10-7 Tm/A
Cálculo de la permeabilidad del hierro µ = (1.1 x 104) (4 x 3.14 x 10-7 Tm/A) µ = 0.0138 Tm/A
170
Sesión 58
Ejercicio 11 En equipo de dos o tres integrantes, calculen la longitud de un solenoide para que al ser devanado por 500 espiras de alambre sobre un núcleo de hierro con una permeabilidad relativa de 1.2 x 104, produzca una inducción magnética 0.8 T en su centro. Una corriente de 5 mA circula por el alambre. Se evaluará con la lista de cotejo de ejercicios.
Ejercicio 12 Una espira de 5 cm de radio se encuentra sumergida en un medio cuya permeabilidad relativa es de 30, fluye una corriente de 2 A ¿Qué valor tiene la inducción magnética en el centro de la espira? ¿A qué distancia de un conductor recto existe una inducción magnética de 5 x 10-6 T si se encuentra en el aire y por el fluye una corriente de 8 A? Esta actividad se revisará con la lista de cotejo de ejercicios.
Sesión 59
Tarea 3 Investiga las aportaciones de los siguientes científicos al desarrollo del electromagnetismo:
Andre Marie Ampere. Michael Faraday. Hans Christhian Oersted. Joseph Henry. Nikola Tesla. James Clerk Maxwell.
Tarea 2
Dibuja el campo magnético producido por un conductor recto, una espira, una bobina y un solenoide.
171
Ejercicio 13 Completa el siguiente mapa conceptual correspondiente al electromagnetismo. Esta actividad se evaluará con la lista de cotejo para mapa conceptual.
Electromagnetismo
Lo descubrió
Al observar
Alrededor de un conductor eléctrico
Relaciona Se forma
Este Las acciones
Electricidad
172
Entre
4.2.2 Aplicaciones del electromagnetismo.
Sesión 60
Identifica los aparatos electromecánicos Comprende el funcionamiento de los aparatos electromecánicos Identifica las aplicaciones en la vida cotidiana del transformador, motor y generador
Responde de manera individual sin investigación previa
1. ¿Sabes cómo se produce la corriente eléctrica?
2. Menciona 3 aparatos que funcionen a través de un motor eléctrico
3. ¿Qué función tienen cada uno de los aparatos anteriormente mencionados?
4. ¿Has visto un transformador eléctrico? ¿Para qué se utiliza?
5. ¿Qué tipo de energía requiere un dínamo para producir corriente?
173
Motor eléctrico Un motor eléctrico es un aparato que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Un motor de corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre los polos de un imán. Al circular una corriente eléctrica en la bobina, ésta adquiere un campo magnético y actúa como un imán, por tanto, es desplazada en movimientos de rotación debido a la fuerza que hay entre los dos campos magnéticos. El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo costo de mantenimiento. En general, todo motor eléctrico consta de dos partes principales, el electroimán, llamado inductor o estator pues suele ser fijo, y el circuito eléctrico, que puede girar alrededor de un eje y recibe el nombre de inducido o rotor.
EJEMPLO S
Figura 4.2.2.1 En la figura se aprecia un motor eléctrico y las partes que lo componen
174
Sesión 61
Práctica 2 En el laboratorio realiza la siguiente práctica: Material y equipo: Cantidad 40 cm 1 2 2 1 2 1 1
Descripción Cable aislado calibre 22 Imán Cables conductores Clips Vaso de plástico para la base Pilas de 1.5 V, tamaño D Cinta para aislar Lija
Instrucciones para el desarrollo de la práctica: 1. Forma una bobina enrollando el cable en un palo de escoba 2. Lija los clips y desdóblalos, de tal manera que quede un riso en el centro, el cual sirve de apoyo para los extremos libres de la bobina. 3. Coloca el imán encima del vaso previamente invertido ya que este sirve como base. 4. Fija los clips al vaso con cinta para aislar, diametralmente opuestos. 5. Coloca los extremos de la bobina en cada uno de los risos de los clips. 6. Ubica los cables conductores a los clips y los extremos libres a los polos negativo y positivo de las pilas eléctricas, conectadas en serie de modo que pase corriente eléctrica a través de la bobina.
Anota en tu cuaderno las observaciones y las razones del giro la bobina.
175
Transformadores
Sesión 62
El transformador es un invento realizado por Michael Faraday, funciona por inducción magnética. La mayor cantidad de energía eléctrica utilizada en nuestros hogares, fábricas y oficinas es producida por generadores de corriente alterna, pues su voltaje puede aumentarse o disminuirse fácilmente mediante un transformador. Éste eleva el voltaje de la corriente en las plantas generadoras de energía eléctrica y después lo reduce en los centros de consumo. Dicha característica es la principal ventaja de la corriente alterna sobre la continua. Para comprender el funcionamiento del transformador observa la figura.
EJEMPLO S
Figura 4.2.2.2 En la figura se observa el uso de un transformador en la vida cotidiana.
Recibe el nombre de bobina primaria la que está conectada a la fuente del voltaje de CA, y de bobina secundaria aquella donde la corriente es inducida.
Figura 4.2.2.3 Componentes básicos de un transformador
Los transformadores se utilizan para aumentar o disminuir el voltaje en un circuito de CA. Si lo elevan se denominan de subida o de elevación, si lo disminuyen se llaman de bajada o de reducción. En el ejemplo de 4.2.2.3 tenemos un transformador de elevación, toda vez que la 176
bobina B o secundaria tiene el doble de espiras que la A o primaria. Así, el voltaje inducido en B corresponde al doble de voltaje en A. Sin embargo, como al transformar el voltaje no cambia su potencia ni su frecuencia, el efecto que se presenta es la disminución a la mitad de la intensidad de la corriente de la bobina B. La corriente eléctrica disminuye al aumentar el voltaje o viceversa, porque la potencia eléctrica de un transformador es la misma en la bobina primaria que en la secundaria, pues no genera energía y prácticamente tampoco produce pérdidas. Si la bobina secundaria tiene más espiras que la primaria, su fuerza electromotriz (fem) o voltaje es mayor y viceversa. Potencia en la bobina primaria = Potencia en la bobina secundaria
V pI p = V s I s Donde la relación entre el voltaje y el número de vueltas en cada bobina se da con la siguiente expresión: =
= EJEMPLO S
En un transformador de subida la bobina primaria se alimenta con una corriente alterna de 110 V. ¿Cuál es el valor de la intensidad de la corriente en el primario, si en el secundario la corriente es de 5 A con un voltaje de 700 V?
Datos
Fórmula
Vp = 110 V
VpIp = VsIs
Despeje
=
Ip=? Is = 5 A Vs = 700 V
177
Sustitución
=
Resultado
= 31.81 A
Sesión 63
Ejercicio 14 Resuelve correctamente los problemas que se te presentan a continuación. Se evaluará con la lista de cotejo para ejercicios.
1.- Un transformador reductor es utilizado para disminuir un voltaje de 6000 V a 220 V. Calcula el número de vueltas en el secundario, si el primario cuenta con 7000 espiras. Datos
Fórmula
Sustitución
Resultado
2.- Un transformador de subida tiene 500 espiras en su bobina primaria y 6000 en la secundaria. Calcula: a) El voltaje en el circuito secundario, si el voltaje primario se alimenta con una fem de 110 V. b) La corriente en el secundario, si el primario es de 30 A. Datos
Fórmula
Sustitución
178
Resultado
Sesión 64
Generador eléctrico El generador eléctrico es un aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado a base de electroimanes o imanes permanentes que producen un campo magnético, y un inducido que consta de un núcleo de hierro que se le enrolla alambre conductor previamente aislado. Cuando se le comunica al inducido un movimiento de rotación, los alambres conductores cortan las líneas de flujo magnético, por tanto, se induce en ellas una fuerza electromotriz (voltaje) alterna. Para obtener una corriente continua o directa debe incorporarse un dispositivo conveniente llamado conmutador. En la mayoría de los generadores de corriente continua, el inductor que produce el campo magnético es fijo y el inducido móvil. En cambio, en los de corriente alterna permanece fijo el inducido y el inductor gira. Sin embargo, en cualquier generador eléctrico el origen de la fuerza electromotriz (voltaje) inducida es por el movimiento existente entre el campo magnético creado por el inductor y los alambres conductores del inducido, lo cual provoca un flujo magnético variable.
Tarea 4 A manera de investigación, busca en un libro o internet la imagen de un generador eléctrico y las partes que lo componen para dibujarlo aquí mismo. Se evaluará con la lista de cotejo para tareas.
179
Sesión 65
Ejercicio 15 Completa el siguiente organizador gráfico correspondiente a los aparatos electromecánicos. Se evaluará con la lista de cotejo para ejercicios.
Aparatos electromecánicos
Generador eléctrico
Motor eléctrico
Transforma
Transformador
Eleva
O Energía mecánica Disminuye
A
A
Energía mecánica
180
AUTOEVALUACIÓN POR CRITERIOS DE LOGRO Has tenido éxito si eres capaz de… Excelente- Siempre BienA veces Regular- Casi nunca
Valoración
Criterios
Excelente
Bien
Regular
(3)
(2)
(1)
Asistir a clases Trabajar y colaborar con diversos equipos Participar o trabajar en clase Relacionar, en algunos fenómenos cotidianos, el magnetismo con el movimiento de electrones en un conductor. Analizar y contrastar las ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento de la inducción electromagnética. Re-interpretar los aspectos analizados previamente sobre el magnetismo con base en el movimiento de los electrones. Reconocer y valorar de manera critica las aportaciones de las aplicaciones del electromagnetismo al desarrollo social y a las comodidades de la vida actual. TOTALES
Si tu puntuación es de 21 EXCELENTE, ahora ayuda a un compañero que requiera de apoyo. Si tu puntuación de 14 a 20 BIEN, repasa los temas y realiza ejercicios de refuerzo Si tu puntuación es de 13 o menos REGULAR, necesitas asesorías, solicita el carnet.
181
Nombre ________________________________________________ Grupo ________________________ Turno ___________________ Fecha _________________________________________________ 1. Instrumento conocido para orientarse y ubicarse geográficamente a) Piedra b) Brújula c) Voltímetro d) Barómetro magnetita magnética
e) Termómetro
2. Son los tipos de imanes más utilizados y son fabricados con mayor intensidad magnética a) Permanentes b) Temporales c)Artificiales d) Diamagnéticos e) Ferro magnéticos 3. Son los imanes originados cuando el metal es sometido a la acción de un campo magnético producido por un solenoide y su imantación persiste después de la corriente eléctrica. a)Diamagnéticos b) Artificiales c) Temporales d) De aleación e) Permanentes 4. Estos imanes reciben imantación a través de un campo magnético pero la imantación cesa al momento de interrumpir la corriente eléctrica. a) Temporales b) Permanentes c) Artificiales d) De inducción e) Eléctricos 5. Se le denomina al número de líneas magnéticas que atraviesan una unidad de área a) densidad de b)permeabilidad c) Polos d) Weber e) Maxwell flujo magnético magnética magnéticos 6. Equivale a la unidad de flujo magnético en el sistema CGS. a) Radian b) Weber c)Maxwell d)Permeabilidad e) Tesla magnética 7. Es la unidad del flujo magnético en el Sistema Internacional. a) Tesla b) Maxwell c) Weber d)Permeabilidad e) Radián magnética 8. Propiedad qué presentan algunos materiales cómo el hierro dulce en las cuáles las líneas de fuerza pasan con mayor facilidad a través del material. a) Campo b)Densidad de c)Permeabilidad d) Flujo e) Campo magnético flujo magnético magnética magnético magnético terrestre 9. ¿Qué es un campo magnético? a) magnitud vectorial b) Magnitud escalar
c) Fuerza
d) Densidad
10. Puede ser repelido débilmente por un campo magnético intenso. a) Imán b) Fierro c) Fierro d) Piedra Diamagnética 11. Menciona los tipos de imanes que existen. a) Naturales y artificiales b) Naturales y ferrosos d) Internos y externos e) Curvos y rectos 12. Son los materiales que tienen magnetismo natural. 182
c) Planos y convexos
e) Potencia
e) Oro
a) Ferro magnético
b) Madera
c) Diamagnéticos
d) Dieléctricos
13. ¿Característica de un imán permanente? a) Mantiene la imantación b) absorbe el calor d) Resistencia al calor e) Soporta la electricidad
e) Piedra
c)Trasmite energía
14. Es un aparato que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. a) Transformador b) Motor eléctrico c) Generador eléctrico d) Imán
e) Bobina
15. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica. a) Transformador b) Motor eléctrico c) Generador eléctrico
e) Bobina
d) Imán
16. Se utiliza para aumentar o disminuir el voltaje en un circuito de corriente alterna. a) Transformador b) Motor eléctrico c) Generado eléctrico d) Imán e) Bobina 17. Un transformador reductor es utilizado para disminuir un voltaje de 6000V a 220V. Calcular el número de espiras en el circuito secundario, si en el primario se tienen 7000 espiras. a) 300 espiras b) 250.5 espiras c) 280.66 espiras d) 351.33 espiras d) 256.66 espiras 18. Dispositivo que consiste en un conductor enrollado alrededor de un núcleo de hierro, al circular la corriente por el conductor se forma un campo magnético: a) Bobina b) pila c) espira d) electroimán e) devanado 19. Señala al científico que construyo el primer motor experimental: a) Tesla b) Maxwell c) Volta d) Faraday
e) Ohm
20. Un transformador de subida la bobina primaria se alimenta con una corriente alterna de 110 V ¿cuál es el valor de la intensidad de la corriente en el primario, si en el secundario la corriente es de 4 A con un voltaje de 850 V ?. a) 21.8 A b) 23.37 A c) 0.51 A d) 23 375 A e) 30.9 A
183
INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN LISTA DE COTEJO PARA EVALUAR LA APLICACIÓN DEL CONTENIDO DE LA VIDA REAL Asignatura: física II CALIFICACIÓN: Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo:____________________________________________________ Inaceptable (I) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E) CATEGORÍA DE EVALUACIÓN 1. El trabajo presenta al menos 2 aplicaciones 2. Las aplicaciones tienen relación con lo aprendido 3. Da una explicación de la relación 4. Presenta un trabajo con orden y limpieza 5. Presenta el trabajo en tiempo y forma en la fecha establecida Total de puntuación: E= 20 B= 15 A=10 I= 5
4(E)
3(B)
2(A)
1(I)
LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR UN RESUMEN ó TRABAJO ESCRITO Asignatura: física II CALIFICACIÓN: Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo:___________________________________________________ Inaceptable ( i) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E) CATEGORÍA DE EVALUACIÓN 1. Presenta titulo. 2. Eu extensión oscila entre el 30% del total. 3. Es breve inteligible y entendible. 4. Respeta el mensaje original del libro. 5. Observa el estilo lingüístico del alumno. 6. Su estructura muestra una relación coherente. 7. Tiene expresión gramatical correcta. 8. Presenta orden y limpieza. 9. Presenta el trabajo en tiempo y forma en la fecha establecida. 10. Es original en sus ideas Total de puntuación: E= 40 B= 30 A=20 I= 10
184
4(E)
3(B)
2(A)
1(I)
LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR UN CUESTIONARIO Asignatura: física II Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo: ___________________________________________________ Inaceptable (i) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E) CATEGORÍA DE EVALUACIÓN 1. Participa de manera activa. 2. Contesta correctamente sus cuestionamientos. 3. Es breve inteligible y entendible. 4. Respeta el mensaje original del libro. 5. Presenta orden y limpieza. 6. Presenta el trabajo en tiempo y forma en la fecha establecida. 7. Utiliza la bibliografía recomendada. Total de puntuación: E= 28 B= 21 A=14 I= 7
4(E)
LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR UN EJERCICIO Asignatura: física II Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo: ___________________________________________________ Inaceptable ( i) Aceptable (A) Bueno (B) Excelente (E) CATEGORÍA DE EVALUACIÓN 1. Participa en la realización de un ejercicio. 2. Obtiene datos correctamente. 3. Utiliza formulas correctas realizando los despejes. 4. Realiza las operaciones necesarias para la realización del ejercicio. 5. Obtiene resultados correctos. 6. Maneja correctamente las unidades. 7. Entrega problemas en tiempo y forma. Total de puntuación: E= 28 B= 21 A=14 I= 7
185
CALIFICACIÓN:
3(B)
2(A)
1(I)
CALIFICACIÓN:
4(E)
3(B)
2(A)
1(I)
LISTA DE COTEJO PARA REALIZAR TRABAJO EN EQUIPO Asignatura: física II CALIFICACIÓN: Profesor( a):_______________________________________________ Grupo: _________fecha: __________calificación:_________________ Alumno:___________________________________________________ equipo: ___________________________________________________ (I) (A) (B) (E)
inaceptable Aceptable Bueno Excelente CATEGORÍA DE EVALUACIÓN
4(E)
3(B)
2(A)
1( I)
1. Respeta las opiniones de sus compañeros. 2. Escucha a sus compañeros. 3. Permite que todos sus compañeros participen. 4. Aprende de otros. 5. Es cortes con el trato de sus compañeros. 6. Muestra ser empático. 7. Coopera con las actividades en equipo. 8. Termina el trabajo que se le asigna. 9. Demuestra interés. Total de puntuación: E= 36 B= 27 A=18 I= 9
Criterios Presentación
Contenido
Limpieza
ortografía
RÚBRICA DE REPORTE DE PRÁCTICA Excelente Bien (3) (2) Contiene portada, Contiene seis de los introducción, marco teórico, elementos mencionados de procedimiento, conclusiones, para este trabajo glosario, y bibliografía consultada Describe correctamente el Describe el proceso de la proceso de la actividad, actividad, incluye imágenes, incluye imágenes propias, está bien escrito, pero no está bien escrito, refleja refleja claramente las ideas claramente las ideas El trabajo no tiene manchas u La superficie de una o dos hojas maltratadas hojas estan ligeramente arrugadas y/o manchadas Cumple las reglas ortográficas No sigue por completo las reglas ortográficas
Puntuación: ______ de 12
Calificación:
186
Regular (1) Contiene cinco o menos de los elementos mencionados de para este trabajo
Describe vagamente el proceso de la actividad, no incluye imágenes, está mal escrito, refleja dudas en las ideas La superficie de las hojas estan arrugadas y/o manchadas No sigue reglas ortográficas, hay más de 5 faltas ortográficas
CRITERIOS Preparación y contenido
Sustentación teórica
Manejo del auditorio
Creatividad
Participación
Responsabilid ad
Excelente (4) Buen proceso de preparación, muestra profundidad en el desarrollo del tema Domina el tema, logra conectarlo y explicarlo en sus diferentes aspectos, analiza el tema Logra captar la atención del grupo y suscita la participación activa del mismo Prepara material didáctico adecuado al tema y lo utiliza como apoyo con habilidad Pertinente, activa, es fundamental para el buen desarrollo del tema
Cumple en tiempo y forma desde la preparación hasta la presentación
Puntuación: ______ de 24
RÚBRICA DE EXPOSICIÓN Muy bien - bien Satisfactorio (3) (2) Cumplió en la Presenta el preparación de resumen y la resúmenes y actividad es aprovecha el escasamente tiempo para planeada aclaraciones Logra explicar el Conoce el tema tema relacionando superficialmente y los diferentes solo logra explicar aspectos. los puntos. Analiza solo No analiza el tema algunos puntos del tema Logra captar la Pierde la atención atención del grupo del grupo con participaciones constantemente y esporádicas no logra la participación. Prepara material Elabora escaso didáctico adecuado material didáctico y lo utiliza poco como apoyo Oportuna, aporta elementos, presta atención a las distintas participaciones
Está presente. Su participación no es activa y presta poca atención a las diferentes participaciones Cumple en tiempo y No cumple en forma con ligeros tiempo y forma problemas desde la desde la preparación hasta preparación hasta la presentación la presentación Calificación:
187
Regular (1) Lee durante la presentación y la actividad es improvisada
Conoce el nombre del tema y solo logra explicar algunos puntos. No entiende el tema
No logra la atención del grupo.
Sin preparación de material didáctico
Su participación no es mínima y no presta atención al grupo.
Cumple escasamente fuera de tiempo con la presentación
LISTA DE COTEJO DE PRODUCTO Esta se aplica con al finalidad de conocer el desempeño en la actividad realizada. Criterios Cumplimiento A. B. C. D. E. Puntuación: ______de 15
Criterios Presentación
Contenido
Limpieza
Legibilidad y ortografía
Valor 3 3 3 3 3
SI
NO
Calificación:
RÚBRICA DE INVESTIGACIÓN Excelente – Muy bien Bien- suficiente (3) (2) Contiene tema, definiciones o Contiene solo cuatro de los teoría, ejemplos, conclusión, elementos mencionados y fuentes consultadas Describe correctamente lo Describe correctamente lo solicitado en la actividad, está solicitado en la actividad, está bien escrito, refleja bien escrito, pero no refleja claramente las ideas claramente las ideas El trabajo no tiene manchas u La superficie de una o dos hojas maltratadas hojas estan ligeramente arrugadas y/o manchadas Cumple las reglas No sigue por completo las ortográficas y el texto el reglas ortográficas y/o parte legible del texto no es legible
Puntuación: _____ de 12
Observaciones
Calificación:
188
Regular (1) Contiene tres o menos de los elementos mencionados Describe correctamente lo solicitado en la actividad, está mal escrito, refleja dudas en las ideas La superficie de las hojas estan arrugadas y/o manchadas No sigue reglas ortográficas, hay más de 5 faltas ortográficas y el texto no es legible
RÚBRICA DE MAPA CONCEPTUAL CRITERIO
(4)
(3)
(2)
(1)
Responsabilidad
Es puntual en la entrega del mapa.
Entrega desde un 80% de avance y deja para entregar en la siguiente sesión.
Entrega desde un 60% de avance y deja para entregar en la siguiente sesión.
Entrega desde un 40% de avance y deja para entregar en la siguiente sesión.
Título
El título presenta claramente el contenido Agrupa los conceptos que se relacionan próximamente entre si
El título es muy general
El título no nos dice nada del material
Agrupo los conceptos pero los relaciona incorrectamente
No agrupa los conceptos
Utiliza las reglas incorrectamente
No sigue ninguna de las reglas de orden
Sitúa incorrectamente los conceptos
No sitúa los conceptos
Relaciona incorrectamente cada concepto
No relaciona los conceptos
Orden
Organiza los conceptos utilizando las reglas de orden
Representación
Sitúa los conceptos de manera lógica y organizada
El título presenta el contenido de manera confusa Agrupa los conceptos pero no los relaciona teniendo en cuenta la relación entre ellos Organiza los conceptos utilizando una de las reglas de orden Sitúa los conceptos de manera desorganizada
Conexión
Coloca las flechas teniendo en cuenta las relaciones entre los conceptos
Coloca las flechas, pero no guardó relación entre los conceptos
Agrupación
Puntuación: _______ de 24
Calificación:
RÚBRICA DE TRABAJO EN EQUIPO Califica la participación de cada uno de los integrantes de tu equipo de trabajo colocando en el espacio indicado el número que evalúe su desempeño. Escala: Preguntas: ( 3 ) Excelente- Muy bien A. ¿Qué tan eficaz fue su participación? ( 2 ) Bien- Suficiente B. ¿Las ideas que aportó fueron consideradas para la tarea? ( 1 ) Regular- Insuficiente C. ¿Manifestó entusiasmo en la actividad encomendada? D. Su responsabilidad hacia el trabajo fue … E. En general , su participación fue … Pregunta
A
B
C
D
Alumno 1 2 3 4 5 Puntuación: _______ de 15
Calificación:
189
E
Total
Comentarios
CLAVES DE RESPUESTA DE LAS AUTOEVALUACIONES
Unidad I 1.a 2.a 3.d 4.b 5.c 6.b 7.a 8.e 9.b 10.c 11.d 12.b 13.a 14.b 15.a 16.d 17.a 18.c 19.b 20.e
Unidad II 1.b 2.b 3.d 4.a 5.c 6.c 7.b 8.a 9.c 10.c 11.b 12.a 13.e 14.a 15.d 16.a
190
Unidad III
Unidad IV
1.b 2.c 3.c 4.c 5.b 6.c 7.d 8.c 9.b 10.a 11.d 12.a 13.d 14.c 15.b 16.a 17.a 18.d 19.a 20.a
1.a 2.c 3.e 4.a 5.a 6.c 7.c 8.c 9.a 10.a 11.a 12a 13.a 14.b 15.c 16.a 17.d 18.d 19.d 20.b
GLOSARIO Aislante. Se llama así a los cuerpos que oponen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica, el plástico, la madera y los diamantes son ejemplos de materiales aislantes.
representa por una serie de líneas de fuerza trazadas alrededor de un imán Cantidad de calor. Es la cantidad de calor necesario para cambiar la temperatura de un kilogramo de una sustancia en un grado.
Ampere. Unidad de medida de la corriente eléctrica que representa el número de Coulombs que pasan por un punto de un material en un segundo.
Capacitancia. Es la propiedad que tienen los capacitores o condensadores de almacenar carga eléctrica.
Amperímetro. Aparato que sirve para medir la intensidad de la corriente eléctrica.
Capacitor. El dispositivo que tiene la propiedad de almacenar carga eléctrica y energía.
Amplitud. El alto de una onda. Desplazamiento máximo de cualquier fenómeno periódico.
Circuito. Es el camino que siguen los electrones a través de un conductor . Coeficiente de dilatación lineal. Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado centígrado.
Átomo. Es la unidad más péquela de un elemento, está constituida con protones, neutrones y electrones. Batería. Es la unión de dos o más celdas o pilas.
Coeficiente de dilatación superficial. Es el incremento de área que presenta un cuerpo de determinada sustancia, con un área igual a la unidad, cuando su temperatura se eleva un grado centígrado.
Calor. Es la energía en tránsito debido a la elevación de la temperatura de un sistema, llamado también energía calorífica y energía térmica. Calor específico. Energía necesaria para alterar en un grado un gramo de sustancia.
Coeficiente de dilatación volumétrica. Es el incremento de volumen que presenta un cuerpo de determinada sustancia, con un volumen igual a la unidad, cuando su temperatura se eleva un grado centígrado.
Calor latente. Calor necesario para alterar el estado de un gramo de sustancia. Caloría. Unidad de energía equivale a 4,186 J.
Conducción. Proceso por el cual se transmite calor a lo largo de un cuerpo, mediante colisiones moleculares.
Calor latente de fusión. Cuando una sustancia cambia su estado de agregación de solido a liquido o viceversa, de liquido a solido.
Conductor. Es el material que ofrece poca resistencia al paso de la corriente eléctrica. Convección. Proceso por el cual se transmite calor, debido al movimiento de las masas calientes de un fluido.
Calor latente de vaporización. Cuando una sustancia pasa del estado liquido a gaseoso o viceversa, de gaseoso a liquido.
Corriente. La razón de flujo de electricidad, medida en amperios.
Campo eléctrico. Es la región que rodea a una carga en la que se ejerce una fuerza sobre una carga de prueba.
Corriente alterna. Es producida por los electrones que en un conductor no se mueven en forma constante en la misma dirección, sino que circulan alternativamente
Campo magnético. Es la región del espacio que rodea a un imán y en la que se manifiesta su influencia magnética, se 191
del polo positivo viceversa.
al
polo
negativo
y
eléctricamente al acercarse sin llegar a tocarse, a otro ya electrizado.
Corriente directa. Es producida por los electrones que en un conductor se mueven de manera constante del polo negativo al polo positivo en una misma dirección.
Intensidad del campo eléctrico. Magnitud vectorial cuyo valor disminuye cuando aumenta la distancia que hay del lugar que se localiza la carga eléctrica.
Coulomb. La unidad para carga eléctrica. Es la carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio.
Joule. La unidad de energía. Se define como el trabajo hecho cuando una fuerza de un newton mueve un objeto a través de un metro de distancia.
Densidad de flujo magnético. Representa el número de líneas de fuerza o flujo magnético, que atraviesa perpendicularmente a la unidad de área.
Ley de Coulomb. 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
Dilatación irregular del agua. Cuando se tiene un gramo de agua a 0oC ocupa un volumen de 1.00012 cm3, pero si se calienta, en lugar de dilatarse se contrae y a la temperatura de 40C ocupa un volumen mínimo de 100000 cm3
Ley de Ohm. La corriente que fluye por un conductor es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a su resistencia.
Dilatación térmica. Cambio provocado en la dimensiones de un cuerpo solido, en el volumen de los fluidos por un incremento o descenso de la temperatura.
Línea de fuerza. Concepto ideado por Faraday para representar gráficamente un campo eléctrico.
Electrón. Partícula de carga negativa, presente en todos los átomos.
Línea de fuerza magnética. Concepto propuesto por Faraday, es imaginario pero sirve para dibujar campos magnéticos y cuantificar sus efectos.
Energía. Medida de la capacidad para realizar un trabajo. Se expresa en joules (J). Efecto Joule. Es la rapidez con que se desprende calor de un conductor depende de la segunda potencia de la corriente, de la resistencia del conductor y del tiempo transcurrido.
Magnetismo. Propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, al níquel y el cobalto. Masa. Cantidad de materia. Se mide en gramos (g).
Equilibrio térmico. Es cuando dos objetos o sistemas en contacto térmico se encuentran a la misma temperatura.
Material diamagnético. Es aquel qué no se magnetiza y puede ser repelido débilmente por campo magnético intenso.
Frecuencia. El número de ondas o ciclos por segundo.
Material ferromagnético. Es aquel en qué las líneas del flujo magnético fluyen con mucha mayor facilidad a través del cuerpo qué por el vacío.
Fusión. Es cuando una sustancia pasa del estado solido al estado liquido. Gas. Estado de la materia caracterizado por el movimiento al azar de partículas que están muy separadas.
Neutrón. Partícula subatómica que no tiene carga.
Inducción. Forma de electrización que se presenta cuando un objeto se carga 192
Newton. La unidad de fuerza. Una masa de 1 kg con una aceleración de 1m/s2 produce un Newton (N). Temperatura. Es la medida de la energía cinética de las partículas.
Permeabilidad magnética. Propiedad que presentan algunos materiales, como el hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material de hierro que porque el aire o el vacío.
Termómetro. Instrumento utilizado para la medición de la temperatura. Transformador. Aparato que se emplea para aumentar o disminuir el voltaje producido por generadores de corriente alterna.
Permitividad relativa. Relación que existe entre la magnitud de la fuerza eléctrica de dos cargas en el vacio y la magnitud de la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia aislante.
Vaporización. Es el cambio de estado de agregación de una sustancia al pasar del estado líquido al gaseoso.
Potencial eléctrico. Es la energía potencial eléctrica de una carga de prueba situada en un punto.
Voltio. Un voltio es la fuerza necesaria para llevar un amperio de corriente en contra de un ohm de resistencia. Es la unidad de diferencia en potencial.
Protón. Partícula subatómica de carga positiva que está presente en el núcleo de los átomos.
Watt. Unidad de potencia, igual a 1J/s. El Watt es la potencia que resulta cuando se disipa un Joule de energía en un segundo.
Resistencia. Oposición al flujo de una corriente eléctrica. A mayor resistencia tenga un alambre menos electricidad conduce. Se mide en Ohm.
Weber. Unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional que equivale a: 1x108 Maxwells.
Solenoide. Se obtiene al enrollar un alambre en forma helicoidal o de hélice, acción que recibe el nombre de devanar. Solidificación. Es el cambio de estado de una sustancia al pasar del estado de líquido al solido. Sólido. Estado de la materia en que las partículas están cerca y en posiciones fijas unas con otras. Sublimación. Es el cambio de estado en el que un sólido pasa a gaseoso sin pasar por el estado liquido o viceversa. Radiación. Proceso por el cual se transmite calor, debido a la emisión continua de energía desde la superficie de los cuerpos. Ésta se realiza por medio de ondas electromagnéticas.
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