Fisica 3 Completo

5/28/2018 Fisica 3 Completo

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COLEGIO DE BACHILLERES

SECRETARA ACADMICA

COORDINACIN DE ADMINISTRACIN

ESCOLAR Y DEL SISTEMA ABIERTOCOMPENDIO FASCICULAR

FSICA III

FASCCULO 1. CORRIENTE ELCTRICA E INDUCCINMAGNTICA

FASCCULO 2. TRANSMISIN ONDULATORIA DE LA

ENERGA

FASCCULO 3. RADIACIN ELECTROMAGNTICA

E INTERACCIONES ATMICAS Y NUCLEARES

FASCCULO 1. CORRIENTE ELCTRICA E INDUCCIN

MAGNTICA

FASCCULO 2. TRANSMISIN ONDULATORIA DE LA

ENERGA

FASCCULO 3. RADIACIN ELECTROMAGNTICA

E INTERACCIONES ATMICAS Y

NUCLEARES


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DIRECTORIO:

Jorge Gonzlez TeyssierDirector General

Javier Guilln AnguianoSecretario Acadmico

lvaro lvarez BarragnCoordinador de AdministracinEscolar y del Sistema Abierto

Derechos Reservados conforme a la ley2002, COLEGIO BACHILLERESProlongacin Rancho Vista Hermosa Nm. 105Col. Ex Hacienda CoapaDelegacin Coyoacan, CP 04920, Mxico, D.F.

ISBN: En tramite

Impreso en MxicoPrinted in Mexico

Primera edicin: 2 000

COLEG IO D EBA CHILLERES


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El Colegio de Bachilleres, en respuesta a la inquietud de los estudiantes por contar conmateriales impresos que faciliten y promuevan el aprendizaje de los diversos campos delsaber, ofrece a travs del Sistema de Enseanza Abierta este compendio fascicular;resultado de la participacin activa, responsable y comprometida del personalacadmico, que a partir del anlisis conceptual, didctico y editorial aportaron sussugerencias para su enriquecimiento, y as aunarse a la propuesta educativa de laInstitucin.

Por lo tanto, se invita a la comunidad educativa del Sistema de Enseanza Abierta asumarse a este esfuerzo y utilizar el presente material para mejorar su desempeoacadmico.

P R E S E N T A C I N G E N E R A L


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Estudiante del Colegio de Bachilleres, te presentamos este compendio fascicular que teservir de base en el estudio de la asignatura Fsica III y funcionar como gua en tuproceso de Enseanza-Aprendizaje.

Este compendio fascicular tiene la caracterstica particular de presentarte la informacinde manera accesible, propiciando nuevos conocimientos, habilidades y actitudes que tepermitirn el acceso a la actividad acadmica, laboral y social.

Cuenta con una presentacin editorial integrada por fascculos, captulos y temas que tepermitirn avanzar gilmente en el estudio y te llevar de manera gradual a consolidar tuaprendizaje de esta asignatura; con la intencin de que analices a la corriente elctrica einduccin magntica en circuitos elctricos, la transmisin ondulatoria de la energa y lasinteracciones en la radiacin electromagntica; para que puedas explicar y predecir lastransformaciones de la energa y valores las aplicaciones que tiene la Fsica en latecnologa y su importancia en el desarrollo de la cultura.

PRESENTACIN DEL COMPENDIO FASCICULAR


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COLEGIO DE BACHILLERES

FSICA III

FASCCULO 1. CORRIENTE ELCTRICA E INDUCCIN

MAGNTICA

Autores: Jos CarrenArroyo

Pablo Ruiz Robles


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ColaboradoresHugo Alfredo Camacho SierraNazarena Anza Garrido

Asesora PedaggicaTeresa Ins Fernndez de Lara Ramrez

Amalia Espaa Zamudio

Revisin de ContenidoEduardo Prez PascualJess Ernesto Flores Lpez

Diseo EditorialLeonel Bello CuevasJavier Daro Cruz Ortiz

CO LEGIO D EBA CHILLERES


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INTRODUCCIN 5

PROPSITO 7

CAPTULO 1. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 9

1.1 CORRIENTE ELCTRICA 91.1.1 FUENTES DE ENERGA 101.1.2 CIRCUITO ELCTRICO SIMPLE 15

a) Voltaje 16b) Intensidad de la corriente elctrica 17c) Ley de Ohm 17d) Resistencia en cables conductores 23e) Circuitos en serie y en paralelo 35

1.1.3 POTENCIA 42

1.2 INDUCCIN MAGNTICA 531.2.1 ANTECEDENTES 531.2.2 LEYES DE LA INDUCCIN MAGNTICA 621.2.3 GENERADOR ELCTRICO 691.2.4 MOTOR ELCTRICO 711.2.5 TRANSFORMADORES 71

RECAPITULACIN 76

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIN 77

AUTOEVALUACIN 78

ANEXO: USO DEL MULTMETRO 80

BIBLIOGRAFA CONSULTADA84

N D I C E


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Uno de los acontecimientos ms espectaculares para el hombre fue y sigue siendo el delos fenmenos elctricos. Desde la antigedad, 600 a.C., Tales de Mileto observ que alfrotar el mbar (vocablo griego que significa electrn) con piel de gato, se podan atraerpequeos materiales ligeros (por ejemplo, pajas secas). Posteriormente, otrosinvestigadores contribuyeron al desarrollo de la electricidad, hasta llegar a JamesMaxwell (1864), quien propuso la Teora electromagntica de la Luz.

En la actualidad, se obtiene gran cantidad de energa elctrica producida por centraleshidroelctricas, termoelctricas y nucleoelctricas. Esta energa es consumida en lasgrandes ciudades, en los hogares, en las fbricas y en los centros de trabajo.

Con el estudio de este fascculo aprenders que la electricidad es una rama de la Fsicay por esta razn iniciaremos con el tema que trata lo relacionado con la corrienteelctrica: las fuentes de energa, las variables que intervienen en un circuito elctrico ylo que concierne a la potencia. Posteriormente, abordaremos el tema de induccinmagntica, que comprende el efecto magntico de la corriente, la medicin de sta y la

transformacin de la energa mecnica en elctrica.

Para comprender estos contenidos ser necesario que apliques lo aprendido en Fsica Iy Fsica II, donde experimentaste con pilas y focos, con circuitos en serie y en paralelopara encontrar variables en un sistema elctrico, por ejemplo, la brillantez de un foco.

Ahora aprenders a medir la potencia de un foco al calentar agua en un tortillero,mediante la expresin:

Tambin relacionars la potencia de un foco y de los motores con los valores de voltajee intensidad de la corriente y aprenders a manejar los aparatos para medir dichosvalores.

En Fsica IIaprendiste que la energa potencial se poda transformar en calor; para ellosubas y bajabas un peso por medio de un cordel que al friccionar con el recipiente deagua transmita esta energa en forma de calor al agua, y dentro tena unas paletas que

INTRODUCCIN

E (KJ) = 4.2 CT(Kg)masaCKg

KJ


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agitaban el agua. En consecuencia, el agua se calentaba, y conociendo su masa y ladiferencia de temperatura se encontraba lo que se conoce como el equivalentemecnico del calor. Ahora, en el caso contrario, en la figura 1 se observa latransformacin de energa elctrica en energa mecnica, obteniendo el mismo resultado

que en el equivalente mecnico.

Figura 1.

En esta figura se muestra el empleo de una pila de 1.5 volts que suministra energaelctrica al motor, donde se enrolla un cordel que levanta un objeto de 2N (de peso) auna altura de 1.5 m y transforma, as, energa elctrica en mecnica. En este caso, losintercambios de energa suceden en el sistema pila-motor-objeto, es decir, la reaccinqumica de la pila produce la energa elctrica que posteriormente se transformar enenerga mecnica del objeto que se eleva.

Este tipo de fenmenos, con sus variantes respectivas, es lo que vas a estudiar en estefascculo. Recuerda que cuentas con el apoyo de tu asesor para obtener el mayorprovecho de este material. Bien, comencemos!


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Antes de leer el contenido del fascculo es importante que identifiques los objetivos quealcanzars al finalizar su estudio, considerando las siguientes preguntas:

Qu voy a aprender?

El comportamiento de los circuitos elctricos y de algunos aparatos elctricos que seutilizan en la vida cotidiana, como puedes ver en el siguiente diagrama ( figura 2), querepresenta un circuito elctrico sencillo:

Figura 2.

En este circuito, que puede ser una conexin hecha con alambres de cobre, dos focos ydos pilas, se utiliza la energa de las pilas para encender los focos y con ellos iluminar.

Asimismo, por nuestras experiencias diarias sabemos que tambin se usa este tipo deenerga para calentar lquidos, por ejemplo, en las cafeteras elctricas.

a) Diagrama pictrico (elementosreales en el circuito).

b) Diagrama simblico (elementosrepresentados por smbolosque se utilizan en los circuitoselctricos).

P R O P S I T O


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Igualmente conocers el efecto trmico de la corriente elctrica y del brillo luminoso quese observa al aumentar la temperatura del conductor, as como las propiedades dealgunos metales conductores de corriente elctrica, como el cobre del circuito anterior.

Aprenders a usar el multmetro para medir la potencia elctrica de aparatos elctricos,as como el manejo de aparatos simples, para comprender la induccin magntica y latransformacin de la energa mecnica en elctrica.

Cmo lo voy a lograr?

Por medio de la manipulacin de dispositivos simples, empleando el multmetro encircuitos elctricos en serie y en paralelo, y observando los efectos que produce lacorriente elctrica en los circuitos sencillos y el control de variables como son laresistencia (R), el voltaje (V) y la potencia (P). Debes tener en cuenta que para el estudiode la corriente elctrica son necesarios focos, pilas y alambres de distintos metales, paraarmar circuitos elctricos sencillos con objeto de observar su comportamiento al variarlos elementos de nuestro sistema.

Para qu me va a servir?

Para poder calcular la energa total que libera una pila, conocer el funcionamiento dealgunos aparatos de medicin de la corriente elctrica y explicar lo que sucede en uncircuito elctrico en trminos de voltaje, intensidad de la corriente y potencia, entre otros.Este conocimiento te permitir comprender algunos conceptos acerca de la corrienteelctrica que se aplica en la vida diaria.


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CAPTULO 1

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

1.1 CORRIENTE ELCTRICA

El uso de la energa elctrica es tan comn en nuestros das que la mayor parte de lasactividades que realizamos diariamente se relacionan con sta; por ejemplo, gracias aella puedes encender tu estreo para or msica, en el caso de la televisin para verimgenes, en el de una bomba de agua para observar las transformaciones de energaelctrica en potencial y cintica.

Consideras que estas afirmaciones son correctas? Qu otras aplicaciones podrasencontrar en la vida cotidiana? Te imaginas cmo fue la vida cuando no seaprovechaba la energa elctrica?

Sabemos que la electricidad se genera por conversiones de energa originada por elcaudal de los ros, como en las presas (aunque no es la nica fuente de energa), masconoces alguna otra forma en que se genera la electricidad en Mxico? La corrienteelctrica generada se lleva a las grandes ciudades mediante cables de alta tensin y atravs de transformadores se transporta a nuestras casas por medio de conductores.

Por qu se usan alambres de cobre en instalaciones elctricas caseras? Por qu losalambres de cobre se cubren de plstico? De acuerdo con la funcin de un aparatoelctrico algunas veces se usa el alambre nicromel, por ejemplo, en las resistencias delas parrillas elctricas. Por qu en stas se usa alambre de nicromel y no de cobre?

Para poder comprender lo anterior, en este momento veremos qu son las fuentes deenerga, para posteriormente identificar las caractersticas que tienen los circuitoselctricos simples y las variables que intervienen en stos (resistencia, intensidad,voltaje, potencia).


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1.1.1 FUENTES DE ENERGA

Las fuentes de energa disponibles que se utilizan para satisfacer las necesidadesbsicas del individuo, como comer, dormir y divertirse, as como las que se usan con la

fuerza de los caballos, de las corrientes de un ro, la combustin de la madera, la quegenera el Sol, entre otras, son la base para realizar una serie de cambios en beneficiode la sociedad. Ejemplos de transformacin de energa son: la transformacin de laenerga solar que hacen las plantas para su asimilacin en almidones y carbohidratos(figura 3-c); la transformacin de la energa que se aprovecha del caudal y las cadas deagua de los ros en la produccin de energa elctrica que, a su vez, se utiliza comofuente energtica para el transporte elctrico (figura 3-a).

Figura 3.

Se advierte en la figuras 3a y 3b que el trolebs y el tren de juguete transforman laenerga elctrica en energa mecnica de movimiento. Por otro lado, las plantas, en unproceso de fotosntesis, transforman la energa solar en energa qumica de losalimentos, que posteriormente consumir el hombre.

Las fuentes de energa ms sencillas son aquellas que transforman la energa qumicaen elctrica, por ejemplo, las pilas, bateras o acumuladores, que a su vez latransformarn en energa mecnica (figuras 3-a y 3-b); o bien, en una termoelctricadonde se quema combustible para generar electricidad.

Existen otras fuentes de energa que se pueden aprovechar como: la energa del vaporde agua que se usa para mover generadores (plantas geotrmicas); la energa queproduce el viento para mover molinos y stos a su vez poder mover generadores(energa elica); y la energa nuclear que produce , por ejemplo, la fisin del uranio.


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En la vida diaria se aplican las transformaciones de energa, por ejemplo, al utilizar elelevador de un edificio o al levantar una gra elctrica objetos pesados, transformandola energa elctrica en energa potencial gravitacional (EPG). Concretndonos en lo quese refiere a la corriente elctrica, primero debemos tener claro qu es la electricidad:

Las fuentes de energa elctrica producen ciertos efectos debido a la diferencia depotencial que se da en un circuito cerrado. stos son: efecto magntico, luminosoytrmico, que manifiestan la presencia de electricidad.

Para observar lo anterior realiza el siguiente experimento:

FUENTES DE ENERGA ELCTRICA Y SUS EFECTOS

OBJETIVO:

Comprobar el efecto magntico, el luminoso y el trmico de la corriente elctrica enforma experimental.

PROBLEMATIZACIN:

Cules son los efectos que produce la corriente elctrica en un circuito cerrado?

HIPTESIS:

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 1

La electricidad es una manifestacin de energa, generada por el movimiento deelectrones que se da a travs de un conductor; cuando stos se desplazan de unpolo negativo (-) a uno positivo (+) provocan una diferencia de potencial que impulsaa la corriente elctrica.


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MATERIAL:

1 pila de 9 voltios* 1 alambre de cobre del No. 22 (1 metro)

1 foco de 6 voltios 4 caimanes 1 clavo de 2 pulgadas* 1 metro de alambre magneto 1 aguja magntica con base 2 clips alambre nicromel (trozos de 2, 5 y 10 cm) 1 brjula

PROCEDIMIENTO:

I. Construye un circuito cerrado con los elementos que se muestran en la figura 4.

Figura 4.

1 Coloca una brjula debajo del alambre, de tal manera que la aguja se oriente enforma paralela al alambre.

2 Cierra el circuito y anota tus observaciones:

focobrjula

3 Cambia la polaridad y anota tus observaciones:focobrjula

* Estos materiales debern ser proporcionados por el estudiante.


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II.Construye un arreglo como se muestra en la siguiente figura:

Figura 5.

1 Enrolla el alambre magneto a lo largo del clavo y conctalo a la pila de 9 voltios(debes lijar los extremos del alambre para quitar el barniz).

2 Toca el alambre con los dedos y describe lo que sientes:


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3 Acerca el clavo a la brjula y observa lo que sucede. Antalo:

4 Acerca el clavo a los clips y describe lo que sucede:

III.Construye un arreglo como el siguiente:

Figura 6.

Entre los puntos A y B coloca sucesivamente trozos de alambre de nicromel de 2, 5 y 10cm de longitud.

Ahora, con base en lo anterior, contesta el cuestionario:

1. En qu caso se calent ms el alambre de nicromel?


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2. En qu tipo de energa se transforma la energa qumica producida por la pila?

3. Qu aparatos electrodomsticos utilizan el efecto trmico?

4. Si colocas en lugar del alambre de nicromel una tira de aluminio de 2 mm de anchoy 1 cm de largo, qu le sucedera al dispositivo?

Como pudiste ver, las fuentes de energa elctrica generan corriente elctrica y stas asu vez generan tres efectos: Efecto magntico, cuando la corriente elctrica que pasapor un conductor genera a su alrededor una fuerza similar a la de un imn (un campomagntico). Efecto luminoso, que se da por el calentamiento de un conductor hasta suincandescencia, emitiendo finalmente luz como en un foco. Efecto trmico, cuando lacorriente elctrica eleva la temperatura de un conductor, debido a la energa cintica delos electrones como sucede en la resistencia de una plancha.

Estos efectos de la corriente elctrica los podemos apreciar en los diversos aparatos deuso cotidiano, como son las lmparas, tostadores, maquinarias y motores elctricos.

1.1.2 CIRCUITO ELCTRICO SIMPLE

Un circuito elctrico simple es aquel dispositivo que est conformado por los siguienteselementos:

a) fuente de energa

b) cable conductor

c) foco

d) interruptor

Como vimos anteriormente, cuando se da una diferencia de potencial, la corrienteelctrica fluye a travs del circuito, en el cual se desplazan los electrones en unatrayectoria cerrada (figura 7) del polo negativo (-) al polo positivo (+).

En el circuito elctrico se manejan tres variables fundamentales: voltaje (V), intensidadde la corriente(I) y resistencia(R).


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Figura 7.

a) Voltaje

Para que la corriente fluya en forma continua en un circuito es necesario que semantenga un voltaje (o diferencia de potencial) constante, como por ejemplo el que danlas pilas, bateras, acumuladores y generadores elctricos. Estos dispositivos tienen lapropiedad de llevar los electrones de un punto de mayor potencial a otro punto de menor

potencial y debido a esto se produce una diferencia de potencialpermanente, que es loque hace que la corriente elctrica fluya por el conductor.

Por definicin, la diferencia de potencial o voltaje (V) es el trabajo realizado por unacarga de prueba, y matemticamente se expresa como:

Para medir el voltajese utiliza el voltmetro, que se conecta en paralelo con el elementoa medir (resistencia), de tal forma que parte de la corriente pase por el voltmetro paraindicar el valor en voltios. Esta medicin puede ser de corriente directa o de corrientealterna.

Existen dos clases de corriente elctrica: la corriente directa(C.D.) y la corriente alterna(C.A.).

La C.D. es aqulla que hace que los electrones se muevan en un solo sentido debido aque el campo elctrico es constante (no cambia de polaridad).

La C.A. hace que los electrones cambien alternativamente de sentido debido al campoelctrico variable, a lo cual se le llama frecuencia.

V (voltaje) =prueba)de(cargaq

(trabajo)W

Las unidades son:

Voltio =Joule

Coulomb


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En Mxico se mantienen las siguientes constantes para circuitos elctricos domsticos:

Frecuencia= 60 Hertz (Hz)Voltaje= 120 volt promedio en (C.A.)

b) Intensidad de la Corriente Elctrica

Por definicin, la intensidad de la corriente elctrica (I) es la cantidad de cargaelctrica que pasa por un cable conductor en una unidad de tiempo , y matemticamentese expresa:

Sus unidades son:

I (intensidad dela corriente)

= ( )

( )tiempotpruebadecargaq

Ampere =)segundo(seg

)Coulomb(C

Para medir la intensidad de la corriente elctrica se utiliza el ampermetro, que seconecta en serie, es decir, en forma continua en el circuito, que puede ser de corrientedirecta o corriente alterna.

Debemos mencionar que, de acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades(S.I.U.),cuando hablamos de cargas elctricas se manejan las siguientes unidades:

1 coulomb= 6.24 x 1018 vecesla carga del electrn

1 electrn= -1.6 x 10-19coulombios

1 protn= 1.6 x 10-19coulombios

c) Ley de Ohm ()

Resistencia elctrica

A menudo sucede que en distintas partes escuchamos o empleamos la palabraresistencia: la resistencia de una plancha, la resistencia de una persona, o habrsexperimentado que al intentar salir del metro y mucha gente trata de subir al vagn sedebe emplear la fuerza de empuje suficiente para vencer esa resistencia . Anlogamentea las personas que suben al vagn, en los circuitos elctricos se presenta unaresistencia al pasar la corriente elctrica por un conductor.

La Resistencia elctrica (R)es la oposicin que presenta todo dispositivo elctrico alpaso de la corriente elctrica.

Estos dispositivos elctricos pueden ser:

a) Todo dispositivo elctrico, como planchas, bombillas, etc.b) El elemento llamado resistencia.c) Todos los cables conductores.


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Para conocer el valor del elemento llamado resistenciase utiliza la Tabla del cdigo decolores,siguiendo el orden que se traza en su representacin fsica.

TABLA No. 1: CDIGO DE COLORES

0 Negro1 Caf2 Rojo3 Naranja4 Amarillo

5 Verde6 Azul7 Violeta8 Gris9 Blanco

Tolerancia

Dorado 5 %Plateado 10 %Sin color 20 %

Figura 8. Representacin grfica del elemento llamado resistencia.

Entonces,para calcular el valor de la resistenciaharemos lo siguiente:

Contamos los colores desde la franja ms prxima a un extremo, considerando que...

La primera franja| (a), indica la primera cifra de su valor, tomando el nmerocorrespondiente al color.

La segunda franja (b), indica la segunda cifra de su valor. La tercera franja (c), indica el nmero de ceros que hay que agregar a las dos

cifras halladas para conocer el valor de la resistencia, que se expresa en ohmsmediante el signo . La cuarta franja (d), indica la tolerancia.

Veamos un ejemplo. Si tenemos el siguiente caso:

Figura 9.

a) b) c)d

3 colores 1 color

(3) naranja

(1) caf(00) rojo

Plateado (10%)


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Tendremos el valor 3100 , y tomando en cuenta latoleranciacorrespondiente al colorplateado, es decir, 310, obtenemos finalmente los valores 3410 para +310 entolerancia (+) y de 2790 para 310 en tolerancia (-).

Ahora que sabemos lo que es voltaje, intensidad y resistencia estamos listos paracomprender la Ley de Ohm.

Ley de Ohm

La intensidad de la corriente que pasa por un cable conductor es directamenteproporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia, y matemticamentese expresa:

(Donde es el smbolo de proporcionalidad).

Para comprobar esta ley relacionaremos las variables I, V y R de la siguiente manera:

a) Manteniendo R = constante, I V

b) Manteniendo V = constante, I I

R

Esto lo podrs comprobar realizando la Actividad Experimental No.2.

LEY DE OHM

OBJETIVO:

Comprobar experimentalmente la relacin de las variables I, V y R.

VI

R


I = Intensidad de la corrienteV = VoltajeR = Resistencia


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PROBLEMATIZACIN:

Qu le sucede a la intensidad de corriente en un circuito cuando se mantiene el voltajeconstante y se vara su resistencia?

Qu le sucede a la resistencia cuando se aumenta o disminuye el grosor de un alambreen un circuito elctrico?

HIPTESIS:

MATERIAL:

4 pilas (1.5 V, 3 V, 4.5 V, 9 V)** 2 multmetros* 2 cables de cobre No. 22 1 lpiz**

PROCEDIMIENTO:

I. Monta el siguiente circuito. Para ello utiliza un lpiz (de grafito), pilas, un ampermetro yun voltmetro:

Figura 10.

1 Coloca sucesivamente una, dos y tres pilas, mide las intensidades de corriente y elvoltaje.

* Consulta el Anexo de este fascculo, en donde se te indica el manejo del multmetro.** Material que proporciona el alumno.


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Registra tus datos en el siguiente cuadro:

V I (A) R = ()

1.5 V

3 V

4.5 V

9 V

2 Elabora la grfica V (voltaje) vs. I (intensidad).

Ahora, contesta lo siguiente:

1. Qu relacin de proporcionalidad hay entre el voltaje y la intensidad?

2. Cmo es la expresin R =V

Ien cada caso?

II.Monta el siguiente circuito. Dispn de 3 materiales del mismo tamao (lpiz = grafito,cobre = Cu y nicromel):

I0

V

VI


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Figura 11.

1 Mide las resistencias de cada material con el hmetro y registra los datos en el cuadrocorrespondiente.

2 Mide las intensidades registradas por el ampermetro con los diferentes materiales yregstralo tambin en el cuadro:

Material R ( ) 1 (A)1

IR

Lpiz

Cobre

Nicromel

3 Elabora la siguiente grfica:

0I

1

Responde a las preguntas:

R

1

I


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1. Qu relacin de proporcionalidad hay entre la resistencia (R) y la intensidad (I)?

2. Cmo es la expresin

I

1V

= RI en cada caso?

d) Resistencia en Cables Conductores

Como vimos, la cantidad de corriente que pasa a travs de un circuito elctrico dependedel voltaje, que es una especie de presin elctrica capaz de producir un flujo de carga(electrones), es decir, una corriente dentro del conductor. Sin embargo, esta corrientetambin depende de algunos otros factores que obstaculizan su flujo, y constituyen loque es la resistencia elctrica.

La situacin es similar al flujo de agua en una tubera, que no slo depende de la presindel agua, sino de la resistencia que opone la propia tubera. La resistencia de un cabledepende de la conductividad del material y sus caractersticas fsicas, que son: el grosor,la longitud y la temperatura; por lo tanto, se puede establecer el modelo matemticoparala resistencia de un conductor, como:

Donde el rea equivale a:

La expresin R = L

Aindica que a medida que la longitud aumenta le ocurre lo mismo a

la resistencia. Si el grosor aumenta, la resistencia disminuye. Adems, en cuantoaumente la temperatura, mayor ser la energa cintica de los tomos en el conductor y,en consecuencia, mayor es la resistencia.

Algunos materiales pierden toda resistencia a bajas temperaturas, llamndoselessuperconductores, que son muy utilizados en electrnica.

R = LA

R: Resistencia ( )

L: Longitud ( m)

A: rea de la seccintransversal ( m2)

: Resistividad del material ( -m )

: Dimetro del cable ( m )

A =2

4


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La resistividad ()se define como la resistencia que presenta un conductor de 1m delongitud y un rea de 1m

2de seccin transversal(algunos valores se encuentran en la

Tabla No. 2).

Revisando la tabla tendremos que cuanto mayor sea la resistividad de un alambre, secomporta como un mal conductor elctrico.

TABLA No. 2: RESISTIVIDADES ( ) A O C

Material (10-8- m )cobre 1.72aluminio 3.21platino 11.05carbn 3500

Otro concepto que se maneja es la conductividad ( C ), que es la capacidad de unmaterial para conducir la corriente, cuya expresin es:

Resistencia variable con la temperatura

En algunos materiales (cobre, aluminio) la resistencia elctrica aumenta casiproporcionalmente a la temperatura, y para calcular estas variaciones se utiliza lasiguiente expresin matemtica.

R: Resistencia a cualquier temperatura ( )

Ro:Resistencia a 0 C ()T: Variacin de temperatura = T2- T1 ( C )

: Coeficiente de temperatura ( C ) -1

R = Ro(1 + T)

C =1


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TABLA No. 3: COEFICIENTES DE TEMPERATURA

Material ( 10 -3) ( C ) 1

cobre 3.8platino 3.9hierro 5.1carbn -0.5

Veamos unos ejemplos en donde se apliquen las expresiones para calcular laresistencia en cables conductores:

a) Para calcular el dimetro de un alambre de cobre que tiene una longitud de 800 m yuna resistencia de 20 , tenemos...

Entonces, sustituyendo datos en las expresiones :

( )( ))(m106.88

102

m10x376.1

10x2

m10x8m-10x72.1A 27-

1

25-

1

28-

=

=

=

=4A

14.3

)m10x(6.884=

2-7

14.3

10x7522.=

-6

-07108.764=

= 9.3618 x 10-04= 0.000936 mm.= 9.3618 x 10-04m = 0.936 mm.

As, el dimetro del alambre mide 0.936 mm.

Veamos otro ejemplo:

b) Un termmetro de platino tiene una resistencia de 10 a 160 C. Calculemos suresistencia a 300 C.

Datos

R = 20

L = 800 m

= ?

= 1.72 x 10 -8-m

Modelos

R =A

L

A =4

2

Despejes

A =L

R

=A4

R

L=A


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Tenemos que :

T = T2 T1= 300 160 = 140C

Entonces, sustituyendo datos en la expresin:

( )

=

=+

=

+

= 6.46

546.1

10

546.01

10

C140C

10x9.31

10R

30

( ) ( ) ( )0.54616.46C140C

10x9.316.46T1RR

3-

0 +=

+=+=

R = 6.46 (1.546) = 9.98

Para que ejercites el manejo de las frmulas al calcular la resistencia en cablesconductores, resuelve en tu cuaderno los siguientes problemas:

1. Calcula el dimetro de un alambre de cobre que tiene una longitud de 1 km y unaresistencia de 30 .

2. Un termmetro de platino tiene una resistencia de 12 a 170 C. Calcula suresistencia a 350 C.

Para comprobar lo anterior realiza la Actividad Experimental No. 3.

Datos

T1= 160 CT2= 300 C

R160= 10

R0= ?

R300= ?

C

10x3.9

o

-3

=

Modelo

R = R0(1+ T)

Despeje

RR

T0 1=

+

(Ver Tabla No. 3)

ACTIVIDAD DE REGULACIN


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27

RESISTENCIA EN CABLES CONDUCTORESOBJETIVO:

Verificar experimentalmente la conductividad elctrica en diversos materiales (cobre,nicromel, aluminio), tomando en cuenta el calentamiento y la corriente que circula porellos.

Obtener experimentalmente la relacin que existe entre la resistencia, la longitud y elrea transversal de un cable conductor.

PROBLEMATIZACIN:

Qu tipo de cambios se producen cuando pasa la corriente elctrica en diversosmateriales?

Qu caractersticas deben tener los focos elctricos para que sean de diferentepotencia?

Qu tipo de relacin existe entre la resistencia, la longitud y el dimetro de un cableconductor?

HIPTESIS:

MATERIAL:

2 pilas de 1.5 volts* 1 metro de alambre nicromel (No. 22) 1 metro de alambre de cobre (No. 22)

1 metro de alambre de aluminio (No. 22) 1 foco de 3 volts 1 regla de madera de 1 metro

*Material que debe proporcionar el estudiante.



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28

PROCEDIMIENTO:

I. Monta el arreglo experimental como se muestra en la figura:

Figura 12.

Nota: A criterio del laboratorista puedes usar 2 alambres en los puntos A y B.

Ahora, lleva a cabo lo siguiente:

1. Detecta cul de los tramos de cable se calienta ms al conectar cada uno al circuito

en los puntos A y B:

2. Detecta con cul de los tramos de cable se logra obtener mayor brillo en el foco:

Y Por qu?


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29

3. Conecta al circuito alambre nicromel a las siguientes distancias: 25 cm, 50 cm, 75cm y 100 cm, y observa el brillo de los focos en cada caso, a qu distancias seobtiene mayor y menor brillo:

DISTANCIA BRILLO25 cm50 cm75 cm

100 cm

4. De acuerdo con lo anterior tenemos que:

A mayor distancia brillo.(menor / mayor)

A menor distancia brillo.(menor / mayor)

5. El brillo del foco est relacionado con la conductividad del material, de dondetenemos que amayor brillo mayor conductividad.

La conductividad est relacionada de manera inversa con la resistencia, de dondea mayor brillo mayor conductividad y menor resistencia.

Por lo anterior, entonces la relacin entre las variables de resistencia ( R )ylongitud ( L )del cable, es de la siguiente manera:

Resistencia ( R ) es

( directamente / inversamente proporcional)a la longitud ( L ) del cable.

6. Repite el experimento anterior, colocando sucesivamente un metro dealambrenicromel del No. 22, y otro metro de alambre nicromel de mayor grosor en los puntos

A y B del circuito.

Observa el brillo del foco en cada caso y contesta:

A mayor dimetro brillo.

( menor / mayor )

A mayor dimetro resistencia.( menor / mayor )


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30

7. El dimetro del cable est relacionado con el rea de su seccin transversal por

medio de la expresin matemtica A=2

4

, de donde:

Resistencia ( R ) es( directamente / inversamente proporcional)

al rea (A).

8. De acuerdo con los ejercicios 5 y 7 obtenemos:

A

L~R

Entonces, al repetir la actividad del ejercicio 3 y medir con el hmetro las diferentesdistancias tendremos:

L1= 25 cm R1=

L2 = 50 cm R2=

L3= 75 cm R3=

L4 = 100 cm R4=

Cul es la relacin entre la longitud del alambre y la resistencia?

____________________________________________________________________

9. Repite la actividad del ejercicio 6, mide con el hmetro la resistencia y con el palmero vernier el dimetro del cable. Realiza tus clculos:

1 = R 1=

2= R2=

A 1 =4

2

1 =

A 2=4

22

Cmo es la relacin entre la resistencia y el rea de la seccin transversal delalambre?


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31

10. Calcula la resistividad del nicromel usando la expresin =RA

L(Utiliza

tu cuaderno).

11. La resistencia vara con la temperatura? Por qu?

12. Por qu se utiliza cobre en los cables conductores en lugar de nicromel?

Elementos hmicos y no hmicos

En la Actividad Experimental anterior se observ el comportamiento de la resistenciaelctrica en cables conductores (metales), a stos se les llama conductores hmicosdebido a que siguen la Ley de Ohm.

Pero algunos materiales como el tungsteno y algunos semiconductores que se utilizanen focos elctricos y transistores no siguen la Ley de Ohm y se les llama conductoresno hmicos.

Debido a que estos materiales se calientan con el paso de la corriente elctrica podemosconcluir lo siguiente:

a) los materiales hmicos se comportan de la siguiente manera: si la resistenciaes constante (R=cte) el voltaje ( V ) es directamente proporcional a la intensidadde corriente ( I ), ( V I ), en donde al graficarlo obtenemos:

0I

V

R


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32

b) los materiales no hmicosse comportan de tal manera que al aumentar el voltaje laintensidad aumenta, pero no directamente proporcional, obtenindose la siguientegrfica:

Esto lo podemos comprobar realizando la siguiente actividad experimental.

RELACIN VOLTAJECORRIENTE EN MATERIALES HMICOS Y NO HMICOS

OBJETIVO:

Identificar experimentalmente la relacin que existe entre voltaje e intensidad de lacorriente, mediante el uso de materiales hmicos y no hmicos.

PROBLEMATIZACIN:

El valor de la resistencia de un circuito cambia conforme variamos el voltaje en dichocircuito?

HIPTESIS:

MATERIAL:

alambre nicromel ( 1.10 m) 1 regla de madera de 1 m 5 pilas de 1.5 V (tamao D)*

*Material que debe proporcionar el estudiante.

0 I

V


R


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33

multmetro papel milimtrico 1 foco de 6 V

PROCEDIMIENTO:

I.Monta el siguiente circuito (figura 13). Para ello toma el alambre nicromel y colcalosobre la regla, despus con una de las pilas y con el multmetro monta el arreglo comose ve en la figura.

El multmetro, es este caso, medir la corriente elctrica que circula por el alambre, porlo tanto, el cable rojo del multmetro deber estar conectado en A y la perilla debergirarse hasta 2 de la escala de DCA.

Figura 13.

1. Mide la corriente con 1, 2,.... hasta 5 pilas y regstralo en el siguiente cuadro(verifica los voltajes de las pilas con el multmetro):

CANTIDADDE PILAS 1 ( 1.5 V ) 2 ( 3.0 V ) 3 (4.5 V ) 4 ( 6.0 V ) 5 ( 7.5 V )

Voltaje ( V )

Intensidad ( I )

2. Construye la grfica de V vs. I en papel milimtrico.


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34

3. Con base en lo anterior, podemos ver que se puede ajustar una recta que pase porel origen. Considerando esto resuelve las preguntas:

a) Qu tipo de relacin existe entre V e I ?

b) Cul sera su modelo matemtico?

c) Qu corriente circular cuando se conecten 15 pilas?

4. Interpreta el significado fsico que tiene la constante de proporcionalidad (ve lagrfica que elaboraste en el 2 punto):

II. Repite la actividad, pero ahora sustituye el alambre nicromel y la regla por un foco de6 V, como se ilustra en la figura 14. Ahora qu suceder?

Figura 14.


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35

1. Realiza tus clculos con 2, 3, .... hasta 5 pilas y llena el cuadro de datos:

CANTIDAD

DE PILAS 1 ( 1.5 V ) 2 ( 3.0 V ) 3 (4.5 V ) 4 ( 6.0 V ) 5 ( 7.5 V )Voltaje ( V )

Intensidad ( I )

2. Construye otra grfica de V vs. I en papel milimtrico.

En este caso, observars que no es posible ajustar una recta a los datos graficados,es decir, el voltaje no es proporcional a la corriente. A qu se debe esto?

Considerando lo anterior, elabora un reporte de la actividad experimental, en dondeexpongas tus conclusiones.

e) Circuitos en Serie y en Paralelo

Como vimos anteriormente, un circuito elctrico simple se forma por una fuente deenerga, cable conductor, foco e interruptor, en donde podemos colocar unampermetro o un voltmetro, por ejemplo. Sin embargo, podemos formar otros tiposde circuitos en donde los elementos resistivos se conectan en serie o en paralelo.Veamos.

En un circuito en serie, los elementos se conectan uno a continuacin del otro, endonde la corriente elctrica tiene una misma trayectoria. En un circuito en paralelolos elementos resistivos se conectan en forma paralela entre s, en donde la corriente

elctrica se divide en tantas partes como elementos resistivos existen.

Observa la siguiente figura:

Figura 15.


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36

Un circuito mixtose forma combinando elementos que estn conectados en serie y enparalelo:

Figura 16.

La diferencia de potencial o voltaje

De acuerdo con lo que has estudiado anteriormente, qu sucede con el voltaje en uncircuito en serie?, y otro en paralelo ?.

Cuando tenemos un circuito en serie el voltaje total se distribuye instantneamente entresus elementos resistivos. La intensidad de corriente es la misma en todos suselementos. La resistencia total del circuito es la suma de sus elementos.

Esto se puede demostrar experimentalmente usando el multmetro (ampermetro,voltmetro, hmetro), en donde obtenemos las siguientes expresiones matemticas:

Cuando se trata de un circuito en paralelo el voltaje de la fuente es el mismo para cadauno de los elementos resistivos. La corriente elctrica total del circuito es la suma de lacorriente que pasa por cada elemento resistivo. La resistencia total del circuito es menorque la resistencia de cualquiera de los elementos.

V = V1 + V2+ V3I = I 1= I2= I 3

R = R1+ R2+ R3


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Experimentalmente obtenemos:

Ahora, veamos unos ejemplos:

a)Si tenemos un circuito (figura 17) en donde 3 resistencias, de 100 , 200 y 300 ,

respectivamente, se conectan en serie, con un voltaje de 18 voltios, calculemos:

resistencia total e intensidad total voltaje e intensidad en cada elemento

Figura 17.

Entonces, aplicando las expresiones matemticas de resistencia en serie, tenemos:

R = R1+ R2+R3= 100 + 200 + 300 = 600

IV

R= = = =

18

6000 030 a. 30 ma donde: ma = miliamperes.

V = V1 = V2 = V3I = I 1+ I2+ I 3

1 = 1 + 1 + 1R R1 R2 R3


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Como la intensidad total es la misma que en cada uno de los elementos:

I = I 1= I2= I3= 30 ma (miliamperes)

Aplicando V = RI en cada elemento

V 1= R 1 I 1= ( 100 ) ( 0.030 ) =3 V

V2= R 2I2= ( 200 ) ( 0.030 ) = 6 V

V 3= R 3I 3= ( 300 ) ( 0.030 ) =9 VV = V1+ V 2+ V3= 18 V

Revisa ahora el siguiente ejemplo:

b)Tenemos un circuito (figura 18) en donde 3 resistencias , de 100 , 200 y 300 ,respectivamente, se conectan en paralelo a una fuente de voltaje de 18 volts.Calculemos:

resistencia total e intensidad total voltaje e intensidad en cada elemento

Figura 18.

Aplicando expresiones matemticas:

1 1 1 1 1

100

1

200

1

300

60000 30000 20000

60000001 2 3R R R R= + + = + + =

+ +

1 110000

6000000

11

600R= = despeja

11

600R == 54.5

==

== (amperes)a33.05.54

V18

R

VI 330 ma (miliamperes)

Recuerda por nemnicaes asociar la frmula

V = R IA Victoria es a Reina deInglaterra.


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39

Como el voltaje total es el mismo en cada elemento resistivo:

V = V 1= V2= V3=18 volts

Aplicando I VR

= a cada elemento:

=

==100

V18

R

VI

11 0.180 a

==

200

V18

R

VI

22 = 0.090 a

==

300

V18

R

VI

33 = 0.060 a

I = I 1+ I2+ I3= 0.330 a

Ahora, cmo se hacen estos clculos en un circuito elctrico mixto?

Analicemos el siguiente ejemplo:

c)Tenemos un circuito (figura 19) en donde conectamos 3 resistencias (de 100 , 200 y 300 ) en serie y en paralelo a una fuente de voltaje de 18 voltios.

Calculemos:

resistencia total e intensidad total voltaje e intensidad de cada elemento

Figura 19.


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40

(R2) (R3)

Debemos calcular en partes:

Primero, la resistencia equivalente (que es la suma de resistencias, de acuerdo a laconexin, de una secuencia o de todo el circuito, que es capaz de sustituir al conjunto de

resistencias), en paralelo (Re):

=500

60000=Re=

60000

500=

60000

200+300=

300

1+

200

1=

Re

1120

Entonces, la resistencia total es:

R T= R1+ ReR T= 100 + 120 = 220

Para calcular la intensidad total:

I

V

R

VT

T

T= =18

220 =0.0818 a = 81.8 ma (miliamperes).

De acuerdo con el siguiente diagrama el voltaje de cada elemento sera:

V1= R1I1= 100 ( 0.0818 a ) = 8.18 VV2= Re I = 120 ( 0.0818 a ) = 9.82 V

Figura 20.

Para calcular la intensidad de cada elemento:

=

== 200

V9.82RVI

2

22 0.0490 a

=

== 300

9.82V

R

VI

3

23 0.0327 a


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Para corroborar estos ejemplos te proponemos realizarlos en el laboratorio,consiguiendo los elementos descritos, y con el uso del multmetro comprobar losresultados.

Con la intencin de que apliques lo aprendido hasta el momento, realiza la siguienteactividad en tu cuaderno.

1. Calcula: resistencia total e intensidad totalvoltaje e intensidad en cada elemento

Sobre los tres casos que se presentan a continuacin:

a) 3 resistencias (de 500 , 700 y 900 ) conectadas en seriea una fuente de 27volts. Dibuja el circuito.

b) 3 resistencias ( 500 , 700 y 900 ) conectadas en paraleloa una fuente de 27volts. Traza el circuito.

c) El circuito mixtoque se muestra enseguida:

Figura 21.

Revisa tus resultados con el asesor.



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1.1.3 POTENCIA

Te ha sucedido alguna vez que cuando requieres de mayor iluminacin en un cuarto detu casa slo tienes que poner un foco de mayor potencia elctrica, o bien, habrs

observado que mientras mayor es la potencia de un aparato elctrico que ests usandomayor es la energa elctrica consumida y por lo tanto el pago es mayor por el consumode energa.

Si utilizamos 120 voltios de voltaje promedio en una instalacin casera, al conectar focosde 40 watts y 60 watts, obtendremos intensidades de corriente de 0.33 amperes y 0.50amperes respectivamente, de tal manera:

voltios121=amperes33.0

watts40

voltios120

amperes50.0

watts60=

A partir de esto podemos deducir quemanteniendo el voltaje constante, la potencia esdirectamente proporcional a la intensidad de corriente elctrica:

P

IV=

La potencia elctrica ( P ) se define como la energa que consume un dispositivoelctrico en un segundo:

P

W

t=

Para conocer la energa elctrica que consumen los dispositivos elctricos se usa lasiguiente expresin matemtica:

W Pt=

La C.F.E. (Comisin Federal de Electricidad) nos cobra de acuerdo a losKw H consumidos por los aparatos elctricos.

Para calcular la potencia elctrica tambin podemos utilizar las siguientes expresionesmatemticas:

P VI RIV

R= = =2

2

P: Potencia (watts)I: Intensidad de la corriente (amperes)V: Voltaje (volts)

P: Potencia ( watts )W: Energa ( joules )t: Tiempo ( segundos )

W: Energa ( Kw H )P: Potencia ( Kw )t: Tiempo ( H )


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43

Tambin para determinar la potencia de un calentador elctrico (Fsica II), cuando secalienta una cierta masa de agua en un determinado tiempo, midiendo su variacin detemperatura, se calcula la potencia elctrica con:

seg

KJ

seg(tiempo)t

1

)C(T

1

Kgmasa

CKg

KJ2.4

t

iP

=

=

=

A continuacin se emplean las expresiones anteriores en ejemplos de problemas depotencia elctrica, en donde se proporcionan datos para que calcules la potenciaelctrica de algunos aparatos domsticos.

Ejemplos

I. Una plancha elctrica con una potencia de 1500 w, conectada a un voltaje de 120 v,dura prendida media hora (0.5 hora = 30 min. = 1800 seg.), calcular:

a) Resistencia ( R )

b) Intensidad de la corriente ( I )

c) Energa consumida (en KwH y joules )

d) Cantidad de calor desprendida ( Q, caloras )

e) Costo de la energa consumida ( 1 kwH - $0.05 )

Aplicando las expresiones correspondientes, tenemos:

a)R

V=P

2

RV

P= = = =

2 2120

1500

14400

15009.6 (ohms)

b) P VI= ===V120

W1500

V

PI 12.5 a (amperes)

c) W Pt= ( )( )W= =15 0 5. .Kw H 0.75 KwH

( )Wjoule

seg=

1500 1800 seg = 27x10

5joules

P: Potencia ( watts )

i: Variacin de energa interna( Joules )

t: Tiempo ( segundos )

m : Masa (gramos)

T: Variacin de temperatura(grados centgrados)


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d)joules18.4

calora1Joules10x27=Q 5 = 6.459 x 105 caloras

e) Costo ( c ) = 0.75 Kw HH1Kw

0.05$

= $ 0.037 pesos = 3.75 centavos

II. Calcula la potencia de un foco que se encuentra dentro de un tortillero con 2 litros ( 2kg ) de agua, que se calienta de 20 C (Ti) a 31 C (Tf) en 15 minutos (900 s):

recuerda que T = Tf- Ti

102.66100Kw0.102900

92.4

900

1)(4.2)(2)(1

(seg)tiempo1

C)(T

1

(Kg)masa

CKg

KJ4.2

t

EiP ====

=

=

P = 102.66 wattssegundo

joule=watt1

Para que apliques lo aprendido hasta ahora sobre potencia elctrica, resuelve lossiguientes problemas:

1. Un horno de microondas tiene una potencia de 1400 watts, conectado a una lnea de120 v, se mantiene encendido durante 15 minutos. Calcular:

a) La intensidad de la corriente que circula por lb) La resistencia del hornoc) La energa elctrica consumidad) Cantidad de calor desprendidae) Costo de la energa si 1Kw H = $ 0.80 pesos = 80 centavos

2. Calcula la potencia de un foco que se encuentra dentro de un tortillero con 1.5 litrosde agua, que se calienta de 20 C a 26 C en 10 minutos.

3.Para reafirmar los conceptos tericos de potencia elctrica te proponemos que realicesla siguiente actividad experimental en el laboratorio.



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POTENCIA ELCTRICAOBJETIVO:

Identificar la relacin que existe entre las variables de potencia (P), intensidad (I), voltaje(V) y resistencia (R).

PROBLEMATIZACIN:

Qu sucede con la intensidad cuando se incrementa la potencia? Qu relacin existeentre el voltaje y la resistencia?

HIPTESIS:

EXPERIMENTO AMATERIAL:

calentador elctrico

termmetro probeta fuente de poder multmetro

PROCEDIMIENTO:

I. Utiliza el calentador elctrico de un foco para calentar agua, digamos elsuficientelquido para cubrir el foco, tal como se ve en la figura 22, y procede como sigue:

1. Mide con el multmetro la corriente y el voltaje durante el proceso de calentamiento.

2. Mide la temperatura inicial del agua (a).

T1= C



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3. Conecta la clavija a la fuente de poder en las terminales de corriente alterna y anotael cambio de temperatura al cabo de 10 minutos (b).

t = 10 minT2= C

4. Es importante agitar ligeramente en forma circular el calentadoraproximadamente

cada 3 minutos (c).

5. Deja enfriar y mide la cantidad de agua con la probeta (d).

V = m = Kg

(Slo en el caso del agua V = m).

6. Calcula la potencia, por calentamiento del agua, mediante la relacin:

t

Tm4.2=

t

Ei=P

Figura 22.

II. Repite el experimento dos veces ms, conectando una vez en la fuente de poder alas terminales A y D, y la otra en la toma normal de 120 V ( sin fuente de poder ).

1. Tabula tus datos y verifica si el voltaje es proporcional al cociente P/I.


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Tu profesor te ilustrar en el correcto uso del multmetro cuando mides voltajes, yaque en este caso el cable rojo debe estar en V, la perilla en VCA y adems debemedirse en paralelo.

REGISTRO DE DATOS

PRUEBA P(W) I (A) V(V)PI

Corrientealterna

TerminalesA D

Sin fuentede poder

2. Analiza los datos del cuadro anterior y contesta las siguientes preguntas:

a) Qu sucede con la intensidad cuando aumenta la potencia?

b) Qu relacin existe entre el voltaje y la resistenciaI

V?

c) Con las comparaciones anteriores podemos establecer queP

IV= ? Explica por

qu:

d) Podremos encender un foco casero con pilas? Argumenta tu respuesta.

e) Si midieras la potencia de una cafetera elctrica por los dos mtodos que conoces,por calentamiento del agua y directamente con P = VI qu valores obtienescon cada uno de los mtodos? Son parecidos?


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f) Qu es un fusible?, para qu se emplea? En qu efecto se basa sufuncionamiento?

g) En una plancha elctrica se encuentran las siguiente especificaciones del fabricante:960 W, 120 V.

- Explica el significado de estos valores.

- Suponiendo que el calentador est conectado al voltaje adecuado, qu corrientepasar a travs de l?

h) Una cafetera elctrica de 1000 W de potencia se conecta 4 minutos para calentar500 ml de agua, si la temperatura inicial del agua era de 20 C a

qutemperatura final llega el agua?.

EXPERIMENTO B

Ya te has percatado que al colocar un foco de 60 watts en el patio de tu casa, el brillo esmenor que cuando pones uno de 100 watts. Asimismo, el watt es una unidad depotencia, es decir, es la energa disipada en una unidad de tiempo. Para medir estapotencia se usa una medicin indirecta, en este caso usars vasos de unicel paracalcular la potencia que desarrollan los focos que trabajan con pilas, mediante la

siguiente expresin matemtica:

( )t

CT)kg(m2.4=

t

i=P

0


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MATERIAL:

2 vasos de unicel con tapa*

1 pila de 1.5 volts* 1 pila de 9 volts* 2 metros de alambre de cobre del nmero 18 1 foco de 1.5 volts 1 foco de 6 volts 1 multmetro

* Material que debe aportar el estudiante.

PROCEDIMIENTO:

I. Monta el siguiente dispositivo

Figura 23.

Realiza lo siguiente:

1. Calcula la potencia de los focos para cada caso, tomando como referencia el tiemponecesario para elevar dos grados centgrados la temperatura del agua, y mide lamasa del agua.

2. Mide la corriente para los dos circuitos anteriores ( asegrate de que elampermetro que utilices tenga la escala adecuada).

3. Calcula el cociente de las potencias entre la corriente, pues as se obtendr elnmero de volts indicado en la pila. Cuando fluye mucha corriente, entonces la pilano puede mantener el voltaje y se dice que se baja (por qu crees que al arrancarun carro disminuye la intensidad de sus luces?).


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50

4. Con un voltmetro o un multmetro con la escala adecuada observars cmo se bajael voltaje al cerrar el circuito. Anota los valores que obtuviste con el circuito abierto ycon el circuito cerrado:

Figura 24.

Como hemos visto, el voltaje se puede definir como el cociente de la potencia entre lacorriente, esto es:

Cabe sealar que se pueden encontrar las palabras volto voltio, watto vatio, ampereoamperiocomo equivalentes. Una relacin similar existe en las redes caseras de corrientealterna.

II. Para encontrar la relacin)A(I

)W(P = cte, manteniendo el voltaje constante, monta el

siguiente dispositivo:

Figura 25.

nmero de wattsnmero de amperes

Nmero de volts =


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Realiza lo que se te pide a continuacin:

1. Compara la brillantez de los focos e indica cul tiene mayor intensidad de corriente:

2. En este sistema una de las variables se mantiene constante, cul es?

3. Mide con el ampermetro en las posiciones A1, A2, A3y A4. Comprueba que A1= A2+ A

3+ A

4y divide la potencia de cada foco entre su intensidad:

V120A

W100

A

W75

A

W60

432

=++

4. De qu forma se relaciona este circuito con los que hay en tu casa?


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52

Revisa el siguiente mapa conceptual para que tengas un panorama general de loscontenidos de este tema.

tales como

en

abarca

es

es laes el

base de

que estableceque son

donde

donde

donde semanejan

compuestopor

proviene de

generando es

que pueden ser

se observa en

involucra

CORRIENTE ELCTRICA

FUENTES DE ENERGA POTENCIA (P)

ENERGA CONSUMIDAPOR UN DISPOSITIVO

ELCTRICO EN UNSEGUNDOMIXTO

EFECTOS DE LACORRIENTE ELCTRICA

V= V1= V2= V3I = I1 + I2 + I3

321 RI+

R

I+

R

I=

R

I

EFECTO

MAGNTICOLUMINOSOTRMICO

CIRCUITOSELCTRICOS

SIMPLE

FUENTE DEENERGA

ENPARALELO

TRABAJOREALIZADO PORUNA CARGA DE

PRUEBA

VOLTAJE (V)

EN SERIE

VARIABLES

INTENSIDADDE LA

CORRIENTE

CANTIDAD DE CARGAELCTRICA QUE PASAPOR UN CONDUCTOR

EN UNA UNIDAD DETIEMPO

FOCO

CABLECONDUCTOR

INTERRUPTOR

V= V1+ V2+ V3I1 = I2 = I3R = R1+ R2+ R3

LEY DE OHM

I ~R

V

LA INTENSIDAD ESDIRECTAMENTE

PROPORCIONAL ALVOLTAJE E

INVERSAMENTEPROPORCIONAL A LA

RESISTENCIA

RESISTENCIA ( R )

LA OPOSICIN DE TODOCONDUCTOR ELCTRICO AL

PASO DE CORRIENTE

MATERIALESHMICOS

MATERIALESNO HMICOS

RESISTENCIAEN CABLES

CONDUCTORESRESISTENCIA

VARIABLE CON LATEMPERATURA

EXPLICACIN INTEGRADORA


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1.2 INDUCCIN MAGNTICA

1.2.1 ANTECEDENTESAhora nos introduciremos al estudio del efecto de las fuerzas magnticas sobre cargasmviles. Esto nos permitir definir algunos conceptos como induccin, as como elplanteamiento de algunos conceptos tericos importantes que nos ayudarn a aterrizaren las leyes de Faraday y Lenz.

Los cientficos que trataron este tema fueron Faraday y Lenz. Al primero, lo describensus bigrafos como un estudioso prctico de la electricidad que contribuy a lapropuesta de varios aparatos, que dieron origen a las leyes que llevan su nombre.

Siguiendo estos descubrimientos, Lenz observ que en una bobina con bastantesvueltas el introducir un imn se haca con mayor dificultad que cuando la bobina tenamenos vueltas. Estos descubrimientos de la ciencia lo llevaron al desarrollo tecnolgico,dando lugar al nacimiento de dos dispositivos importantes que son el motor y elgenerador, muy utilizados en la rama industrial y tecnolgica.

Como un primer acercamiento al tema realiza la siguiente actividad experimental.

INDUCCIN MAGNTICA

OBJETIVO:

Identificar la relacin que existe entre la corriente elctrica y un campo magntico.

PROBLEMATIZACIN:

El fsico dans Hans Christian Oersted descubri que la corriente elctrica produce uncampo magntico al observar el comportamiento de la aguja de una brjula. Pero sepuede dar el caso inverso?, es decir, un campo magntico puede producir unacorriente elctrica?

HIPTESIS:



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MATERIAL:

3 metros de alambre magneto del nmero 22 1 imn de barra

1 microampermetro hilo

PROCEDIMIENTO:

I. Monta el siguiente dispositivo (enrolla el alambre como se indica para formar unabobina):

Figura 26.

Realiza lo siguiente:

1. Introduce el imn con el polo norte hacia la bobina, observa la aguja delmicroampermetro y anota lo que sucede:

2. Amarra el imn a un hilo y colcalo sobre la bobina, hacindolo girar. Qu seobserva?

3. Describe de qu depende el sentido de la corriente elctrica:


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Veamos lo siguiente. Una carga qque entra con una velocidad en forma perpendicular(V ) a un campo magntico, recibiendo una fuerza magntica tambin perpendicular,se observara como en la figura 27.

Figura 27.

Ahora, si en lugar de la carga se usa un conductor con una corriente elctrica, el cablegenera una fuerza magntica, y se observara de la siguiente forma:

Figura 28.

La fuerza magntica con la cual sale la partcula se calcula con la expresin:

FM= BVq

q : Valor de la carga

V : Velocidad de la partculaque entra en formaperpendicular

B : Intensidad del campomagntico

FM: Fuerza magntica


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donde se despeja la induccin (B) y obtenemos:

De aqu que: La induccin (B) en un punto de un campo magntico mide la fuerza querecibe la unidad de carga que en ese punto se mueve perpendicular al campo con unavelocidad determinada.

Se ha demostrado que las cargas en movimiento producen campos magnticos. Esto sepuede observar cuando por un cable recto se hace pasar una corriente elctricahabiendo colocado una cartulina que atraviesa el cable, en el cual se ha agregadolimadura de hierro, con la que se distingue la formacin de crculos ( figura 29).

Figura 29. Campo magntico que se forma alrededor de un alambre. Las lneas de fuerza son loscrculos concntricos al alambre, que se encuentran en un plano perpendicular a l.

Cuando en lugar de limadura de hierro se colocan brjulas, las agujas se orientan de talmanera que indican las lneas del campo magntico. En este fenmeno si se cambia ladireccin de la corriente, las brjulas describen un giro completo, lo que hace vertambin que cambia la direccin del campo magntico.

Cuando se desea aumentar el campo magntico se aumenta el nmero de vueltas(espiras) en el conductor (bobina). (Ver figura 30).

qVFB M

=


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A continuacin se hace el desarrollo matemtico de una partcula que entra en formaperpendicular y es extrapolada a un conductor con corriente elctrica.

Esta fuerza magntica para una partcula se evala con el siguiente modelo matemtico:

F=qVB. Para un cablet

LV .

Este desarrollo permite observar que el conductor por donde pasa la corriente se muevedentro de un campo magnticocuya intensidad es B. El alambre es empujado por unafuerza lateral por efecto de la interaccin de los campos. Para demostrar la existencia deesta fuerza lateral es necesario hacer la Actividad Experimental No. 7, llamada columpiode Ampere(figura 34), donde observars la fuerza que empuja al columpio.

3) La carga entra en formaparalela a las lneas delcampo magntico, sinproducir fuerza alguna.

Figura 33.

LIBLBt

q

Bt

L

qF ===

F = BIL

2) En forma inclinada,donde la partcula generaun movimiento helicoidalcomo sucede en los

anillos de Van Allen.

Figura 32.

q : Valor de la carga (coulombio)V : Velocidad de la partcula que

entra en forma perpendicular

seg

m

B : Intensidad del campo magntico

I : Intensidad

L : Longitud del conductor


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Figura 34. Columpio de Ampere. Cuando pasa la corriente por el columpio, ste se muevehacia delante. (Tomado de Velasco Oyarzbal Flix. Lecciones de Fsica. Compaa Editorial

Continental , Mxico, 1977, pg. 401).

COLUMPIO DE AMPERE

OBJETIVO:

El estudiante demostrar la existencia de una fuerza lateral, por medio de la induccin.

PROBLEMATIZACIN:

Por qu se mueven los conductores con corriente elctrica cuando se sumergen en uncampo magntico?

HIPTESIS:



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MATERIAL:

imn potente en forma de U

una pila de 9 volts* 2 m de alambre conductor # 12 1 m de alambre conductor #14

* Material que debe proporcionar el estudiante.

PROCEDIMIENTO:

I. Monta un marco rgido de alambre del No. 12, sin forro, de tal manera que loconectes a una pila de 9 volts y haya un interruptor en el circuito. El otro marco debetener menos rigidez, que logras usando alambre del No.14, ste formar el columpio.

Montado el aparato, el columpio de Ampere, se conecta al interruptor. Observa elmovimiento del columpio.

II. Repite el ejercicio anterior colocando varias espiras (vueltas del alambre) enel

columpio, observa y compara la fuerza del mismo.

Como se apunt anteriormente, al aumentar el nmero de vueltas, aumenta la fuerzamagntica. Para calcular esta fuerza el modelo es el siguiente:

Para entender mejor la utilizacin de la frmula anterior se ha seleccionado el siguienteproblema:

a) Un conductor lleva 3a; al ser colocado entre los polos de un imn de herraduraqueda 2 cm sumergido perpendicularmente en un campo uniforme de 200 G Qufuerza recibe el alambre?

F = BILN

F : Fuerza (N) (Newton)

B : Induccin magntica (Tesla, Gauss)

I : Intensidad (amp)

L : Longitud (m)

N : Nmero de vueltas (espiras)


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Frmula F = BILN

Con el modelo de la fuerza magntica se puede calcular la induccin de la expresinF=BIL, quedando

IL

FB= , y sustituyendo las unidades:

mA

N

mS

CN

B

=

= AS

CI ==

y as la Induccin magntica (B) es

=

=mA

NB Tesla.

La induccin magntica T = 104Gauss.

La unidad de induccin magntica es la tesla. Pero qu es la tesla? La induccin en unpunto de un campo magntico ser de 1teslacuando una carga de 1 coulomb pasa poruna corriente de 1 amper.

1.2.2 LEYES DE LA INDUCCIN MAGNTICA

Leyes de FaradaySe habl de que el descubrimiento de las corrientes elctricas inducidas aparecen por elao 1831, cuando Michael Faraday realizaba este tipo de experimentos dondeintroduca un imn recto dentro de una bobina, encontrando que se generaba unacorriente elctrica inducida que registraba por medio de un galvanmetro.

Datos

B =G10

T1G200

4

B = 2 x 102 x 10-4T=2 x 10-2T

L = 2 cmcm100

m1= 0.02 m

I = 3 a (amperes)

F= ?

Modelo

F = BILN 1T = 104 G1G = 10-4T

Tesla (T)Gauss (G)

Sustitucin

F = 2 x 10-2 T x 3a x 2 x 10-2mF = 1.2 x 10-03 N

T = 2 x 10- 0.02 (Tesla)


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As se muestra que cuando se introduce el polo norte, la aguja se desva hacia laderecha; y cuando se saca el imn, la aguja se desva hacia la izquierda. Si se mete elpolo sur del imn la aguja se desva hacia la izquierda y si se saca se desva hacia la

derecha. Pero cmo se produce la corriente? Es una pregunta que se haca desdemucho tiempo atrs , y la respuesta fue contestada argumentando que el movimientorelativo de la bobina y el imn es lo que produce la corriente, ya sea si se mueve labobina o el imn solo, o si se mueven ambos.

De hecho existe corriente inducida cuando el campo magntico es variable, un ejemplosencillo es el que muestra la siguiente figura:

Figura 35.

El alambre se mueve en el sentido que marca la F en la figura, registrndose unacorriente en los extremos, indicada por el galvanmetro G..

El fenmeno de la induccin electromagntica se puede resumir en un

enunciadoconocido como la ley de Faraday:

El voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del nmero de espiras y aLa razn de cambio del campo magntico dentro de dichas espiras.

Como se vio anteriormente, un campo magntico se representa por medio de lneasmagnticas cuya direccin y sentido estn dados por la direccin que toma una brjula ypor el sentido en que apunta su polo norte. Adems, hay que sealar que el nmero delneas magnticas que atraviesan perpendicularmente a la unidad de rea esproporcional a la induccin magntica, esto nos lleva a dos conceptos importantes:Flujo magntico: Es el nmero de lneas del campo magntico.

Densidad: Es el flujo que atraviesa perpendicular a la unidad de reaA

B = .


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Compara esta definicin con la de induccin magntica en un campo magntico queahora se llama densidad de flujo.

Figura 36. Flujo magntico, donde A es perpendicular a las lneas magnticas. (Tomado de VelascoOyarzbal Flix. Lecciones de Fsica. Compaa Editorial Continental, Mxico, 1977, pg. 409).

Sabemos que la densidad de flujo B se define como la relacin del flujo entre el rea:

AB

= .

Para poder generalizar este concepto resumiremos las propiedades de las lneas defuerza magntica, que son:

Un campo magntico se puederepresentar por medio de lneasde fuerza magntica.

El campo magntico es msintenso donde las lneasmagnticas estn ms juntas, ydbil cuando estn msseparadas (figura 37-a).

a) El campo magntico es intenso donde laslneas estn ms juntas, y dbil si estn msseparadas.

La induccin magntica B esproporcional al nmero delneas de fuerza que atraviesa

la unidad de rea colocadaperpendicular a las lneas(figura 37-b).B=Nmero de lneas reaperpendicular. b)La induccin magntica B es proporcional al

nmero de lneas magnticas.

Las unidades son:

Flujo : Weber = Tm (unidadde flujo magntico)

1T = 1046- 1T = 104Gauss (G)

T = Tesla

Flujo magntico B =A

Densidad = Nmero de lneaspor rea (m2)


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Se llama flujo magntico atravs de un rea A al nmerode lneas de fuerza que la

atraviesan (figura 37-c).

c) El flujo magntico a travs del rea A esigual al nmero de lneas que lo atraviesan

Si la espira est paralela a laslneas de fuerza, ninguna lneala atraviesa y el flujo es cero(figura 37-d). Si la espira estperpendicular al campo,entonces la atraviesa el nmeromximo de lneas y el flujo esmximo.

d)Si la espira est paralela a las lneas defuerza, el flujo es cero.

Detalles de la Ley de Faraday

Faraday introduca un imn en una bobina y observaba en un galvanmetro lo siguiente:

Al acercar el imn la aguja se deflecta hacia un lado; al alejarlo se deflecta en sentidocontrario (figura 38).

El sentido de la deflexin inicial depende de si se acerca el imn por el polo norte osur.

Mientras ms rpido es el movimiento del imn mayor es el voltaje inducido (figura39).

.

Figura 37. (Tomado de Velasco Oyarzbal Flix. Lecciones deFsica. Compaa Editorial Continental,Mxico, 1977 ).


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Mientras ms potente es el imn mayor es el voltaje inducido, esto suponiendo quelos imanes se mueven con la misma velocidad.

De acuerdo con los experimentos se llega a la cuantificacin de la F.E.M.,donde:

t.M.E.F if = F.E.M. = Fuerza electromotriz.

La fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidezcon que cambia el flujo magntico que encierra.

Fuerza electromotriz en un conductor

Anteriormente se demostr B que una carga q que entra en forma Vperpendicular aun campo magntico B es empujada con una fuerza F y su modelo matemtico esF=q VB. Si la ecuacin anterior la multiplicamos por la distancia se obtiene el trabajopor la unidad de carga.

BLVq

LF

=

donde =

q

LF

F.E.M., entonces F.E.M. = VBL por unidad de carga.

Esta expresin nos sirve para calcular la diferencia de voltaje cuando se mueve elconductor que corta las lneas del campo magntico y en los extremos del alambreaparece la F.E.M., o sea el trabajo realizado por unidad de carga sobre las cargaselctricas en esta seccin del conductor mvil.

Figura 38. Figura 39.


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UNIDADES. En el Sistema Internacional de Unidades (S.I.U.) la induccin

electromagntica (B) est dada en Bm

*Weber2

= s

mV= L=m

Y as la F.E.M. = (m)Lm

(Wb)WeberB

s

mV

2===

= (V)Volt=seg

Weber=.M.E.F

Fuerza electromotriz en una bobina

En este caso se muestra que un lazo de conductor se encuentra sumergido en uncampo magntico donde Faraday observ que:

La fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidezcon que cambia el flujo magntico.

La expresin matemtica es:

E =t

-N if

f: Flujo finali: Flujo inicialE: Fuerza electromotriz inducida en volts (V)t: tiempo (seg)N: nmero de vueltas (espiras)

A continuacin tenemos un ejemplo donde se aplica el modelo matemtico de Faraday yla ecuacin de flujo magntico.

Et

N if

= = B A

a) Una bobina de 500 vueltas con una resistencia de 10 y con un rea de 40 cm2esatravesada, normalmente, por un campo magntico que en centsimos (10-2seg) desegundo cambia de 1000 G a 1000 G. Calcular: Flujos magnticos.

El Weber es una unidad de flujo magntico de una tesla en un metro cuadrado, pero como es una unidad muy grandese emplea otra unidad de flujo que es el Maxwell, donde 1 Wb=108 Maxwell (Mx).

unidadesWeber

(Wb)


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F.E.M. E( )

2-2-

3-3if

10

4000.004-

seg10

Wb10x4-Wb10x4-500

t

-N ==

=

= -40000.04 = -40 V

E= -40 (V)

Es interesante recordar que en los experimentos de Faraday cuando un imn esintroducido en una bobina se genera una corriente, y ahora la bobina funciona como sifuera un imn, cuyos polos se determinan de acuerdo con la regla de la mano derecha(que se explica enseguida). Estos polos inducidos siempre se oponen al acercamientodel imn, por ejemplo cuando se introduce el polo norte, se genera en la bobina un polonorte, y cuando se aleja, un polo sur.

Regla de la mano derecha para una bobina:

Se toma la bobina con la mano derecha hacia enfrente de la cara, los dedos indican ladireccin de la corriente, y el dedo pulgar extendido hacia la derecha indica las lneas delcampo magntico.

Ley de Lenz

El anterior descubrimiento se le atribuye a Lenz, que en su ley dice:

La corriente inducida tiene un sentido tal que se opone a la causa que la produce.La expresin para calcular la F.E.M. en una bobina como se vio anteriormente es:

Datos

1T = 104 GBi= 1000 G = 10

-1TBf = -1000 G = -10-1T

A = 40 cm = 4 x 10-03m= ?

Sustitucin

i= 10-1T x 4 x 10-3m2= 4 x10-3Wb

f= -10-1T x 4 x 10-3 m2=-4 x 10-3Wb

entonces asWb = T m2

Modelo

= B A


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E= BLVN

E: Induccin en t

L : Largo del conductor en m

V : Velocidad con la que se mueve el conductor

N : Nmero de vueltas (espiras)

E: F.E.M. inducida en volt

Por definicin : La F.E.M. inducida es directamente proporcional a la induccinmagntica del campo, a lo largo del conductor comprendido en el campo y a la velocidad

con que se mueve.

A continuacin se plantea un problema donde se aplica esta expresin:

a) Un conductor se mueve a 50s

cm hacia el norte perpendicularmente a un campo

magntico de 10 cm de ancho, cuyo valor es de 1000 G y cuyo sentido es de arribahacia abajo. Calcular la F.E.M. inducida.

Qu sentido tiene la corriente?

Para contestar esta pregunta se utiliza la regla de mano derechaque dice:

Se extienden perpendicularmente entre s los 3 primeros dedos de la mano derecha: El

ndice seala el sentido de la induccin, el cordial el sentido de la corriente y el pulgar elmovimiento. Observa la figura:

Datos

B = 1000 G = 0.1 WbL = 10 cm = 0.1 m

V = 50s

cm= 0.5

s

m

N = 1

Modelo

F.E.M. = BLVN

Sustitucin

0.1 Wb x 0.1 m 0.5 m/s x 1= 5 x 10-3voltas la F.E.M. = 5 x 10-3volt (V)


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Figura 40. Conductor movindose hacia adelante en un campo magntico. (Tomado de VelascoOyarzbal Flix. Lecciones de Fsica. Compaa Editorial Continental, Mxico, 1977, pg. 412).

1.2.3 GENERADOR ELCTRICO

Una de las aplicaciones ms importantes de la induccin magntica se observa en elavance tecnolgico dentro del mbito industrial por la aplicacin de dos dispositivos, queson el generadory el motor elctrico.

El generador elctrico convierte la energa mecnica de rotacin en energa elctrica,

este dispositivo elctrico consta de un imn o electroimn fijo y un tambor giratorio conbobinas en su permetro, representadas por gruesos alambres aislados y pelados en losextremos, donde se hace contacto elctrico con las escobillas, quienes conducen lacorriente al exterior, la cual se observa cuando se coloca una bombilla que enciende(figura 41).

En un aparato para demostrar esta experiencia de tipo escolar, el eje central nosconecta mecnicamente a una manivela donde el operador la hace girar violentamente yse observa que la lmpara enciende. Una forma alternativa del generador es elalternador, que se utiliza en el encendido de los automviles, en este caso se tienenunos diodos montados que permiten que la corriente se dirija en un solo sentido. Esmuy comn que gente inexperta conecte la bateracon lospolosal revs y queme losdiodosdel alternador.

Es interesante decir que existen generadores de corriente alterna y directa, para ello seutilizan los conmutados, que no son ms que anillos en los extremos del eje principal delbarril que gira en medio del generador de los electroimanes.


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Figura 41. Generador elctrico. El sentido de la corriente inducida en el tramo a-blo da la regla de la manoderecha. (Tomado de Velasco Oyarzbal Flix. Lecciones de Fsica. Compaa Editorial Continental, Mxico,

1977, pg. 413).

A continuacin se muestran las fases de la espira con diferentes posiciones al darvuelta.

Figura 42. Generador de corriente alterna. (Tomado de Velasco Oyarzbal Flix.Lecciones de Fsica.Compaa Editorial Continental, Mxico, 1977, pag. 413 ).


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1.2.4 MOTOR ELCTRICO

El motor elctrico es un dispositivo elctrico que convierte la energa elctrica enmecnica, podemos decir que un motor de corriente directa est formado por una bobinaque se encuentra entre los polos de un imn.

Como se apunt anteriormente en los principios de la induccin, al circular una corrienteelctrica en la bobina sta adquiere un campo magntico y acta como un imn, cuyospolos se determinan por la regla de la mano derecha, y al interaccionar con los polos delimn produce un movimiento de tipo rotatorio, debido a la fuerza que hay entre los doscampos magnticos.

Tanto el motor de C.D. como el de C.A. se basan en lo siguiente:

Electroimn,que es el inductor o estatorfijo y el circuito elctrico que gira alrededor de

un eje, que recibe el nombre de inducido o rotor. En la parte operacional a un motor se leanexa una bomba que es muy utilizada en la industria.

1.2.5 TRANSFORMADORES

El transformador es un dispositivo elctrico que est formado por dos bobinas montadassobre un ncleo de lminas, el transformador industrial es enfriado por algn lquidocomo aceite; por tener alto voltaje ste se altera por cortos elctricos cuando haceviento, o bien intenso trabajo; quizs hayas observado esto en tu casa durante laausencia de energa debido a un corto del transformador de la alimentacin elctrica.

El modelo matemtico que rige la relacin de la F.E.M. y el nmero de vueltases:

2

1

2

1

N

N

E

E=

En un transformador las fuerzas electromagnticas son directamente proporcionalesal nmero de vueltas de la bobina.

Otra manera de ver el transformador es por el concepto de potencia elctrica donde sta

es igual en el primario como en el secundario. La expresin matemtica queda:1

2

2

1

I

I

=

donde se observa que en un transformador las intensidades son inversamenteproporcionales a las fuerzas electromotrices.

Veamos un ejemplo:

a) Un transformador tiene una potencia de 40 watts, 1000 vueltas en el primario y15000 en el secundario. El primario se conecta a un voltaje de la lnea dealimentacin de 125 volt.


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Se desea calcular:

La intensidad de la corriente en el primario.

a0.32Ia0.32V125

W40

V

PI 11 ====

El voltaje en el secundario.

despeje

1

212 N

N=

La intensidad de la corriente en el secundario.

Los transformadores tienen como funcin bajar o subir el voltaje dependiendo de lascaractersticas del primario y del secundario, que estn en funcin del nmero de vueltasde las bobinas.

Datos

1= 125 VN1= 1000N2= 150002= (?)

Datos

P = 40 watt1= 125 VI1= ?

Modelo

2

1

2

1

N

N=

Modelo

P = VI

2 18751000

15000xV125=

2= 1875 V

Datos

P = 40 watt2= 1875 VI2= ?

Modelo

P = I22

I2=V1875

W40P

2

=

I2= 0.0213 amperes (a) y en miliamperes (ma)

= 21.33 (ma)


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Realiza la siguiente actividad.

TRANSFORMADORES

OBJETIVO:

Demostrar la relacin de las variables voltaje (V)e intensidad (I).

PROBLEMATIZACIN:

Existen radios que necesitan utilizar un transformador para conectarlos a 125 V. Porqu?

HIPTESIS:

MATERIAL:

2 bobinas de 500 espiras 1 bobina de 1000,3000 espiras fuente de voltaje fuente de poder

PROCEDIMIENTO:

Monta el dispositivo de la siguiente figura:



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Figura 43.

1. Conectar la bobina al galvanmetro y posteriormente introducir el imn del polonorte

y observar la aguja del galvanmetro.

2. Conectar la bobina al galvanmetro y otra paralela conectada a una pila de 6volt.

Observa el galvanmetro.

3. Conectar la bobina a un galvanmetro y hacerla girar con violencia sobre sueje

vertical para observar el cambio de flujo.

Ahora realiza lo siguiente:

Conecta la fuente de poder para poner el indicador de 3 volt con dos bobinas de 500espiras en el ncleo de hierro dulce.

Determina el voltaje e intensidad de entrada y salida.

Reemplaza la bobina del secundario por una de 3000 espiras.

Determina las potencias de entrada y de salida.

Cambia el tipo de C.A. a C.D.

V 1= V2=

I1= I2 =


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CONCLUSIONES:

Observa el siguiente esquema que muestra los conceptos ms importantes del tema queacabas de estudiar.

EXPLICACIN INTEGRADORA

son

INDUCCINMAGNTICA

ANTECEDENTES TRANSFORMADORESGENERADORELCTRICO

LEYES DE LAINDUCCINMAGNTICA

MOTOR ELCTRICO

FARADAY

comprende

LENZ


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El siguiente esquema muestra los puntos centrales del contenido del fascculo.

CORRIENTEELCTRICA

FUENTES DE

ENERGA

INDUCCINMAGNTICA

POTENCIA

VOLTAJE CIRCUITOS ENSERIE Y ENPARALELO

CIRCUITOELCTRICO

SIMPLE

INTENSIDAD RESISTENCIA

LEY DEOHM

comprende

incluye

comprende

ANTECEDENTES TRANSFORMADORES

LEYES DE LAINDUCCINMAGNTICA

MOTORELCTRICO

GENERADORELCTRICO

RECAPITULACIN


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Para que confirmes lo aprendido en este fascculo, resuelve lo siguiente:

1. Explica la diferencia entre resistencia en serie y en paralelo.

2. Cul es la diferencia entre un conductor hmico y uno no hmico?

3. Cul es el modelo matemtico de la potencia elctrica?

4. En qu tipo de arreglo de resistencia la relacin de la potencia y la intensidad de lacorriente es una constante?

5. Cul es el modelo de la relacin de la fuerza elctrica y la carga, cuando sta entraa un campo magntico?

6. Quin descubri que una carga en movimiento genera un campo magntico?

7. Un campo magntico variable que se puede cortar por medio de un conductorpodra generar una corriente elctrica? Explica.

8. Para qu sirve la regla de la mano izquierda?

9. Explica las partes principales de un motor y de un generador.

10. Explica brevemente cmo funciona un transformador.

11. Segn Oersted una corriente elctrica produce un campo magntico. Puedesuceder el caso contrario?

12. Tiene influencia la direccin de la corriente cuando un imn entra o sale de unabobina?

13. Una espira circular de alambre con un radio de 5 cm se halla en un campo uniformemagntico de 6 x 10-4T. Cul ser el flujo a travs de l si su plano es...

a) Perpendicular

b) Paralelo al campo

14. De qu depende la magnitud del voltaje inducido?

15. Escribe el modelo cuando el voltaje inducido en una bobina es proporcional alproducto del nmero de espiras y la razn de cambio del campo magntico dentrode dichas espiras.

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIN


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Compara tus respuestas con las que te presentamos enseguida y as verificars tu nivelde aprendizaje.

1. El primero es el dispositivo que se conecta en un circuito elctrico, donde la corrienteentra por un punto (positivo) y sale por el otro extremo (negativo), llamndoseconexin en serie. En paralelo los dispositivos resistivos se conectan en el circuitocon este arreglo, donde la corriente y la direccin es paralela, permitiendo en casode interrupcin que la corriente siga fluyendo en las dems ramas.

2. El primero sigue la ley de Ohm V = RI y el segundo en un punto determinado se

aparta de dicha ley.

3. P = VI

4. En paralelo.

5. F = qVB

6. Oersted.

7. S, se puede generar una corriente elctrica como en los experimentos de Faraday.

8. Sirve para determinar la direccin que toman las lneas de fuerza alrededor de un

alambre conductor. Conociendo la direccin de la corriente donde los electronesfluyen del polo negativo al polo positivo, se toma el conductor con la mano izquierda,donde el dedo pulgar apunta hacia donde pasa la corriente y los dedos apuntan enforma concntrica las lneas del campo magntico.

9. El motor se compone de bobina fija, imn giratorio.

El generador tiene bobinas, escobillas, conmutador, electroimanes.

10. Es un embobinado sobre ncleo de hierro (lmina de hierro), donde enelprimario (bobina) entra corriente y sale en el secundario con diferente

voltajeque en el primario.

11. S, se explica con las leyes de Faraday y Lenz.

12. S, en el cambio de la corriente que se nota en el galvanmetro.

AUTOEVALUACIN


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13. = BA = 6 x 10-4T x 3.1416 x 25 x 10-4

a) r2= 3.1416 [5 x 10-2]-2b) = 47 x 10-8T

14. Del nmero de vueltas en la bobina.

15. E=12

12

tt

N


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80

USO DEL MULTMETRO

MEDICIN DE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE DIRECTA

1. Inserta los extremos de los cables de prueba en las terminales V- -A y COM delmultmetro.

2. Coloca el selector en el rango deseado para medir DC mA.3. Monta un circuito simple con una pila, una resistencia, un interruptor y el multmetro

como se muestra en la figura.4. Haz la lectura en el multmetro de la intensidad de la corriente que circula por el

circuito.

Nota:Observa en la figura que para medir corrientes la conexin del multmetro es en serie con el circuito.

Tomado de Prez Montiel, Hctor. Fsica Experimental. Publicaciones Cultural, Mxico, 1992, pgs. 22-24.

ANEXO


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MEDICIN DE RESISTENCIAS

1. Inserta los extremos de los cables de prueba en las terminales V- -A y COM delmultmetro.

2. Adopta en corto las puntas de los cables de prueba, para ello une las dos puntasentre s.

3. Ajusta la aguja indicadora a cero, moviendo la perilla que dice ADJ.

4. Coloca el selector en el rango deseado.

5. Coloca las puntas en los extremos de la resistencia que deseas medir.

6. Efecta la lectura en ohms en la escala correspondiente y multiplica el valor de lalectura por el factor marcado en la posicin en que se coloc el selector.

7. Mide varias resistencias, una por una, y con base en su valor haz conexiones de ellasen serie y en paralelo. Compara el valor medido en el multmetro con el valorcalculado por ti, para ello aplica las frmulas respectivas vistas en el fascculo.

Fisica 3 Completo

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