CUADERNILLO DE CONTENIDOS Y EJERCICIOS PARA FÍSICA DE 5TO AÑO

Programa de la materia

Electrostática:

La electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Las fuerzas eléctricas provienen de partículas interiores a los átomos. El átomo contiene un núcleo de protones (carga positiva) al cual lo orbitan electrones. Los protones atraen a los electrones, pero los electrones se repelen entre sí. Esta propiedad de repulsión se denomina carga. Por convención, los electrones son de carga negativa y los protones son de carga positiva.

- Todo átomo tiene un núcleo de carga positiva (protones y neutrones) que está rodeado de electrones, de carga negativa

- Todos los electrones son idénticos y tiene la misma cantidad de carga negativa. - El protón tiene una masa 2000 veces mayor al neutrón.

¿Qué es el coulomb?

El culombio o coulomb (símbolo C) es la unidad derivada del sistema internacional para la medida de la magnitud física cantidad de electricidad (carga eléctrica). Nombrada en honor del físico francés Charles-Augustin de Coulomb.

Se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.

Temas Contenidos

FUERZAS ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS

La fuerza eléctrica, ley de Coulomb.Los materiales frente a la electricidad.La fuerza magnética. Imánes naturales. Los materiales frente al magnetismo.

CORRIENTES Y EFECTOS Conducción de la corriente. Circuitos eléctricos. Ley de Ohm, Efectos de la corriente eléctrica: ley de Joule.

FENOMENOS ELECTROMAGNÉTICOS

Interacciones electromagnéticas. Ley de Faraday. Motores y generadores. Campos y ondas electromagnéticas. El espectro electromagnético

LA PROPAGACIÓN DE LA LUZ

Ley de coulomb:

La fuerza de atracción entre 2 partículas cargadas es directamente proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

1 coulomb equivale a la carga de 6.25 x 10 a la 18 electrones

F = k x Q1 x Q2

D2

Fuerza Eléctrica:

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen y de distinto signo se atraen

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

Q1 y Q2 : valor de las cargas 1 y 2

d: distancia de separación de las cargas

Fe: fuerza eléctrica

K: constante que depende del medio en el cual se encuentran las cargas.

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

Dirección de la fuerza eléctrica: Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas.

Sentido de la fuerza eléctrica: El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

Fuerzas originadas por varias cargas sobre otra: Si se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas).

Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.

Carga eléctrica: La materia se compone de 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 las órbitas más alejadas (electrones libres) 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.

La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10-19 culombios y es conocida como carga elemental.[5] El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto.[6]

Por ejemplo cuando se frotan dos materiales distintos como plástico y vidrio ocurre eso con muchos de sus átomos, liberan y aceptan electrones, por lo tanto uno de los materiales queda cargado positivamente (sus átomos liberaron electrones) y el otro negativamente (con más electrones).

Conductores y aisladores:

Los materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de cargas eléctricas.

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.

Aisladores: Los aisladores 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 mayor dificultad que los elementos conductores..

Carga por fricción y por contacto: Si en un cuerpo, algunos átomos tienen exceso de electrones, estará cargado negativamente, pero si le faltan electrones, estará cargado positivamente.

Carga por fricción: La fricción tiene ciertos efectos eléctricos los cuales ya conocemos; algunos ejemplos se presentan cuando acariciamos un gato, cuando nos peinamos (si lo hiciéramos a oscuras podríamos ver y oír las chispas eléctricas), cuando nos deslizamos sobre la cubierta de plástico del asiento de un automóvil estacionado, etc. En estos casos y muchos otros que no mencionamos se transfieren electrones por fricción cuando un material roza con otro, lo que se conoce como carga por fricción.

Que cuerpo queda cargado positivo o negativo, depende de los materiales que se estén frotando.

Ejemplo: Varilla de vidrio se frota con un paño de lana: la lana le arranca electrones superficiales al vidrio, por lo tanto, la varilla queda cargada positivamente y la lana negativamente.

Carga por contacto: Se puede transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Cuando ponemos una barra cargada en contacto con un objeto neutro se transfiere una parte de la carga a éste. Este método de carga se conoce simplemente como carga por contacto. Si el objeto es buen conductor la carga se distribuye en toda su superficie porque las cargas iguales se repelen entre sí. Si se trata de un mal conductor puede ser necesario tocar con la barra varias partes del objeto para obtener una distribución de carga más o menos uniforme.

Ejemplo: la pantalla del televisor se carga electrostáticamente. Cuando se pasa la mano cerca de la misma, parte de esas cargas pasan al cuerpo, dando la sensación de cosquilleo.

Segundo principio de la Electrostática: Cualquiera de las formas de cargar eléctricamente un cuerpo se debe, o bien al pasaje de cargas de un cuerpo a otro, o bien a la reorganización de estas dentro del cuerpo, pero nunca hay creación ni destrucción de cargas. En todos los casos, la cantidad total de carga permanece constante.

El segundo principio de la electrostática, también llamado Principio de conservación de la carga eléctrica enuncia este hecho: “En un sistema eléctricamente aislado, la suma algebraica de las cargas eléctricas permanece constante”

Caso práctico de lo visto hasta ahora: Capacitor

Un capacitor o condensador es un dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico, que sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad, y en el Sistema Internacional de Unidades se mide en Faradios (F), siendo un faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio

Ejercicios de electrostática:Problema 1: Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = + 1 x 10-6 C. y q2 = + 2,5 x 10-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.Las cargas son positivas.

Problema 2: Calcular la fuerza que produce una carga de 10 μ C sobre otra de 20 μ Cuando esta última se encuentra ubicada, respecto de la primera, a:

a) 1 cm., b) 2 cm., c) 0,1 cm.

Desarrollo

Datos:

q1 = 10 μ C = 1.10-5 C q2 = 20 μ C = 2.10-5 C xa = 1 cm = 10-2 m xb = 2 cm = 2.10-2 m xc = 0,1 cm = 10-³ m

a) Fa = k.q1.q2/xa ²

Fa = 9.109 (Nm ²/C ²).1.10-5 C.2.10-5 C/(10-2 m) ²

Fa = 18.10-1 (Nm ²/C ²).C ²/10-4 m ²

Fa = 18.10³ N o también Fa = 1,8.104 N

b) Fb = k.q1.q2/xb ²

Fb = 9.109 (Nm ²/C ²).1.10-5 C.2.10-5 C/(2.10-2 m) ²

Fb = 18.10-1 (Nm ²/C ²).C ²/4.10-4 m ²

Fb = 4,5.10³ N o también Fb = 4,5.10³ N

c) Fc = k.q1.q2/xc ²

Fc = 9.109 (Nm ²/C ²).1.10-5 C.2.10-5 C/(10-³ m) ²

Fc = 18.10-1 (Nm ²/C ²).C ²/10-6 m ²

Fc = 18.105 N

Problema 3: Una bola de médula de sauco, A, tiene una carga de 40 μ C y está suspendida a 6 cm de otra bola, B, que ejerce una fuerza de 500 N sobre la carga A, ¿cuál es la carga de la bola B ?.

Datos:

qA = 40 μ C = 4.10-5 C

r = 6 cm = 6.10-2 m

F = 500 N = 5.10 ² N

F = k.qA.qB/r ²

qB = F.r ²/ k.qA

qB = 5.10 ² N.(6.10-2 m) ²/9.109 (Nm ²/C ²).4.10-5 C

qB = 5.10-2 N.36.10-4 m ²/36 (Nm ²/C ²).C

qB = 5.10-6 C

Determinar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y justificar:

Solo es posible cargar eléctricamente a los materiales conductores f

Un cuerpo con exceso de electrones está cargado en forma negativa v

La ley de Coulomb postula que la masa es equivalente a la carga eléctrica f

Siempre que se acerque una carga otra , su energía potencial disminuye f

Potencial eléctrico / campo eléctrico:

El concepto físico de campoLas cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático.

El campo eléctrico tiene magnitud como dirección. Su intensidad puede medirse por el efecto que produce sobre las cargas que se encuentran en su dominio.

Por convención, la dirección del campo eléctrico en un punto cualquiera es la dirección de la fuerza eléctrica que se ejerce sobre una pequeña carga de prueba positiva ubicada en el punto considerado

a) Campo eléctrico creado por una carga positiva

b) Campo eléctrico creado por un dipolo (carga positiva y negativa)

c) Campo eléctrico creado por un capacitor

Líneas de fuerza: Son aquellas líneas trazadas en un campo eléctrico de un área cargada eléctricamente de tal modo que sean tangentes a ella en cada punto. Cabe destacar las siguientes propiedades de las líneas de fuerza:

* No hay línea de fuerza que empiece o termine en el espacio que rodea las cargas.* Todas las líneas de fuerza divergen radialmente a partir de las cargas positivas, mientras que convergen radialmente hacia las cargas negativas.* Las líneas de fuerza nunca se cruzan.* Intensidad del campo eléctrico: Es igual al cociente de dividirla fuerza (F) que recibe la carga de prueba entre su valor (q2), cuando la carga de prueba se coloca en el punto considerado.

Potencial eléctrico:

Es posible caracterizar a cada punto del campo eléctrico mediante un valor numérico que este relacionado con las variaciones de energía que experimenta una carga, al pasar de un punto a otro. Para ello, se define la diferencia de potencial entre 2 puntos del campo eléctrico como el cociente entre la variación de energía potencial experimentada por una carga POSITIVA al pasar de un punto a otro y el valor de dicha carga

Variación V = Variación de energía potencial eléctrica / carga

Volt = joule / coulomb

Esta diferencia de potencial es escalar y no depende de las cargas. Solo depende de los puntos de los cuales estemos hablando.

Si tomamos como referencia un punto muy lejano en el infinito, le asignamos un valor cero. Es decir, cuando se dice que el potencial de un punto es 100 V , se toma como referencia ese punto en el infinito.

Ejemplo de problema de aplicación:

Calcular la diferencia de potencial que se genera entre una carga puntual de 6.2x10-9 C que se desplaza con una fuerza de 67 N y la distancia es de 2 cm.En este tipo de problemas hay que calcular el trabajo.

W = F x d = (67 N) (0.02 m) = 1.34 J

Se determina la diferencia de potencial tomando en cuenta que parte de un punto cero la carga.

V=W/q=1.34 J/6.2x10-9 C=2.16x108 V

Ley de Ohm:

Definición de corriente: corriente es un adjetivo que permite nombrar a aquel o aquello que corre. El término puede aplicarse al paso del tiempo para nombrar al momento actual o al que va transcurriendo. Por ejemplo: “El gobierno prometió una solución definitiva en el transcurso del corriente mes”, “El corriente año refleja un mejor desempeño financiero de la compañía”.

Lo sabido o admitido comúnmente, aquello que no tiene estorbo para su uso o lo que sucede con frecuencia también se conoce como corriente: “Esta es una máquina corriente, no creo que tengas problemas para utilizarla”, “Me compré una campera común y corriente, pero la verdad que la necesitaba para no sufrir con las bajas temperaturas”, “Es algo corriente ver peleas por las noches en este barrio”.

La corriente eléctrica, por otra parte, es una magnitud física que refleja la cantidad de electricidad que, en una unidad de tiempo, fluye por un conductor. Este flujo de cargas eléctricas se mide en amperios, de acuerdo al Sistema Internacional.

Es posible distinguir entre la corriente continua (la corriente eléctrica que fluye en un mismo sentido) y la corriente alterna (que invierte el sentido de su movimiento según una cierta frecuencia periódica).

Definición de tensión o voltaje: La tensión eléctrica o diferencia de potencial1 2 ) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.

Definición de resistencia: Se le llama resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones para desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre. La resistencia está dada por la siguiente fórmula:

En donde

ρ : coeficiente de resistividad del material

l: longitud del conductor

S: sección o área del conductor

Ley de Ohm : establece que "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente fórmula o ecuación:

I = V / R

I = Intensidad en amperios (A)

V = Diferencia de potencial en voltios (V)

R = Resistencia en ohmios (Ω).

Analogía hidráulica de la ley de Ohm

Suele usarse una analogía para entender de forma sencilla e intuitiva los conceptos básicos de electricidad. Se supone un camino cerrado de tuberías en forma de circulo, compuesto por:

1. Agua: Son los electrones que se mueven para hacer algún trabajo.2. Bomba propulsora de agua: En el equivalente eléctrico seria la fuente de voltaje, que ejerce presión sobre

los electrones (agua). Si la bomba está apagada no fluye agua o electrones. Si la bomba está encendida hay una diferencia de presión (tensión) que mueve el agua (electrones).

3. Zona de la tubería muy estrecha. El agua tendrá dificultades para pasar por una tubería estrecha. Es el equivalente a la resistencia eléctrica, que impide el paso de electrones.

En el caso del voltaje debe existir un voltaje en A diferente al del punto B, se le llama diferencia de tensión a Va - Vb = Delta V. Si Va es mayor que Vb habrá cierta tensión o desequilibrio en dichos puntos, se establecerá un campo eléctrico que moverá los electrones desde el punto A hacia el B. Como el campo eléctrico es conservativo debe existir un camino cerrado desde el punto A al B para que se produzca flujo eléctrico y trabajo en la carga.[cita requerida]

III. Leyes de Kirchhoff:

a)

Ejemplo:

12 + i3 +5 – i4 – i1 = 0

b)

∑ ¿ ¿i = o1. Ley (De Nudos) Conversión: Las intensidades que llegan a

un nudo (punto) son positivas y las que se alejan son negativas.La sumatoria de todas las intensidades o corrientes que llegan a un nodo es igual a cero

I3

I4 I2

I1

I5

∑ ¿ ¿ V = IR2. Ley de Kirchhoff. (De Mallas)

La suma de los voltajes de las fuentes es equivalente a la suma de las caídas de tensión (voltaje) en cada una de las resistencias en serie.

Ejemplo:

R1

V = IR1 + IR2 + IR3

o también

V R2 V = V1 + V2 + V3

R3

a) Resistencia en serie (s)

La resistencia total o equivalente de un sistema en serie es igual a la suma de las resistencias parciales.

Rt = R1 + R2 + R3 +.......+ Rn

b) Resistencias en paralelo

El valor recíproco de la resistencia total en paralelo es igual a la suma de valores recíprocos parciales.

1RT

= 1r1

+ 1r2

+. . .. .. . ..1

nnnn

Ejercicios de circuitos eléctricos: hallar en todos los casos: Rt, It, Vab , i5

Solución:

1) Hallar RT:a) Resuelvo las resistencias en paralelo:

1 = 1 + 1 = 1 + 1 = 2

R11 R1 R1 10 10 10

R11 = 5 Ohm

1 = 1 + 1 = 1 + 1 = 2

R55 R5 R5 100 100 100

R55 = 50 Ohm

b) Ahora, ya tengo 3 resistencias en serie en todo el circuito:

Rt = R11 + R3 + R55 = 5 + 30 +50 = 85 Ohm

2) Por ley de Ohm:

It = V R

It = 120V = 1.41 Amper 85Ohm

3) Vab: representa la caída de tensión entre esos puntos. Para hallarla, debemos multiplicar It por la resistencia resultante entre los puntos A y B

Vab = It x R3 = 1.41 Amper x 30Ohm = 42,3 Volt

Potencia Eléctrica: producto entre la tensión medida en volts y la corriente medida en amperes tiene como resultado la potencia eléctrica medida en Watts.

Problema 1: Calcula la potencia eléctrica de una bombilla alimentada a un voltaje de 220voltios y que tiene una resistencia de 10 ohmios. Calcula la energía eléctrica consumida por la bombilla si ha estado encendida durante 2 horas.

I=VR ;

I=22010 ; I= 22 A

P=VxI ; P= 220*22 = 4840 w = 4,84 kw

E=Pxt ; E= 4,84*2 = 9,68 kw.h

Problema 2 : Calcula la potencia eléctrica de un calefactor eléctrico alimentado a un voltaje de 120 voltios y que tiene una resistencia de 50 ohmios. Calcula la energía eléctrica consumida por el motor si ha estado funcionando durante 15 minutos.

I=VR ;

I=12050 ; I= 2,4 A

P=V x I ; P= 120 x 2,4 = 288 w = 0,288 kw ; 15 minutos= 0,25 horas

E=P x t ; E= 0,288 x 0,25 = 0,072 kw.h

Problema 1 : Calcula la potencia eléctrica de un motor eléctrico por el que pasa una intensidad de corriente de 3 A y que tiene una resistencia de 200 ohmios. Calcula la energía eléctrica consumida por el motor si ha estado funcionando durante 10 minutos.

V=I∗R ; V= 3*200 = 600 voltios

P=V*I ; P= 600*3 = 1800 w = 1,8 kw ; 10 minutos=¿? Horas

Regla de tres

60 min utos⇒1 hora10 min utos⇒ xhoras

60∗X=10∗1 ; X=10∗1

60 ; X=0,16 horas

E=P*t ; E= 1,8*0,16 = 0,3 kw.h

Problema 4: Una batería de automóvil de 12 V de fem proporciona 7,5 A al encender las luces delanteras. Cuando el conductor opera el motor de arranque con las luces encendidas, la corriente total llega a 40 A. Calcule la potencia eléctrica en ambos casos.

Resolución:

datos: fem = 12 V

i1 = 7,5 A

i2 = 40 A

P1 = V.i1 P1 = 12 V.7,5 A P1 = 90 W

P2 = V.i2 P2 = 12 V.40 A P1 = 480 W

Ley de Joule:

Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. A este fenómeno se le conoce como efecto joule.El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la ley de joule que dice que “el calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”.

P = I2 X R

P: potencia expresada en Watts.

I: intensidad expresada en Amperes

R: Resistencia expresada en Ohm

P = E/T

P: potencia expresada en Watts.

E : Energia en Joules

T: tiempo en segundos

Una de las aplicaciones más útiles de la energía eléctrica es su transformación en calor. Como el calor es una forma de energía, se mide en julios, pero existe una unidad para medir el calor: la caloría. Esta se puede transformar en julios por medio de principio de equivalencia definido por James Joule, que establece

1 julio = 0,24 caloríasEntonces, para encontrar el calor proporcionado por una corriente eléctrica, basta multiplicar la energía en joule por 0,24; es decir, el calor se puede obtener de la siguiente forma:

Q = P t x 0,24 calorías

Problema de aplicación:

Un secador de pelo tiene una potencia de 1000 W cuando está conectado a 220 V. Calcula:a) La resistencia interna del secador.b) La intensidad de corriente máxima que puede soportar el secador.c) La energía consumida cuando se ha usado el secador durante seis minutos.

Solución :

a) R = 48,4

b) I = 4,54 A

c) E = 359 568 J

Magnetismo:

Propiedad de un material de atraer y retener piezas de hierro y acero, es una fuerza invisible que solo puede observarse por los efectos que produce.

Imán:

Sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de atraer al hierro y al acero a causa de su campo de fuerza invisible que actúa sobre ciertos materiales pero no sobre otros. Los imanes actuales se basan en aleaciones que contienen cobre, níquel, aluminio, hierro y cobalto. El magnetismo del imán se concentra

en dos puntos los cuales se denominan polos, siendo uno el polo norte y el otro polo sur , las líneas de flujo salen del polo norte por la parte exterior del imán, cruzan el espacio y retornan al polo sur, por la parte interior circulan de sur a norte, completándose un circuito cerrado.

CARACTERÍSTICAS DEL CAMPO MAGNETICO

•Circuito magnético.- Es la trayectoria que siguen las líneas de fuerza formando una trayectoria cerrada.

•Las líneas magnéticas nunca se cruzan.

•Las líneas magnéticas pueden pasar a través de cualquier material pero tomaran el camino que ofrezcan menor resistencia, tendiendo a concentrarse en los materiales magnéticos y a separarse en los no magnéticos. Por lo que los materiales magnéticos ofrecen una resistencia menor al paso de las líneas magnéticas que los materiales no magnéticos.

•Las líneas magnéticas se comportan como hilos de goma. Se extienden si se aplica una fuerza sobre ellas y se contraen al retirar la fuerza. Como las líneas magnéticas no se pueden cruzar entre sí, empujaran a las adyacentes separándolas de ellas.

Imanes naturales: son aquellos que se extraen directamente de la tierra y tienen las propiedades magnéticas. La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de óxido de hierro

Imanes Artificiales

(Aleaciones a base de acero) estos se pueden hacer por medio de electricidad. Cuando se coloca un trozo de hierro desmagnetizado dentro de una bobina de alambre y se conecta el mismo de la bobina a una batería, la corriente eléctrica produce un campo magnéticoen la bobina que magnetiza al hierro. Otra manera de magnetizar es frotando imán sobre una barrade hierro no magnetizado en una dirección haciendo que las moléculas se alineen en una dirección,magnetizando al hierro.

Como se desmagnetiza un imán: para desmagnetizar un imán las moléculas deben de quedar en desorden de manera que sus campos se anulen.

•Si se golpea fuertemente el imán, la fuerza de la sacudida hará que las moléculas se reacomoden

•Si el imán se calienta, la energía calorífica hará que las moléculas vibren lo suficiente como para acomodarse de otra forma.

•Si el imán se coloca en un campo magnético que alterna rápidamente, las moléculas pierden su orden.

Imanes temporales

.- Son aquellos que están hechos de hierro dulce, los cuales se imantan con mayor facilidad que otros materiales, pero también se desmagnetizan con facilidad inmediatamente después de ser retirada la fuerza magnetizaste.

Ley de Faraday Lenz :

La ley establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera del circuito. La inducción electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, el transformador ymuchos otros dispositivos.Características•El movimiento relativo entre un conductor y un campomagnético induce una fem en el conductor.•La dirección de la fem inducida depende de la dirección delmovimiento del conductor con respecto al campo.•La magnitud de la fem es directamente proporcional a larapidez con la que el conductor corta las líneas de flujomagnético.•La magnitud de la fem es directamente proporcional al númerode espiras del conductor que cruza las líneas de flujo

.E = fuerza electromotriz inducida

∆ф/∆t = tasa de variación temporal del flujo magnético ф.

N = número de espiras

La figura muesta un aro de metal (espira) y un imán. Cada vez que el imán se mueve penetrando en la espira, circula una corriente en la misma, en respuesta al movimiento del imán. Es decir, solo se produce corriente eléctrica en la espira mientras el imán se mueva, de lo contrario, no hay circulación de corriente.

Ley de Faraday, Ley de Lenz, Ley de Ampere : Ley de Faraday:

Los experimentos llevados a cabo por Michael Faraday en Inglaterra en 1831 e independientemente por Joseph Henry en los Estados Unidos en el mismo año, demostraron que una corriente eléctrica podría ser inducida en un circuito por un campo magnético variable. Los resultados de estos experimentos produjeron una muy básica e importante ley de electromagnetismo conocida como ley de inducción de Faraday. Esta ley dice que la magnitud de la fem inducida en un circuito es igual a la razón de cambio de flujo magnético a través del circuito.

Como se verá, la fem inducida puede producirse de varias formas. Por ejemplo, una fem inducida y una corriente inducida pueden producirse en una espira de alambre cerrada

La corriente circula por la espira

Mientras el imán penetra

cuando el alambre se mueve dentro de un campo magnético. Se describirán tales experimentos junto con un importante número de aplicaciones que hacen uso del fenómeno de inducción electromagnética.

Con el estudio de la ley de Faraday, se completa la introducción a las leyes fundamentales del electromagnetismo. Estas leyes pueden resumirse en un conjunto de cuatro ecuaciones llamadas ecuaciones de Mexwell. Junto con la ley de la fuerza de Lorentz, representan una teoría completa para la descripción de las interacciones de objetos cargados. Las ecuaciones de Maxwell relacionan los campos eléctricos y magnéticos y sus fuentes fundamentales es decir, las cargas eléctricas.

 

 

 

No existe batería en el circuito secundario y la bobina secundaria no está conectada con la bobina primaria. El único propósito de este circuito es detectar cualquier corriente que

pueda ser producida por un cambio en el campo magnético.

 

Ley de Lenz

La dirección de la fem inducida y la corriente inducida pueden ser determinadas de la ley de Lenz, la cual puede ser establecida como sigue:" La polaridad de la fem inducida es tal que está tiende a producir una corriente que crea un flujo magnético que se opone al cambio en el flujo magnético a través del circuito ".

Es decir, la corriente inducida tiende a mantener el flujo original a través del circuito. La interpretación de este enunciado depende de las circunstancias.

Como se verá, esta ley es una consecuencia de la ley de conservación de la energía.

Como el flujo está hacia dentro del papel, la corriente inducida tiene que circular en dirección de las manecillas del reloj para producir un flujo hacia dentro del papel en el interior del circuito. En ambos caso, la corriente inducida tiende a mantener el flujo original a través del circuito.

 

 

 

 

Ley de Ampere

Un experimento simple realizado por primera vez por Oerted en 1820 demostró claramente el hecho de que un conductor que lleva una corriente produce un campo magnético. En este experimento, varias brújulas se colocan en un plano horizontal cercanas a un alambre largo vertical.

Cuando no existe corriente en el alambre, todas las brújulas apuntan en la misma dirección (que el campo terrestre) como se esperaría. Sin embargo, cuando el alambre lleva una gran corriente estable, las brújulas necesariamente se desviarán en la dirección tangente a un círculo. Estas observaciones demuestran que la dirección B es congruente con la regla de la mano derecha.

 

 

 

Generadores y motores de corriente eléctrica alterna

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura. Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (FEM). Los generadores eléctricos están basados en la ley de Faraday, que se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831. Dicha ley establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.

Un motor eléctrico es una máquina que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles: pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica, al funcionar como generadores. Si se los equipa con frenos regenerativos, los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas.

Campo magnetico terrestre

CAMPO MAGNETICO TERRESTRE

Un poderoso campo magnético rodea a la Tierra, como si el planeta tuviera un enorme imán en su interior y cuyos polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos de su eje. Esto se produce porque las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestran notables cambios de año en año.

El magnetismo de la Tierra es el resultado del movimiento que se produce dentro de ella. La teoría sugiere que el núcleo de hierro es líquido (excepto en el mismo centro, donde la presión solidifica el núcleo) y que las corrientes de convección, que se producen dentro del mismo, crean un gigantesco campo magnético.Se calcula que el campo magnético tiende a trasladarse hacia el Oeste alrededor de 20 km. por año. El núcleo sólido interno gira más despacio que el núcleo exterior, explicándose así el traslado hacia el Oeste.La intensidad del campo magnético de la Tierra varía en diferentes puntos de su superficie. Para medir la intensidad se utilizan aparatos llamados magnetómetros.

La orientación del campo magnético se ha desplazado a través del tiempo con respecto a los continentes, pero se cree que el eje sobre el que gira la Tierra ha sido siempre el mismo. Mediante estudios realizados en rocas, y en las anomalías magnéticas de las cuencas de los océanos, se ha calculado que el campo magnético ha invertido su polaridad alrededor de 170 veces en los últimos 100 millones de años. Esto se ha podido realizar a partir de los isótopos radiactivos de las rocas

Fenómenos ondulatorios:

Es el transporte de energía por parte de un emisor. En el siguiente cuadro, se muestran sus características y particularidades

.

Ondas electromagnéticas:

Tienen su origen en la variación simultánea de un campo eléctrico y magnético a la vez. No necesitan un medio para propagarse La velocidad es siempre de 300000 km / s . La frecuencia puede variar dando lugar al espectro

electromagnético Parte de la luz se refleja y parte se refracta. Podemos hacer una clasificación de los cuerpos según su

comportamiento a la incidencia de la luz. Puede ser opaco, si la luz no lo atraviesa, traslúcido si lo atraviesa parcialmente y transparente si lo pasa en forma casi total.

OPTICA GEOMÉTRICA:

Se basa en las leyes de reflexión y refracción de la luz.

Reflexión: el angulo de incidencia y reflexión de un rayo esta dado por la ley de Snell

Donde n es el El índice de refracción, que es una medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo.

Sustancia Indice de refracción Velocidad (m/s)Aire 1.0003 2.99 x 108

Agua 1.33 2.25 x 108

Vidrio 1.5 – 1.9 2.10 x 108 - 1.58 x 108

Diamante 2.42 1.24 x 108

Refracción de la Luz: se produce cuando el rayo de luz pasa de un medio a otro de distinta densidad. Se produce una variación de la velocidad de la luz, lo que produce que el rayo cambie su dirección.

Lentes y espejos: los lentes se basan en la ley de refrección y los espejos en las ley de reflección

Consideraciones generales en óptica geométrica:

Objeto: Cuerpo del cual se considera que parten los rayos de luz, ya sea porque constituye una fuente luminosa o porque refleja la luz que le llega de una fuente luminosa.

Imagen: Visión del objeto a través de una superficie reflectante o de un medio refringente.

• Puede ser igual, mayor o menor que el objeto.

• Puede ser derecha o invertida.

• Puede ser real o virtual.

Imagen real es la que se puede proyectar sobre una pantalla (por ejemplo, un papel) colocada en el lugar donde se forma la Imagen.

Imagen virtual es la que está formada por la prolongación de rayos (ya que éstos en realidad no se cortan).

Marcha de rayos en espejos : de los infinitos rayos que atraviesan a un punto, solo usamos 3 para determinar la imagen que se forma

1) Si el rayo es paralelo al eje, se refleja el mismo o su proyección, pasando por el foco2) Si el rayo pasa por el foco, se refleja paralelo al eje3) Si el rayo incide pasando por el centro de curvatura, se refleja sobre si mismo.

1/x + 1/x´ = 1/f

R = 2 x f

X = coordenada del objeto

X´= ubicación de la imagen.

f: distancia focal

R: radio de curvatura

Espejos cóncavos:

Marcha de rayos en espejos cóncavos:

Marcha de rayos en espejos convexos:

Espejos Planos:

Ejercicios de espejos:

1.- Un espejo esférico cóncavo tiene un radio de curvatura de 1’5 m. Determinar:

a) la posición.

b) la altura de la imagen de un objeto real de 10 cm de altura, situado delante de un espejo a una distancia de 1 m.

SOLUCIÓN

La distancia focal es igual a la mitad del radio de curvatura del espejo f=R/2 ; como el espejo es cóncavo su radio de curvatura es negativo

f =- 1’5 m/2=- 0’75 m

a) La posición de la imagen se obtiene a partir de la ecuación fundamental de los espejos esféricos:

1/s’ + 1/s=1/f ; 1/s’ + 1/(-1)=1/( - 0’75) s’=- 3 m

La imagen es real ya que s’ es negativa y está a 3 metros delante del espejo

b) El tamaño de la imagen se obtiene a partir de la ecuación del aumento lateral:

ML= y’ / y=- s’ / s ; y’ / 0’1=- (- 3) / (- 1) y’=- 0’3 m

Como y’ es negativa, la imagen es invertida y en este caso de mayor tamaño que el objeto.

1. El radio de un espejo esférico es de - 30 cm. Un objeto de + 4 cm está a distancias del

espejo: a) 60 cm, b) 30 cm, c) 15 cm, d) 10 cm. Hállese la distancia imagen para cada una

de estas posiciones. Hallar el tamaño de la imagen en cada caso.

Lente convexa: Una lente convexa es más gruesa en el centro que en los extremos. La luz que atraviesa una lente convexa se desvía hacia dentro (converge). Esto hace que se forme una imagen del objeto enuna pantalla situada al otro lado de la lente. La imagen está enfocada si la pantalla se coloca a una distancia determinada, que depende de la distancia del objeto y del foco de la lente. La lente del ojo humano es convexa, y además puede cambiar de forma para enfocar objetos a distintas distancias. La lente se hace más gruesa al mirar objetos cercanos y más delgada al mirar objetos lejanos. A veces, los músculos del ojo no pueden enfocar la luz sobre la retina, la pantalla del globo ocular. Si la imagen de los objetos cercanos se forma detrás de la retina, se dice que existe hipermetropía.

Lente cóncava: Las lentes cóncavas están curvadas hacia dentro. La luz que atraviesa una lente cóncava se desvía hacia fuera (diverge). A diferencia de las lentes convexas, que producen imágenes reales, las cóncavas sólo

producen imágenes virtuales, es decir, imágenes de las que parecen proceder los rayos de luz. En este caso es una imagen más pequeña situada delante del objeto (el trébol). En las gafas o anteojos para miopes, las lentes cóncavas hacen que los ojos formen una imagen nítida en la retina y no delante de ella.

Potencia de una lente:

Observa que la lente 2 tiene menor distancia focal que la 1. Decimos, entonces, que la lente 2 tiene mayor potencia que la 1.

La potencia de una lente es la inversa de su distancia focal y se mide en dioptrías si la distancia focal la medimos en metros.

Como podemos ver en el diagrama , la lente 2 tiene mayor potencia que la 1.

En los gráficos que siguen el objeto se dibuja en negro. Si la imagenes real se ve de color azul y si es virtual en verde.

1.- Si el objeto está situado entre 2F y el infinito (menos infinito), la imagen estará entre F' y 2F' y será invertida, real y más pequeña.

2.- Si el objeto está situado en 2f, la imagen estará en 2 F', y será de igual tamaño, invertida y real.

3.- Si el objeto está situado entre 2F y F, la imagen estará situada más allá de 2 F' y será mayor, invertida y real.

4.- Si el objeto está situado en F la imagen no se forma (se formaría en el infinito)

5.- Si el objeto está situado entre F y la lente, la imagen estará entre F y el infinito y será virtual (la forman las prolongaciones de los rayos), mayor y derecha.

Lentes divergentes

Sea cual sea la posición del objeto frente a la lente la imagen siempre será virtual, menor y derecha.

Ejercicios de lentes:

Se considera un objeto a 10 cm de una lente convergente de 30 cm de distancia focal. ¿A que

distancia está situada la imagen producida por esta lente?

SOLUCIÓN

1/10 + 1/S’ = 1/30

s’= -15 cm

La imagen es virtual y está situada a 15 cm delante del lente.