Campo Eléctrico

      El campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga positiva de prueba. 

     El campo eléctrico está dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa.

     Un campo eléctrico no se puede ver, pero la fuerza que ejerce sobre objetos cargados permite detectar su presencia y medir su intensidad.

     El campo eléctrico de las cargas se puede representar gráficamente mediante líneas de fuerza.

     Las líneas de fuerzas van siempre de las cargas positivas a las cargas negativas las líneas son uniformes y continuas con origen en las cargas positivas y final en las cargas negativas. 

     Las líneas de fuerzas pueden cruzarse si estas se cortaran significaría que en dicho punto el campo eléctrico poseen dos direcciones distintas pero a cada punto solo le corresponde un valor único de intensidad de campo.

     Para Calcular la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva llamada Carga de Prueba.

     Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Donde:

E = Intensidad del campo eléctrico (N / C)

F = Fuerza que recibe la carga de prueba (N)

q = Valor de la carga  de prueba (C)

     Ahora bien, si deseamos calcular el campo eléctrico a una determinada distancia del centro de una carga eléctrica, utilizamos la siguiente expresión matemática:

Donde:

E = Intensidad del campo eléctrico (N / C)

K = Constante de proporcionalidad = 9x109 Nm2/C2 q =

Valor de la carga (C)

r = Distancia desde un punto hacia el centro de la carga (m)

     Cuando tenemos varias cargas eléctricas alrededor de un punto y se desea conocer la intensidad del campo eléctrico en dicho punto, la resultante será la suma vectorial de cada uno de las cargas.

Electrodinámica

     La electrodinámica es la parte de la electricidad que estudia las cargas eléctricas en movimiento.

Comenzaremos definiendo a la corriente eléctrica como el movimiento de las cargas negativas a través de un conductor, originada por el movimiento o flujo electrónico, debido a la existencia de una diferencia de potencial que permite que los electrones circulen de una terminal negativa a una positiva.

     El  flujo de electrones se presenta en los metales, los líquidos llamados eléctrolitos y los gases.  

    Existen dos tipos de corriente eléctrica: La continua (CC) que obtenemos de pilas, baterías, lámparas de mano, etc. El otro tipo es la corriente alterna (CA) y es la que utilizamos en nuestros aparatos electrodomésticos y se obtiene a partir de plantas generadoras de corriente eléctrica.

     La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo.

Expresada matemáticamente tenemos:

Donde:

I = Intensidad de la corriente eléctrica en Ampere = A = C/s

q = Carga eléctrica que pasa por la sección transversal del conductor (C)

t = Tiempo que tarda en pasar la carga (s)

Resistencia eléctrica

     La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un material al paso de los electrones de la Corrientes eléctrica.

Factores que influyen en la resistencia de los conductores:

•    La naturaleza Del conductor: La Plata tiene menor resistencia que el hierro para que circule la corriente.
•    Longitud de conductor: a mayor longitud mayor Resistencia.
•    Selección o área transversal: a mayor área menor resistencia.
•    La temperatura: en los metales su Resistencia aumenta proporcionalmente a su temperatura.

     La unidad de Resistencia eléctrica en el SI es el ohm (Ω). Si deseamos conocer la resistencia de un alambre conductor a una determinada temperatura (0°C).

Utilizamos la siguiente formula:

Donde:

R= Resistencia del conductor (Ω)

P= Resistividad del material de que esta hecho el conductor a 0°C  (Ωm)

L= longitud del conductor (m)

A= Área de la sección transversal de conductor (m²)

     Para calcular la Resistencia de un conductor a cierta temperatura t, si conocemos su resistencia a una temperatura de 0°C.

Utilizamos la siguiente expresión:

Donde:

R_t = Resistencia del conductor a una temperatura t (Ω)

Ro = Resistencia de conductor a 0°C (Ω)

α = Coeficiente de temperatura de la resistencia del material conductor (°C^-1)

t = Temperatura del conductor (°C)

Ley de Ohm

      El físico y profesor alemán George Simón Ohm enuncio la siguiente ley en 1817 “ La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”.

Matemáticamente se expresa:

V = Diferencia de potencial o voltaje aplicado a los extremos del conductor (V)

R = Resistencia del conductor (Ω)

I = Intensidad de la corriente que circula por el conductor (A)

HISTORIA DE LA ELECTRICIDAD

El estudio de la electricidad comenzó tras observar que diferentes  objetos ligeros eran atraídos al acercar un trozo de ámbar. La gente se preguntaba qué clase de "magia" o "poder sobrenatural" era lo que hacia que ocurriera ese fenómeno.

Varios fueron los que intervinieron en las investigaciones de la electricidad como:

   

LA ELECTROSTÁTICA

La electrostática es la rama de la electricidad que se encarga de estudiar las cargas electrostáticas en reposo.

    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.

   Se basa en una ley que dice: "Cargas iguales se repelen ( ++,--) y cargas distintas se atraen (+-)". En cargas se encuentras tres tipos:

1) Protón: cuando su carga es positiva.

2) Electrón: cuando posee una carga negativa.

3) Neutrón: cuando no contiene carga eléctrica alguna.

   La carga electrica se puede transmitir de una particula a otra o de un cuerpo a otro; a este proceso se le llama "electrizar un cuerpo".

  

Existen tres maneras de electrizar un cuerpo:

   La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas en el sistema internacional (SI) se llama coulomb ( C ) y se define como la cantidad de electrones que posee en exceso un cuerpo con respecto a lo que posee en su estado neutro. La equivalencia en electrones es la siguiente:

>1C = 6.25x1018 electrones.

   

   De acuerdo con esto podemos proporcionar las cargas eléctricas del electrón y el protón en coulomb.
ü  Protón: 1.6 x1019 electrones.
ü  Electrón: -1.6x10-19 electrones.

   
       Existen materiales a nuestro entorno que contiene protone y electrones, apesar de esta caracteristica en comun, no presentan la misma propiedad de conducir la electricidad.
      Y de esta manera podemos clasificar los materiales en:

   

LEY DE COLUMB

        En el año 1785, Charles Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas, lo cual afirma lo siguiente:

       “La fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”, matemáticamente se expresa:

       F = k q1q2 /r2 donde:

       F = Fuerza eléctrica en Newtons (N)

       K = Constante de proporcionalidad = 9x109 Nm2/C2

       q1 y q2 = Cargas eléctricas en Coulomb ( C )

       r = Distancia entre las cargas en metros (m)

     

     Cabe mencionar que en los problemas se trabaja con COLUMBS, por lo que aqui se presenta una tabla con las conversiones:

TERMODINAMICA

La termodinámica se encarga de estudiar la transformación de la energía térmica en trabajo y el trabajo en energía.

La termodinámica puede ser explicada con cuatro leyes fundamentales, entre las principales se encuentran 3:

Ley cero de la termodinámica:

También conocida como ley de equilibrio. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico y se presenta un tercero, éste estará en equilibrio con las anteriores.

Primera ley de la termodinámica

Esta ley nos demuestra el principio de la conservación de la temperatura “la masa no se crea, ni se destruye, se transforma”

En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por él y el cambio en su energía interna, matemáticamente se expresa:

∆Q = ∆U + ∆W

La cantidad de calor absorbido se manifiesta en trabajo mecánico, algo parecido ocurre con los motores de combustión interna para generar movimiento.

Segunda ley de la termodinámica:

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y a la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a una temperatura mas elevada.   

Resistencia eléctrica

Es la oposición que se presenta cuando un conductor al pasar corriente o flujo de electrones por él.

Factores que influyen en la resistencia de los conductores:

1)      Longitud del conductor: A mayor longitud mayor resistencia.

2)      Sección o área transversal: A mayor área menor resistencia.

3)      La naturaleza del conductor: La plata tiene menor resistencia que el hierro para que circule la corriente.

4)      La temperatura: En los metales su resistencia aumenta proporcionalmente a su temperatura.

La unidad de resistencia eléctrica en el SI es el Ohm 

LEY DE OHM

El físico y profesor alemán George Simón Ohm enuncio la siguiente ley en 1817 “La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”.

Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

I = V / R

Dónde:

 I = intensidad de la corriente eléctrica que pasa por el conductor.

V = Diferencia de potencial de voltaje aplicado a los extremos del conductor.

R = Resistencia del conductor.

Circuitos Eléctricos

Circuitos eléctricos

     El circuito eléctrico es un sistema por el cual fluye la corriente eléctrica a través de un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial o voltaje. 

En cualquier circuito eléctrico se identificaremos tres elementos:

•    Voltaje
•     Intensidad de corriente
•     Resistencia

Se dice que un circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema, y abierto cuando no circula por él. Si deseamos abrir o cerrar un circuito, utilizamos un interruptor.

Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en Serie, en Paralelo y Mixtos que son la combinación de los dos primeros.

En este tipo de circuito existe la misma cantidad de corriente en todos los elementos del circuito, el voltaje se distribuye entre todos sus elementos es igual, a la suma de la cada de voltaje de cada elemento es igual al voltaje aplicado.

Re= R1 +R2+R3+…+Rn Re=

Resistencia equivalente del circuito R1+R2+R3…+Rn = suma del valor de cada una las resistencias hasta n número de ella.

VT = V1+V2+V3+…+Vn

Como V= IR tenemos: Vt= IR1+IR2+IR3+…+IRn 

Vt = I (R1+R2+R3)

Dilatación de los cuerpos.

DILATACIÓN DE LOS CUERPOS

Cuando un cuerpo se calienta, las moleculas que lo componen empiezan a vibrar requiriendo mas espacio entre ellas, de manera que se expande el espacio en el cuerpo y con ello el tamaño del 

mismo. A esta expansión del cuerpo se le conoce como dilatación.

Existen tres tipos de dilatación;

Lineal, superficial y volumétrica.

DILATACIÓN LINEAL.

La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largoo altura del cuerpo, se representa de la siguiente manera.

ΔL=LoΔT

Donde;

Δ     representa el calor ganado.

Lo   representa la longitud inicial.

ΔT  representa el cambio de temperatura.

ᾳ    es el coeficiente de dilatación del material.

*Nota: El coeficiente de dilatación dependerá de cada material y del tipo de dilatación del que se hable.

Se presenta a continuación una tabla de donde se da el coeficiente de algunos materiales  con coeficiente ᾳ.

Las unidades de ᾳ se dan en grados inversos :  1/ °C ó 1/ °F.

Ahora ejemplifiquemos un cuestionamiento en donde se tenga que utilizar la dilatación lineal.

¿Cuál será la longitud final de una barra de plomo de 10cm de longitud, que experimenta un aumento de temperatura de 20°c  a 100°c?

Primero identifiquemos los datos que nos brida el problema.

•       el material es plomo.

•       Su longitud es de 10cm

•       Su cambio de temperatura es de 20° a 100°

Identifiquemos que nos pide y con qué fórmulas llegaremos al resultado.

Nos está pidiendo la longitud final la cual se representa con la siguiente fórmula;

lf =Lo+ΔL

pero para llegar a esa formula solo tenemos Lo que es de 10cm, pero necesitamos ΔL, ahora busquemos una formula que nos de 

ΔL.

ΔL=Lo

Parece que de esta fórmula si tenemos todo, así que manos a la obra;

ponemos la primera formula a utilizar.

ΔL=Lo

Sustituimos los datos que nos pide.

Δl=10cm(29*10-91/c)(100°-20)

Llegamos al resultado

Δl=0.023cm

Teniendo el incremento de longitud solo basta con pasar a la siguiente formula.

lf =Lo+ΔL

sustituimos los valores.

If= 10cm+0.023cm

y así llegamos a la respuesta final.

Lf=10.023cm

DILATACIÓN SUPERFICIAL.

Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo debido a la intervención de un cambio de temperatura.

Este fenómeno se representa con la siguiente fórmula;

ΔA=βAoΔT

Donde;

ΔA  representa el aumento de área.

β    representa el coeficiente de dilatación.

Ao  es el área inicial.

ΔT  es el incremento de temperatura.

Cabe mencionar que al tratarse de dilatación superficial, el coeficiente se obtiene multiplicando ᾳ por dos.

Ahora veamos como se aplica en un problema;

Una placa de vidrio de 10*10cm incrementa su temperatura de 17° a 50°c.

¿Cuál es su incremento superficial?

Lo que nos pide el problema es ΔA.

¿Cómo llegamos a ese resultado?;

ΔA=βAoΔT

Solo sustituimos valores ya que todos los datos los proporciona el problema.

ΔA=100cm2(1.8*10-51/c)(50°-17°)

Realizamos las operaciones para llegar al resultado;

ΔA=0.0594 cm2

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo, este fenómeno se ve dado por la siguiente formula;

ΔV=ᵞVoΔT      

donde;

ΔV  representa el aumento de volumen del cuerpo.

Vo  representa el volumen inicial.

ΔT  es el cambio de temperatura.

ᵞ  representa el coeficiente de dilatación.

*NOTA: En el caso de la dilatación volumétrica, el coeficiente se obtiene multiplicando ᾳ por tres.

Ahora ejemplifiquemos esto para lograr tener un mejor entendimiento.

El volumen inicial del mercurio es de 30 cm3, pero este sufre un cambio de temperatura de 10° a los 60°.

¿Cuál será su volumen final?

ΔV=ᵧVoΔT      

ΔV=0.18*10-3(30 cm3)(60°-10°)

ΔV=0.27cm3

DILATACIÓN IRREGULAR DEL AGUA

El agua es el compuesto más abundante de la tierra, se encuentran en el aire, el suelo, en todas las planta y animales. el agua es un liquido claro, incoloro e inodoro. 

Cuando se enfría a 0° se convierte en un sólido llamado hielo, al aumentar a 100°  se transforma en vapor.

Una propiedad especial es que alcanza su máxima densidad a una temperatura próxima y arriba del punto de fusión.

Bloque II: "Identificas diferencias entre calor y temperatura"

Calor y Temperatura

Algunas veces hay situaciones en donde percibimos el cambio de temperatura como:

°Cuando Abrimos la puerta del refrigerador, el aire congelado hace que se sienta un cambio de temperatura.

°Cuando van al súper a comprar, al entrar se siente un cambio de temperatura por el aire acondicionado, de aire caliente a aire frío.

°Cuando vamos en un autobús de aire acondicionado al bajar del camión de siente también un cambio de temperatura del aire frío pasamos al aíre caliente normal de la calle.

°Cuando llueve se siente un poco de fresco pero al terminar termina dejando calor ahí se demuestra un cambio de temperatura.

°Cuando está girando el ventilador pero cuando lo apagan se empieza a sentir calor, también hubo un cambio de temperatura de un poco fresco a calor.

Calor

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo (es una forma de energía en movimiento).

Siempre que hay una diferencia de temperatura entre dos cuerpo se dice que el calor fluye en dirección del cuerpo de temperatura más alta al de la temperatura más baja.

Existen tres formas principales por las cuales ocurre la transferencia de calor, por conducción, convección y radiación.

La conducción es la transferencia de calor por medio de las colisiones moleculares entre moléculas vecinas. Los materiales conductores de calor para este proceso son los metales.

La convección es el proceso mediante el cual el calor se transfiere utilizando el movimiento de un medio material, en el cual generalmente es un fluido. Cuando tiene lugar el movimiento de un medio material se produce lo que se denomina Corrientes de Convección. Dichas corrientes pueden ser Naturales o Forzadas.

•    Las corrientes de convección naturales son aquellas que se producen cuando el movimiento de un medio es ocasionado por una diferencia de densidad debido a la variación de temperatura.

•    Las corrientes de convección forzadas son aquellas en las que el medio de transferencia es obligado a moverse mediante dispositivos mecánicos.

La radiación es el proceso a través del cual el calor se transfiere por medio de ondas electromagnéticas. Todos los objetos emiten energía radiante e incluso se pueden desplazar en el espacio a través de un vacío.

Temperatura

La temperatura es la medida de calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir). La Temperatura nos indica que tan caliente o frío esta un cuerpo o sustancia.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía.

El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Calor	Temperatura
Depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo.    El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya.	No depende del tamaño, ni del número ni del tipo.    La temperatura no es energía sino una medida del calor.    Indica que tan caliente o frío esta un cuerpo o sustancia.

Termómetro

El instrumento que sirve para medir temperatura es el termómetro un Instrumento que sirve para medir la temperatura; el más habitual consiste en un tubo capilar de vidrio cerrado y terminado en un pequeño depósito que contiene una cierta cantidad de mercurio o alcohol, el cual se dilata al aumentar la temperatura o se contrae al disminuir y permite medirla sobre una escala graduada.

Tipos de termómetros

Termómetro de gas

Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros.

Termómetro de mercurio

Es un tipo de termómetro que generalmente se utiliza para medir las temperaturas del material seleccionado.

El mercurio de este tipo de termómetro se encuentra en un bulbo reflejante y generalmente de color blanco brillante, con lo que se evita la absorción de la radiación del ambiente. Es decir, este termómetro toma la temperatura real del aire sin que la medición de esta se vea afectada por cualquier objeto del entorno que irradie calor hacia el ambiente.

Termómetro óptico

Dispositivo de medida de la temperatura en el las propiedades de transmisión y reflexión de la luz visible dependen de la temperatura y cuya detección se puede relacionar con la temperatura tisular.

Termómetro metálico

Un termómetro de lámina bimetálica o termómetro bimetálico es un dispositivo para determinar la temperatura que aprovecha el desigual coeficiente de dilatación de dos láminas metálicas de diferentes metales unidas rígidamente (lámina bimetálica). Los cambios de temperatura producirán en las láminas diferentes expansiones y esto hará que el conjunto se doble en arco.

Termómetro clínico

Son los utilizados para medir la temperatura corporal. Los hay tradicionales de mercurio y digitales, teniendo estos últimos algunas ventajas adicionales como su fácil lectura, respuesta rápida, memoria y en algunos modelos alarma vibrante.

El termómetro de máximas y mínimas

Es utilizado en meteorología para saber la temperatura más alta y la más baja del día, y consiste en dos instrumentos montados en un solo aparato. También existen termómetros individuales de máxima o de mínima para usos especiales o de laboratorio.

Termómetro de  alcohol

Es una sustancia que se dilata o contrae y, por lo tanto, sube o baja dentro del tubo capilar con los cambios de temperatura. En el tubo capilar se establece una escala que marca exactamente la temperatura en ese momento.

ESCALAS DE TEMPERATURA

Experimento

Materiales:

   °3 recipientes del mismo tamaño.

   °Agua (Caliente, fría y tibia)

Procedimiento:

    °Llenar un recipiente con agua caliente y meter la mano derecha.

°Llenar el otro recipiente con agua fría y meter la mano izquierda.

°Y por último llenar el tercer recipiente con agua tibia y meter las dos manos.