COLEGIO DISTRITAL MARIA INMACULADA ASIGNATURA FSICA ELECTRICIDAD Y

COLEGIO DISTRITAL MARIA INMACULADA ASIGNATURA: FÍSICA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO AURA SANDOVAL

CIENCIAS NATURALES DIVISIONES FÍSICA QUÍMICA BIOLOGÍA COMPONENTES MECÁNICA CLÁSICA TERMODINÁMICA E. ONDULATORIOS ELECTROMAGNÉTICOS E. E. ELECTROMAGNÉTICOS COMPETENCIAS IDENTIFICAR INDAGAR EXPLICAR Especialista: Pedro Ripoll

Electricidad Introducción

Nube de electrones (-) Núcleo (+) El Modelo Atómico

¿Qué es la electricidad? v. Fenómeno de la Naturaleza. v. Conocido desde la antigüedad (Griegos: el elektron) v. La materia, bajo ciertas condiciones, adquiere propiedades especiales: Atracciones y Repulsiones. v. Estudio Científico (B. Franklin) v. Propiedad general de la materia.

CARGA ELÉCTRICA: ◦ carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones ◦ (es un concepto equivalente al de partícula) ◦ Las designaremos con las letras “q” o “Q” Pueden ser positivas o negativas. ◦ Carga eléctrica (q, Q)

BENJAMÍN FRANKLIN

LEY FUNDAMENTAL DE LAS CARGAS Repulsiones y atracciones

Electrización de un cuerpo Cuerpos Neutros Frotación Cuerpos Electrizados

Electrización por rozamiento Cuerpos Neutros VIDRIO SEDA Frotación Cuerpos Electrizados VIDRIO SEDA

Electrización por contacto. Cuerpos Conductores: A, electrizado y B Neutro. + + +A B Contacto y separación + + + + ++ A Parte de las cargas que posee inicialmente A, pasan al cuerpo B durante el contacto. B

Electrifican por Inducción. 1º Escena. Hay un cuerpo conductor neutro. 2º Escena. Se aproxima por la izquierda un cuerpo electrizado (inductor). El cuerpo se polariza 3º Escena. Se conecta y desconecta a Tierra el cuerpo (por la derecha) 4º Escena. Se retira el cuerpo inductor. El cuerpo inicial queda electrizado.

Conductores y Aisladores Cuerpo al cual se le colocan cargas en la zona que se indica + + + Posibles comportamiento Nombre: +++++ + + + Las cargas permanecen en el lugar en que se las coloco Las cargas se distribuyen en la periferia de todo el cuerpo. AISLADOR CONDUCTOR

Conductores y Aisladores (Conceptos Relativos) + H 2 O

Conductores y Aisladores (Conceptos Relativos) Na. Cl + H 2 O

De la cantidad de carga “q” De la distancia “r” entre ellas Del medio en que se encuentran inmersas. Fue el Físico Charles Agustín Coulomb, basado en los trabajos de Newton, quien aclarara los puntos anteriores. ¿De qué factores depende la fuerza entre dos cuerpos electrizados?

La Ley de Coulomb Considerando lo que tenemos: F e α K 1 q. A q. B Fe α K 2 1 r 2 Se puede resumir en una sola expresión: Fe = Ke q. A q. B r 2 La cual es conocida como ley de Coulomb. Ke es una constante (constante eléctrica) cuyo valor depende del medio en que se encuentren las cargas q. A y q. B

Campo Eléctrico (E) El concepto de Campo es de una gran importancia en Ciencias y, particularmente en Física. La idea consiste en atribuirle propiedades al espacio en vez de considerar a los verdaderos causantes de los fenómenos que ocurren en dicho espacio. E = F/q = 2 k. q/r (N/C)

Potencial Eléctrico (V) Sea un punto P cualquiera de un espacio en que existe un campo eléctrico Sea E la Energía que se requiere para trasladar una carga de prueba (q 0) desde un punto definido como de potencial cero hasta el punto P; entonces, el potencial de P es: V = E/q 0 Como E se mide en Joules y q en Coulomb, entonces: V se mide en Joules/Coulomb = J/C = Volts P q 0 V=0

Potencial Eléctrico (V) ¿Qué significa. . . + + 12 Volts (J/C ) 220 Volts (J/C ) 1, 5 Volts J/C

CORRIENTE ELÉCTRICA • La corriente eléctrica (I=q/t ): se mide en ampere cuyo símbolo como unidad del SI es A. • Un ampere es el flujo de carga igual a 1 Coulomb por segundo. 1 A = 1 • 103 m. A (miliampere) 1 A = 1 • 10 6 A (microampere)

FUENTE DE VOLTAJE (V) • La carga no fluye mientras no exista una diferencia de potencial. • Los dispositivos para mantener esta diferencia de potencial se conocen con el nombre de fuente de voltaje o fem (fuerza electromotriz).

• Las fuentes de voltaje (conocidas también como fuentes de poder) proporcionan la “presión eléctrica” necesaria para desplazar los electrones entre las terminales de un circuito

RESISTENCIA ELÉCTRICA La cantidad de corriente que fluye por el circuito depende: • Del voltaje que suministra la fem. • De la resistencia que opone el conductor al flujo de carga (resistencia eléctrica).

La resistencia eléctrica se mide en unidades llamadas ohms ( ) en honor a Gerg Simon Ohm, físico alemán que estudio el efecto de la resistencia del cable en la corriente. Experimentalmente se ha encontrado que la resistencia de un conductor es: : Cualidad del conductor L: Largo del conductor A: Sección transversal del conductor

LEY DE OHM Ohm descubrió que la cantidad de corriente que pasa por un circuito es directamente proporcional la diferencia de potencial entre sus terminales e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.

La relación entre las unidades en que se miden estas cantidades es: • La corriente eléctrica es inversamente proporcional a la resistencia • La corriente eléctrica es proporcional al voltaje aplicado

CIRCUITOS ELECTRICOS Especialista: Pedro Ripoll

La figura representa un circuito donde supondremos válida la ley de ohm. Con estos queremos decir que la intensidad de corriente varia proporcionalmente con la diferencia de potencial. Símbolos Fem constante (batería o pila) Interruptor de contacto Resistencia de un artefacto ri Resistencia interna de la fem

CIRCUITO RESISTORES EN SERIE Las resistencias en este circuito están dispuestas en una configuración que se conoce como serie. Nótese que la corriente circula solo por un conductor continuo, no sufre bifurcaciones

PROPIEDADES DEL CIRCUITO SERIE 1. RESPECTO DE LA CORRIENTE Se caracterizan porque la corriente es la misma en todos los componentes del circuito I: Permanece constante

2. RESPECTO DE LA RESISTENCIA Dado los valores de todas las resistencias parciales del circuito, se puede obtener una resistencia total del circuito.

3. RESPECTO DE LA TENSIÓN (VOLTAJE) El voltaje registrado entre los terminales de la fem se reparte en cada una de las resistencias, incluyendo las propias de la fem. Así por la ley de ohm entre cada resistencia debe haber una caída de tensión. Se cumple que: V= V v i + v 1+ v 2

En general, si un circuito tiene n resistencias en serie, se cumple: fem del circuito es : Resistencia equivalente es: La resistencia equivalente en serie es siempre mayor que cualquier resistencia individual. La ley de Ohm para todo el circuito es:

CIRCUITO RESISTORES EN PARALELO La configuración de este circuito se representa en la figura. Nótese que la suma de las corrientes parciales en cada rama, es igual a la corriente total.

En general, si un circuito tiene n resistencias en serie, la resistencia equivalente es: La resistencia equivalente de resistores conectados en paralelo siempre es menor que la resistencia más pequeña del grupo. La ley de Ohm para todo el circuito es:

En general, si un circuito tiene n resistencias en PARALELO, se cumple: Intensidad del circuito es: Resistencia equivalente es: La ley de Ohm para todo el circuito es:

Intensidad de corriente y amperímetro Para medir la intensidad de corriente se utiliza el amperímetro 12, 3 de la siguiente manera: + + Estos aparatos que permiten medir intensidad, voltaje y resistencia se conocen como multitester INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN EN CIRCUITOS

Caída de tensión y voltímetro Para medir la caída de tensión el voltímetro se instala de la siguiente manera: 20 v +

CIRCUITO COMPUESTO Determinar la resistencia equivalente en el circuito R:

Magnetismo

La historia. . . La palabra magnetismo tiene su origen en una isla del mar Egeo , en la región llamada Magnesia, donde los griegos hace ya más de 2000 años encontraron unas piedras concaracterísticasespeciales. Estas piedras, llamadas ahora magnéticas tenían la particularidad de atraer trozos de metal o de atraerse o repelerse entre sí. Una de las primeras aplicaciones se la dieron los chinos en el siglo XII construyendo la brújula.

Su Enaplicación. . . todo el mundo, muchos proyectos de transporte en trenes de gran velocidad basan su funcionamiento en el principio de levitación magnética. Por ejemplo, en el sistema de transporte alemán transrapid, el tren es atraído hacia un único riel de guía por medio de electroimanes situados en los flancos y que se ciñen al riel. En Japón se utiliza un sistema basado en el efecto de repulsión entre dos campos magnéticos de la misma polaridad. Este efecto permite que los carros permanezcan arriba de los rieles, sin que lleguen a tocarse. Se piensa que si los trenes funcionaran en un túnel de vacío, alcanzarían una velocidad de hasta 2000 km/hr. Además no contaminaría tanto.

En el siglo XVI, William Gilbert hizo imanes artificiales frotando trozos de hierro contra la magnetita; identifico la “polaridad” de los imanes artificiales sugiriendo que una brújula siempre señalara hacia el norte y sur de la tierra por tener propiedades magnéticas. Los temas de electricidad y magnetismo se desarrollaron de manera independiente hacia 1820, cuando un físico danés llamado Hans Christian Oersted descubrió que una corriente eléctrica afecta a una brújula magnética. Posteriormente el francés André-Marie.

El magnetismo de los materiales es el resultado del movimiento de los electrones dentro de sus átomos. En un material imantado se encuentran regiones magnéticas conocidas como dominios. Los átomos en un material magnético están orientados en una sola dirección, mientras que en los materiales no magnetizados se encuentran orientados al azar. Si observamos un imán con un potente microscopio veremos que está formado por pequeñísimas regiones, que son como pequeños imanes con su polo norte y su polo sur. En un metal que no es imán, esas regiones están desalineadas, por lo que se anulan los efectos magnéticos que pudieran.

Hans Christian Oersted (1777 -1851) Físico y químico danés. Fue consejero de Estado, director de la escuela politécnica de Copenhague y miembro de la Academia de Ciencias de Paris. Busco la relación entre el magnetismo y la electricidad y logro demostrarlo. Puso de manifiesto la producción de campos magnéticos en los conductores cuando eran atravesados por corrientes eléctricas. Fue también el primero en aislar el aluminio.

FUERZA MAGNETICA Hay una fuerza producida por el movimiento de las cargas, llamada fuerza magnética que provoca atracción o repulsión entre materiales magnetizados. Solo algunos tipos de metales tienen esa fuerza magnética. Por ejemplo, el níquel. El cobalto, el hierro. A este tipo de metales por sus características magnéticas, se les llama ferro magnéticos. Los elementos gadolinio y disprosio. Clasificados como tierras raras. También tienen esta fuerza magnética pero no tan fácilmente se encuentran en la naturaleza los demás metales presentan magnetismo en una intensidad muy limitada.

IMANES � Imagínate el asombro cuando las personas, en la antigüedad, observaron cómo algunos materiales eran atraídos por otros. Seguramente pasaron muchas cosas por su mente para explicarse tal fenómeno. Lo más probable es que hayan atribuido estas propiedades a la intervención de seres especiales o dioses que obraban estas fuerzas misteriosas. � El vocablo magnetismo proviene del nombre de la antigüedad ciudad de magnesia. Hace mas de 2000 años, cerca de esta ciudad se encontraron fragmentos de piedra con propiedades especiales. Estos materiales son lo que ahora se conoce como imanes naturales o magnetita, constituidos por oxido de hierro. Se observo que dichos imanes atraían pequeños trozos de hierro no magnetizado. Al fenómeno no producido por la fuerza de atracción entre los imanes o magnetitas se conoce como magnetismo.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES MAGNETICOS � No todos los imanes son producto de la naturaleza, sino que el hombre también ha sabido crearlos, aprovecharlos y en general, controlar sus propiedades magnéticas. Una clasificación general de los imanes los divide en naturales y artificiales.

Imanes naturales � Los imanes naturales se encuentran como pequeñas piedras magnéticas. Se cree que son el producto de enfriamientos bruscos que ha sufrido el planeta. Es posible modelar estas piedras para darles la forma que corresponda a su uso. Su fuerza depende de la cantidad de electrones orientados permanentemente. Tienen la propiedad de atraer pequeños trozos de hierro y apuntar, siempre en la misma dirección, razón por la cual se utilizan para orientarse.

Imanes artificiales Se les llama imanes artificiales a aquellos que son producidos por los seres humanos. El principio básico para producir un imán artificial consiste en reducir bruscamente la temperatura de un trozo de hierro en la presencia de un campo magnético. Los electrones del trozo de hierro, que en ese momento se encuentran desalineados, al entrar en un campo magnético se alinean de tal manera que, al perder energía, suspenden ( como si estuvieran congelados) el movimiento de rotación de los electrones es sobre su propio eje. Industrialmente un material se imanta cuando se encuentra de un campo magnético generado por un solenoide en que circula una

CAMPO MAGNETICO

Un campo magnético es el área o región de influencia producida por un imán. Los imanes tienes dos regiones donde se encuentra su fuerza de atracción; se les conoce como polos magnéticos. � Si suspendemos un imán con un hilo y lo dejamos en libertad, La barra se orienta en la dirección norte-sur de la tierra. Si se tienen dos imanes, puede comprobarse que los polos iguales se repelen y distintos se atraen. � La polarización magnética de los átomos se basa principalmente en el espín de sus electrones, los movimientos de un electrón son similares a los de la tierra. El giro sobre el propio eje se conoce con el nombre de movimiento de rotación, y al movimiento orbital alrededor del núcleo, con el movimiento de traslación.

Magnetostática La electrostática estudia las configuraciones de cargas en reposo. Los fenómenos magnéticos no se ponen de manifiesto como veremos sobre cargas en reposo y el término magnetostática se refiere a que los campos, o sus flujos sean constantes. Además como también veremos no existen cargas magnéticas, siendo el magnetismo esencialmente dipolar.

Densidad de flujo magnético � La densidad de flujo magnético B, en la región de un campo magnético, se define como: El número de líneas de flujo que pasan a través de una unidad de área perpendicular a dichas líneas. � Michael Faraday fue el primero a quien se le ocurrió la idea de que eran líneas de fuerza magnética las producidas por un imán. Este concepto se ilustrar en la figura 97, en la que se observa como las líneas dl flujo magnético atraviesan una espira cuadrada.

Densidad de flujo magnético o INDUCCIÓN MAGNÉTICA se llama al vector que representa el campomagnético. Ver figura "flujo magnético en bobinas y conductores". Es también la cantidad de flujo magnético por unidad de área. Sus unidades son por consiguiente Weber por metro cuadrado ( Wb / m 2 ). Al Wb / m 2 se le llama "Tesla". Cuando una partícula cargada "q" se mueve dentro de un campo magnético "B" con una velocidad "V" perpendicular al campo, este ejerce una fuerza "Fm" sobre la partícula. Esta fuerza es también perpendicular tanto al campo como a la velocidad. Vale decir que V, Fm, y B son mutuamente perpendiculares entre si. La magnitud de esta Fm = q (V x B) Donde: Fm = fuerza magnética (N) q = carga eléctrica (C) V = velocidad (m /s) B = densidad de flujo magnético (T) FUERZA vale

Cuando un trazo de hierro no imantado se mantiene algún tiempo dentro de in cuerpo magnético, termina por comportarse como un imán, lo cual significa que parte de sus electrones se alinearon formando un dominio. Las propiedades de un imán de esta naturaleza no son permanentes, pues transcurridos cierto tiempo el material pierde estas propiedades y vuelve a su estado. Por esta razón se les llama imanes temporales. Además, el fenómeno que acabamos de ver se le conoce como inducción magnética. Las agujas, alfileres, clips, desarmadores son materiales fáciles de magnetizar por inducción

MOVIMIENTO DE PARTICULAS CARGADAS

MOVIMIENTO DE PARTICULAS CARGADAS

EINSTEIN Y EL CHOFER Albert Einstein recorría América explicando su teoría de la relatividad. Siempre le acompañaba su chofer, que se sentaba al fondo de la sala, mientras Einstein daba su conferencia. De tanto oír las tesis del maestro llegó a aprenderlas de memoria. "No entiendo a los americanos comentó en una ocasión el chofer- ¿Cómo es posible que le concedan tanta importancia a algo tan sencillo? " Einstein quiso darle una lección y le respondió: "La próxima vez darás tú la conferencia. " Y así fue. El chofer expuso magníficamente la teoría, mientras Einstein, vestido de chofer, le escuchaba desde un rincón. Después de los aplausos, llega el turno de preguntas y la primera es la siguiente: "Podría decirme la relación entre el Big. Bang y la teoría de la relatividad? " El supuesto Einstein respondió: "Mire, eso es tan sencillo que incluso mi chofer, que se encuentra sentado en el fondo de la sala, puede contestarla, " lógicamente, el falso chofer respondió a la perfección.