| |
CAPITULO III
LAS CARGAS ELÉCTRICAS
Concepto de carga eléctrica: Se entiende por carga eléctrica (Q ), poseída por un cuerpo, a la cantidad de electrones que exceden o son inferiores a la carga total del cuerpo considerado.
Charles Colulomb (1736-1806) fue el primer investigador que estableció experimentalmente la interacción entre cargas, y mediante experiencias relativamente rudimentarias dedujo la ley que lleva su nombre, y que establece:
La fuerza desarrollada entre dos cargas (Q y Q’)es directamente proporcional a cada carga, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) que las separa y esta fuerza se halla
vinculadas medio que rodea a las cargas.
Su expresión matemática seria la siguiente:
F = K Q x Q’
2
d
La constante K es conocida dependiendo su valor del medio considerado, su valor en el aire es igual a uno.
La unidad de carga es el estatoculombio, que se la defina como una carga eléctrica de magnitud tal que al colocarle otra similar a 1 cm. de distancia se atraen o se repelen con una fuerza de una dina.
cuando se hallan en el vacío.
Desde el punto de vista practico esta carga es muy pequeña y en los trabajos de índole industrial
se emplea el culombio, cuyo valor equivale a 3 x 10 9 estatoculombio. Pero siendo el electrón la unidad elemental de carga la relación con el culombio es de 6 x 10 18 electrones.
DISTRIBUCIÓN DE LAS CARGAS EN UN CUERPO: Hemos visto que las cargas de igual signo se repelen, por lo tanto cualquiercuerpo cargado distribuye su carga en la superficie exterior, es en esta superficie exterior donde las cargas de igual signo pueden estar lo mas alejadas entre si, distribuyéndose de tal manera que se alcance el equilibrio sobre la superficie. Es por ello que cuanto mayor sea la curvatura del cuerpo mayor será la concentración de las cargas, cuando la superfie del cuerpo termina
en punta la concentración de las cargas en ella están grande que pueden abandonar la punta del objeto,
cargando el aire que rodea a la punta, y como este queda cargado con igual signo de la punta, se produce una repulsión de la masa de aire conocida como viento eléctrico. La punta hace de esto una eficiencia tal, que provoca la rápida descarga de todo el cuerpo del que es parte la punta. Para evitar la perdida de la carga de los aparatos diseñados para contener cargas estáticas, sus superficies se redondean. Por ejemplo la varilla del electroscopio se redondea en su parte exterior y se usan esferas metálicas para contener cargas, en estas esferas la distribución de las cargas en el exterior es uniforme, esto obedece a lo ya expuesto.
DIBUJO CREAR
EL CAMPO ELÉCTRICO: La región de espacio situado en la proximidad de un cuerpo cargado eléctricamente posee propiedades especiales,por ejemplo, colocando otro cuerpo cargado eléctricamente en dicha región, experimenta la acción de una fuerza. Tal región se denomina campo eléctrico.
El campo eléctrico es una porción de espacio en donde se hace sentir los efectos de una carga
eléctrica.
DIBUJO CREAR.
Intensidad de campo eléctrico: Este concepto es análogo al de la intensidad de campo magnético estudiada en el capitulo de magnetismo> La intensidad de campo en un punto del espacio que rodea a
la carga que origina el campo, viene definida como la fuerza por unidad de carga situada en dicho punto
y su expresión matemática es la siguiente:
E = F/ Q
En donde E es la intensidad del campo eléctrico, F la fuerza ejercida sobre la carga q. La unidad es Newton sobre Coulombio.
La dirección de un campo eléctrico en diferentes puntos del mismo puede representarse gráficamente por medio de las líneas de fuerza. Si consideramos una carga positiva y aislada (Q) y próxima a ella una pequeña carga positiva (q), esta experimentara una repulsión, hacia una carga (Q”)
negativa, la trayectoria descripta por la carga (q) para diriges de (Q) a (Q’) recibe la denominación de
línea de fuerza, estas líneas de fuerza que originadas por una carga positiva, se dirigen siempre hacia una negativa la que puede estar a gran distancia, es decir que ninguna línea de fuerza termina en el espacio limitado por esa carga. El numero de estas líneas es infinito, pero por. cada punto del campo
solo puede pasar una, por convención se representa al campo formado por un numero limitado de líneas de fuerza, suponiendo que por cada cm2 perpendicular a esa dirección, pasan por el un de líneas de fuerza, igual al que expresa la intensidad de campo en ese punto.
DIBUJO CREAR
La similitud del campo magnético con el campo eléctrico, es digna de hacerse resaltar. En efecto,
muchos de los conceptos establecidos en Magnetismo son correctamente aplicables a la Electrostática, con tal que se haga la siguiente substitución de palabras, campo magnético, por campo eléctrico; polo magnético, por carga eléctrica; intensidad de campo magnético, por intensidad de campo eléctrico;
líneas magnéticas de fuerza, por líneas electrostáticas de fuerza y permeabilidad, por constante del dielectrico.
CARGA DE UN CUERPO POR LA PRESENCIA DE UN CAMPO ELÉCTRICO (CARGA POR INDUCCIÓN)
Se trata de un procesopor medio del cual se pueden producir cargas de signo contrario, sin que
el material que origina la carga pierda su carga original, este método recibe la denominación de carga
por inducción y se lo puede explicar de la siguiente manera:
a) Supongamos dos esferas metálicas en contacto y que se hallan en estado neutro.
b) Se aproxima a ellas una varilla de plástico frotada, esta denominada inductor origina un campo eléctrico. Al aproximarla a las esferas, sin establecer contacto con ellas, los electrones libres de las esferas metálicas son repelidos, produciéndose en la esfera próxima al inductor una deficiencia de electrones, quedando por tal razón cargada positivamente, si se retira el inductor las cargas se reubican
en su posición inicial y la esferas vuelven a su estado de neutralidad
c)Manteniendo constante la acción del inductor y separando luego las esferas, el proceso descripto anteriormente persiste.
d)Se retira la acción del inductor y se mantiene constante la posición de las esferas como se indico
en el punto (c), y como las cargas se atraen entre si, se enfrentan pero el aire actúa como dielectrico no
permite que salten de esfera que tienen cargas negativas hacia la que posee cargas positivas..
e)Al separar mas las esferas, de manera que no exista interacción entre ambas, las cargas se distribuyen unifórmente, en toda la superficie exterior de las mismas. En todo el proceso la cantidad de carga
poseía el inductor no experimento variación alguna, mientras que esferas quedaron cargadas eléctricamente.
DIBUJO PAG. 10 APUNTE GCV
Los fenómenos de inducción pueden producir inconvenientes, por tal razón si se quiere aislar un cuerpo o un instrumento de estos fenómenos se emplea un elemento conocido con el nombre de Jaula de
Faraday. Se trata de unared metalica en forma de caja, las cargas que llegan a ella se localizan en la superficie exterior, por ejemplo si se coloca un electroscopio en su interior, y se lo somete la Jaula a la
acción directa de un cuerpo cargado o a los efectos de la inducción, el electroscopio no denuncia alteración alguna .
DIBUJO
VARIACIÓN DE LA ENERGÍA EN UN CAMPO ELÉCTRICO
En tomo II pag de Alfabetización científica se hablo de energía potencial, considerando que esta es una forma de energía latente, que se encuentra presente y solo se manifiesta cuando se la requiere.. Por ejemplo una determinada carga (Q) que crea un campo origina en el espacio que la rodea una determinada energía potencial cuyo valor estará estrechamente vinculada con la mayor o menor proximidad a ella. Esta energía latente se pondrá de manifiesto, cuando por ejemplo le coloquemos otra carga, originándose las ya mencionadas atracciones o repulsiones, según posean o no cargas de distinto o igual signo.
DIBUJO
POTENCIAL ELÉCTRICO: Vamos a iniciar el analisisi de este concepto mediante una analogía hidráulica, si consideramos un recipiente en cual hemos vertido una cierta cantidad de agua, esta alcanzara un cierto nivel respecto a otro recipiente próximo el que se encuentra vacío, el primer recipiente poseerá mayor energía potencial que su recipiente vecino. si luego unimos ambos recipientes
por sus base mediante una manguera, se producirá una corriente de agua del que posea mayor nivel al de menor, que cesara cuando sus niveles hidráulicas se iguales, es decir que adquieran idéntica energía potencial.
Si en lugar del recipiente consideramos un conductor descargado al que posteriormente le entregamos cargas, este alcanzara mayor nivel eléctrico es decir alcanzara mayor energía potencial que los cuerpos que se hallan a su alrededor, podemos decir entonces que el potencial eléctrico es el resultado de las cargas acumuladas en un conductor. Si unimos este conductor cargado a uno descargado se establecerá un pasaje de cargas que cesara cuando sus niveles eléctricos o potenciales se igualen, decimos que ambos conductores se hallan a diferentes potenciales. Podemos decir entonces
que la diferencia de potencial es un estado de no equilibrio entre dos conductores que tienden a igualar sus niveles mediante el pasaje de cargas.
Su explicación desde el punto de vista físico, se halla vinculada con los distintos niveles de energía potencial que se originan en el campo originado por una carga (Q), a la que le aproximamos una carga menor (q) de igual signo, esta será objeto de fuerzas de repulsión o atracción cuya intensidad dependerá de la mayor o menor proximidad a la carga que dio origen al campo. Si se desea hacer avanzar la carga en contra de las fuerzas de repulsión se deberá emplear una fuerza exterior y la carga
en cuestión realizara un trabajo, (para el concepto de Trabajo ver Alfabetización Científica Tomo II pag.
..... ) el valor de esta trabajo se hallara medido por el producto de la carga por la distancia que avance,
es decir la diferencia de energía potencial entre un nivel con otro de dicho campo eléctrico.
DIBUJO APUNTE PAG 8
El trabajo eléctrico eléctrico, quedaría expresado matemáticamente de la siguiente forma:
L = q x (Va - Vb)
y por consiguiente la diferencia de potencial entre dos puntos del campo eléctrico resultaría:
Va - Vb = L / q
La unidad que se emplea desde el punto de vista industrial es el VOLT que es el trabajo equivalente a un Joule para desplazar la carga de un Coulombio, así por ejemplo cuando se dice que la batería de un automóvil es de 12 volt , se quiere significar que si tuviéramos que mover una carga positiva del borne negativo (menor potencial) al positivo (mayor potencial), el trabajo necesario para lograr su desplazamiento, en el campo creado ente ambos bornes será de doce Joule por Coulombio.
El pararrayos
Cuando se producen tormantas las nubes se cargan de electricdad y se producen chispas de gran magnitud entre una nube y otra, o entre una nube y la tierra. Estas chispas calientan el aire que les sirve de soporte, haciendo dilatar el aire, esto origina el trueno. La causa de la carga electrica de las nubes,
no es muy clara. Una teoria considera que al desmenuzarse las gotas de agua, por una corriente de aire,
se cargan electricamente la menor tamaño adquieren cargas negativas, mientras que las de mayor tamaño
adquieren cargas positivas. Cuando las gotas de lluvia se desacen por violentos golpes de viento, las gotas cargadas positivamente se elevan mas despacio que las cargadas negativamente, por lo tanto las nubes mas bajas adquieren cargas positivas.
Los rayos pueden saltar de una nube a otra y, a veces, entre una nube y la tierra . Cuando una nube fuertemente cargada se encuentra sobre, arboles, edificios y otros objetos, estos se cargan con signo
contrario por inducción. Una vez producida la descarga, o cuando se aleja la nube, los cuerpos así cargados pierden sus cargas. Si una persona toca estos objetos, antes que estén descargados, puede originarse accidentes muy riesgosos, sin que el rayo alcance a esa persona.
Benjamin Franklin, descubrió que las cargas eléctricas escapan por las puntas y aplico su descubrimiento en la invención del pararrayos. Franklin sugirió que si los rayos eran de naturaleza ELECTRICA, las cargas podían tomarse de las nubes por medio de una varilla larga con la punta colocada sobre el techo de un edificio alto, de esta forma se protegerían los edificios de la acción de las tormentas eléctricas. Su descubrimiento fue aplicado rápidamente, apareciendo primeramente en Europa estos
pararrayos. La eficacia de los parrayos ubicados en los edificios mas altos de la ciudad y conectados
a tierra, queda bien demostrada, por el hecho que estos reciben durante una tormenta multitud de rayos
sin ser dañados. Una estructura provista de pararrayos da una protección casi completa dentro de un gran cono en torno a ella, la superficie de la base de este cono de protección es igual a x r2, en donde el radio equivale a una vez y media la altura del edificio.
Para protegerse de la acción de los rayos en campo abierto, es conveniente alejarse de los arboles aislados o de pequeños cobertizos, puesto que estos son propensos a la atracción de los rayos. En caso de
encontrarse en campo raso, es conveniente inclinar el cuerpo y mojese , en lugar de quedar de pie.
En los edificios sin pararrayos es conveniente mantenerse alejado de los hogares o chimeneas, puesto que sus capas de hollín constituyen buenos conductores de los rayos.
PELIGROS DE LA ELECTRICIDAD ESTATICA
En las fabricas textiles y en las de papel se generan cargas electricas, cuando estos materiales pasan por lo rodillos metalicos. Cuando los mismos se descargan pueden originar incendios, este peligro se evita humedeciendo el aire para que las peliculas de agua que se forman aleje la electricidad de las superficies.
En las estaciones de servicio, cuando se carga combustible a un vehiculo, la friccion entre la
boquilla metalica de la manguera y el combustible pueden originar cargas, produciendo una chispa cuando la boquilla toca el tanque del auto. Se reduce el peligro poniendo la boquilla a tierra.
La friccion de las llantas de un camion de gassolina, contra el camino puede generar una carga
tal que posteriormente, cuando se abra la valvula, los vapores del combustible se quemen, para evitar este peligro, se cuelga una cadena metalica al camion, el extremo libre sirve de descarga.
En los hospitales pueden ocurrir explosiones en las salas de operaciones cuando el vapor del eter
se quema con las chispas, de las ropas de medicos o enfermeras, para aminorar este peligro sus ropas
sson de algodon y la mesa de operaciones se conecta a tierra para descargarla.
Recuerde nunca frote la ropa con un paño embebidoen nafta, bencina, etc. La friccion puede generar una carga electrica y producir una chispa enciendiendo el vapor que emana de estos combustibles.
TRABAJOS PRACTICOS
Objetivo de la practica: Comprobar la distribución de las cargas en los cuerpos
Material necesario: Una lata de conserva, un taco de madera, un tornillo con tuerca, hilo de coser, telgopol, clavos, regla de plástico y un paño de lana.
Procedimiento: Quitar la pintura de la lata de conserva, clavarla sobre el taco de madera, en el punto opuesto donde la fijo sobre el taco realice una perforación, pase el tornillo por ella y fíjelo al recipiente
mediante tornillos, tomando su parte media. En el extremo del tornillo que queda al exterior del recipiente cuelgue dos péndulos de telgopol, efectúe idéntico procedimiento pero en la parte del tornillo que quedo en el interior del recipiente.
DIBUJO CREAR
Frote fuertemente la regla de plástico toque con ella el recipiente metálico. Podrá observar que los péndulos situados en el exterior se separan, mientras que los del interior permanecen unidos. Al tocar
el recipiente metálico con la varilla frotada, al ser esférico las cargas se distribuyen en forma uniforme
en el exterior del recipiente, mientras que en el interior, los péndulos permanecen unidos comprobándose
la ausencia de cargas, puesto que al ser estas del mismo signo se repelen lo mas lejos posible, situándose por tal razón en la superficie exterior del cuerpo.
Objetivo de la practica: Comprobar que las cargas eléctrica se localizan en las zonas de mayor curvatura
Materiales necesarios: Dos tacos de medera de 5 cm de lado y 1 cm. de arista para que sirvan de soporte a dos varillas de madera de 6 cm de alto (recuerde las medidas que se dan son aproximadas), una tira de papel metálico de 5 cm. de ancho y 6 cm de largo,.tres tiras finas del mismo papel de ),1 cm de ancho y
cuatro cm de largo.
Procedimiento: Coloque cada varilla en su respectivo taco, fijándola en el mismo. Colocar en los extremos de la varilla la tira gruesa de papel separar los varillas para que la tira de papel metálico quede
estirada, doblando las tiras mas finas por la mitad y colocándolas sobre la tira central (Ver figura adjunta).
Con la tira estirada, tocar uno de sus extremos con la regla de plástico a la que Ud. Froto fuertemente, observara que las tiritas de papel se levantan a ambos lados de la tira central.
Mueva los soportes de forma tal que la tira central se curve, podrá observar que las tiras en
las partes convexas se levantan mientras que las correspondientes a la parte convexa no modifican su
posición..
DIBUJO CREAR
Objetivo de la practica: Obtención de mayor cantidad de cargas, empleando el fenómeno de inducción eléctrica ( Construcción de un electroforo).
Materiales necesarios: Placa de telgopor grueso de 20 x 20 cm. o en su defecto se puede emplear un disco fonográfico, tapa circular de un envase de hojalata, un taco de madera de 6 cm. de largo y 2 cm de ancho (también se
puede emplear un trozo de mango de escoba de 6 cm de largo), tornillo o clavo, paño de lana, electroscopio..
Procedimiento: En el centro de la tapa circular fijar el taco de madera, que actuara de mango aislador.
Frotas fuertemente el disco o el telgopor, acercar la tapa al disco o telgopor, lo mas cerca posible pero sin
que se toquen, tocar un instante con el dedo, luego retirarlo y acto seguido retirar la tapa siempre tomada por el aislante y tocar la esfera del electroscopio el que se cargara.
Explicación: Al frotar el disco o el tergopor este quedara cargado, al acercar la tapa el campo eléctrico
que crea el material frotado induce a la tapa metalica que al ser tomada por el aislador evita se descarga
a tierra, cuando se toca con el dedo la tapa las cargas de igual signo del material frotado pasan a tierra,
al retirar el dedo y luego la placa metalica quedan en ella cargas de distinto signo que las que poseía el material frotado, este al no haber perdido su carga inicial puede carga nuevas placas.
CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN
Que se entiende por carga eléctrica?
De que depende la fuerza de atracción o repulsión de dos cargas eléctricas?
Que unidades de carga eléctrica conoce?
Dos cargas puntuales de 0,4 coulombios y 0,7 coulombios se encuentran en el aire a 0,2 m. Que fuerza de repulsión se origina entre ambas. Si ambas se encuentran en el aire ?
Calcular la distancia que se deben colocar dos cargas de 4 coulombios y 2 coulombios, para que se repelan con una fuerza de 1 newton, sabiendo que ambas cargas se encuentran en el aire?
Si se carga una esfera hueca de 4 cm. De radio. En que parte de la misma se localizan las cargas?
Como explica que las cargas se localicen en la superficie exterior de los conductores?
Como explica que el cabello se levante al tocar un cuerpo cargado?
Que entiende por campo eléctrico?
Que entiende por líneas de fuerza de un campo eléctrico?
A que se denomina intensidad de campo?
Cuantas líneas de fuerza pasan por un punto de un campo eléctrico?
Las líneas de fuerza creadas en un campo eléctrico tienen principio y fin ?
Que entiende por potencial eléctrico?
Que diferencia si existe hay entre dos puntos de un campo eléctrico?
Que unidad conoce de diferencia de potencial?
Existe pasaje de cargas entre dos que poseen igual potencial, cuando se lo une con un alambre de cobre?
Cual es la diferencia de potencial entre dos p[untos de un campo eléctrico, si para transportar una carga
de 5 coulombios se realiza un trabajo de 5 Joule?
Calcular el valor de la carga que debe realizar un trabajo de 2 Joules, para circular entre dos puntos de un campo cuya diferencia de potencial es de 100 voltios?
Que diferencia existe entre carga por contacto y carga por inducción?
En que consiste el proceso de carga por inducción?
De que manera puede aislar un instrumento de los fenómenos de inducción?
CAPITULO IV
LOS CAPACITORES
Si en un recipiente introducimos un liquido, este alcanzara un cierto nivel el que aumentara a medida que le coloquemos mas, la capacidad del recipiente dependerá de la cantidad de liquido que se
le coloque y del nivel que el mismo alcance.
Un proceso similar ocurre en los conductores; al entregarle cargas se eleva su potencial o nivel eléctrico. Si realizamos los cocientes entre la carga entregada al conductor y el potencial o nivel eléctrico alcanzado por el, se obtendrá un valor constante que define la capacidad electrica de ese conductor, la que solo se mantendra como tal mientras la inducción de los cuerpos ubicados en su prximidad sea despreciable.
. La expresión matemática que determina la capacidad de un conductor es la siguiente:
C = q / V donde C indica la capacidad del conductor
q la carga entregada al mismo
V el potencial o nivel eléctrico que el conductor
alcanza.
La unidad de capacidad es el Faradio (F) que es la capacidad de un conductor que al entregarle la carga de un culombio (C) se eleva su nivel eléctrico o potencial en un volt (V) (F = C / V).
Como el faradio resulta una unidad muy grande para medir la capacidad de un conductor se emplean los múltiples del faradio que son el micro faradio (10 -6 F) , el mF (10 -9 F) y el F (10 -12F).
Variacion de la capacidad de un conductor cargado por la proximidad de otro unido a tierra
.
Si consideramos una esfera (A) cargada conectada a un electroscopio y una segunda esfera (B) neutra, situada a una distancia suficientemente alejada para que no se produzca sobre ella inducción alguna.. Si a continuación se aproxima la esfera (B) descargada hacia l a cargada (A), las hojuelas del
electroscopio conectada a ella convergen. Al acortar la distancia entre ambos conductores las hojuelas convergen aun mas, marcando en cada caso una disminución del nivel eléctrico en el conductor (A).
La explicacion de este fenomeno se encuentra vinculado con la induccion que origina el conductor (A) sobre (B), cuyas cargas de signo contrario interactuan sobre el conductor cargado (A),
atrayendolas, esto origina que su nivel electrico (potencial) disminuya.
Si a continuación se conecta la esfera (B) a tierra, el nivel eléctrico de (A) disminuye aun mas. En este caso el conductor (B) elimina las cargas del mismo signo que las localizadas en (A), las que se hallaban en las partes mas alejadas del conductor (B).
Mientras se produce este proceso las cargas localizadas en el conductor (A) permanecieron constantes, originándose únicamente una disminución de nivel electrico (potencial) el que se hara mas acentuado en la medida que el conductor (B) se aproxime hacia (A) pero sin llegar a establecer contacto entre ambos. De acuerdo a la expresión de capacidad (C=q/v), al permanecer la cantidad de carga del conductor (A) constante (en todo momento no se produce pasaje de cargas) y al disminuir su nivel electrico (potencial) se produce el aumento de la capacidad del conductor. Esto permite que se le entreguen mas cargas, pero sin que su nivel electrico supere al elemento que le entrega las cargas.
DIBUJO CREAR
Condensadores:La variación de la capacidad de un conductor por la proximidad de otro unido a tierra, es una propiedad que permite fabricar dispositivos que pueden almacenar temporalmente cargas eléctricas, en realidad todos los cuerpos aislados poseen , en cierto grado la propiedad de retener cierto tiempo una carga eléctrica y por esta razón, tales cuerpos pueden llamarse condensadores. Pero en lo que respecta a los condensadores propiamente dicho, estos se construyen con placas metálicas aisladas entre si y ademas de los cuerpos que las rodean. Estos dispositivos tienen la propiedad de poder almacenar una considerable cantidad de cargas y de conservarla temporalmente para poder ser utilizada mas tarde en un intervalo de tiempo sumamente pequeño. Estos instrumentos se emplean en un
gran numero de aparatos eléctricos, como por ejemplo receptores de radio, aparatos electrónicos de toda clase, equipos de telefonía y telegrafía, en los circuitos eléctricos, etc.. En el caso de los motores el condensador brinda la carga adicional necesaria para su encendido
En esencia un condensador, se halla formado por dos partes:
a) Armaduras: Son dos conductores, que pueden ser planos, esféricos o cilíndricos, uno de ellas
se la conecta al elemento productor de cargas, mientras que la otra se la vincula a tierra,
originandose de esta forma una diferencia de potencial entre ellas .
b) Dielectrico: A fin de disminuir al máximo la distancia entre ambas placas, para lograr así un
máximo de capacidad, se coloca un mal conductor o dielectrico
.La botella de Leyden: El 11 de octubre de 1745, Edward Kleist, dean de Cammin, en Pomerania, introdujo un clavo en una botella, cuyo interior estaba húmedo y lo electrizo mientras mantenía la botella con la mano, al querer sacar el clavo con la otra mano, recibió una fuerte sacudida, este fenómeno se hacia mas evidente cuando el frasco contenía alcohol o mercurio. Al mismo tiempo que Kleist anunciaba sus experimentos, se supo que otro semejante se había llevado a cabo en la ciudad de Leyden ese mismo año. Allí Pedro de Musschenbroek, realizo un experimento similar, recibiendo también una fuerte descarga electrica. En 1746 Musschebroek, escribe a un físico amigo llamado Reamur acerca de este << horrible experimento>> con la observación de que <<ni aun por la corona del rey de Francia querría volver a sufrir otra vez tan espantosa conmoción>>. Este artefacto recibio el nombre de <<botella de Leyden>> , años despues Alejandro Volta , le dio el nombre de condensador. Faltaba solo reemplazar la armadura interior, el agua, y la armadura exterior, la mano del experimentador, por dos hojas de papel de estaño separadas por la pared del frasco. Asi lo hicieron los fisicos ingleses Juan Bevis y Guillermo Watson en 1748, dandole la estructura final a la que hoy conocemos con el nombre de botella de Leyden. .
Las hojas de papel de estaño cubrian hasta una altura equivalente a los 2/3 de recipiente de vidrio, la interna constituia el colector y se la ponia en contacto con la maquina productora de cargas electricas, mediante una varrilla metalica que terminaba en un boton esferico; la armadura exterior denominada condensador, era conectada a tierra, la descarga de la botella de Leyden se producia poniendo en contacto ambas placas metalicas., mediante una pinza de descarga.
Dibujo Botella de Leyden
Los escritos de la época advertian que al producirse la descarga de la botella de Leyden, esta podia provocar fiebre, hemorragias nasales, convulsiones, etc.
Con el invento de este condensador se avanzo notablemente en los estudios eléctricos, así por ejemplo en el año 1773 los físicos compararon las sacudidas producidas por los llamados peces eléctricos, con las descarga de una botella de Leyden, invitando al estudio de los aspectos biológicos de la electricidad. En el año1793, el italiano Luigi Galvani, de Bolonia, hizo pasar la descarga de una botella de Leyden por el anca de una rana y observo que originaban contracciones espasmódicas en los musculos de ese animal. Dedujo acertadamente, pero sin comprobarlo que las contracciones musculares podían producir efectos eléctricos. Atribuyo estos efectos a lo que llamo electricidad animal,. Años despues se los denomino “galvanismo” en homenaje a su descubridor..
DIBUJO de la botella y ver Volta y la pila
Condensador plano: Es el condensador eléctrico mas simple, esta formado por dos placas metálicas o armaduras muy próximas entre si, pegadas a una lamina de vidrio u otro dielectrico, la parte no recubierta se la pinta con goma laca, a fin de lograr su completa aislaron. Si estas placas se conectan a una batería de un automóvil, los electrones abandonan una placa y entran en el borne positivo de la batería, mientras que un numero igual de electrones dejan el borne negativo de la batería y entran en la otra placa. De esta manera, la primera placa se hace positiva, y la segunda negativa, continuando este proceso hasta que la diferencia de potencial entre las placas resulta igual a la fuerza electromotriz de la batería (Ver Capitulo ..........Pag...........). Al llegar a este momento, se interrumpe la corriente y se dice que el condensador esta cargado.
Obsérvese que las cargas no pasan a través del condensador, sino que sale de una de las placas que forman el condensador y entra en la otra.
DIBUJO condensador plano Simbolo de condensador Dibujo
La capacidad (C) de un condensador plano es directamente proporcional a la superficie de sus armaduras (S) e inversamente proporcional a la distancia que las separa (d), multiplicado por un valor correspondiente a la constante (K) del dielectrico interpuesto entre ambas placas del condensador
S
C = K-----
2
d
CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN
1)Que entiende por capacidad electrica?
2)Que unidad de capacidad conoce?
3)Que sucede si a un conductor cargado se le aproxima un conductor descargado?
4)Que es un condensador?
5)Que propiedad de los conductores se aplica para su fabricación ?
6)Cual es el empleo de los condensadores?
7)De que depende la capacidad de un condensador plano?
8)En que consiste una botella de Leyden ?
9)Como se descarga un condensador?
10)Para que se emplea un condensador?
CAPITULO V
LAS CORRIENTES ELÉCTRICAS
Las corrientes eléctricas son de gran importancia, ellas permite mejorar nuestra calidad de vida. Casi todos los aparatos modernos como radios, televisión, iluminación, etc. funcionan en base a corrientes eléctricas. Pero el aspecto mas importante es su capacidad para transmitir gran cantidad energía a grandes distancias con pequeñas perdidas.
En el presente capitulo vamos a poder responder preguntas como: Que es la corriente eléctrica?;
Como se usa en la industria, en nuestros hogares, en la ciudad y en el campo?
Corriente eléctrica
Si consideramos dos recipientes uno con agua y otro vacío, diremos que el contiene agua posee
mayor nivel hidráulico que el vacío, y por consiguiente mayor energía potencial (Ver Alfabetización científica T II paga...)que su vecino, si procedemos a unir ambos recipientes mediante
una manguera se producirá un pasaje de agua del recipiente lleno al vacío, el que cesara cuando ambos alcancen el mismo nivel (igualaron sus energías potenciales).En forma similar acontece cuando se ponen en contacto mediante un cable conductor dos cuerpos cargados con distintos niveles eléctricos(potenciales),
se originara un pasaje de cargas a través del conductor que los une, el que cesa cuando sus niveles eléctricos (potenciales ) se igualan. Este desplazamiento se realiza en un brevisimo intervalo de tiempo, a este movimiento de cargas se conoce con el nombre de corriente eléctrica.
Dibujo crear
La explicación de este fenómeno encuentra su raíz en la clasificación de los materiales según su conductibilidad. Cuando se distinguió a los materiales buenos conductores se especifico que ellos poseían electrones libres que ambulaban por el cuerpo en forma desorientada. Cuando este buen conductor es sometido a una presión eléctrica, por ejemplo con una barra de plástico o vidrio previamente frotada, estos electrones se orientan en su desplazamiento.
Si a un electroscopio lo conectamos a una barra de plástico frotada mediante un alambre de cobre
los electrones que pasan de la barra de plástico al cable conductor empujan a sus electrones libres del cable, haciendo llegar al electroscopio la misma cantidad de electrones que le fueron entregada por la barra de plástico. Este proceso es similar al que se originaria en un tubo lleno de bolitas, al que le queremos agregar mas, en el extremo contrario en el cual las introducimos se produciría una expulsión de tantas bolitas como las que se agregan.
Resulta interesante acotar que en uno, como en el otro caso los electrones que emergen del conductor, como en el caso de las bolitas, no son los mismos que entraron.
Se puede resumir lo expresado anteriormente, diciendo que:
Una corriente eléctrica es un flujo constante de electrones que se desplazan a lo largo de un conductor..
DIBUJO CREAR
Fuentes productoras de electricidad: Para que circule corriente por un alambre conductor, es necesario
mantener en sus extremos una diferencia de potencial; o niveles eléctricos, el elemento activo que origina
la diferencia de niveles es el generador , este no crea electrones, solo se limita a moverlos. En la práctica
existe un cierto numero de dispositivos denominados generadores de electricidad , los mas conocidos son las pilas, acumuladores, dínamos, etc.
Históricamente el primer generador conocido, fue la pila descubierta por Alejandro Volta en 1790,
quien le dio esa denominación por la forma en que se hallaban distribuidos los elementos que la componían que eran un serie de disco de cobre y zinc, separados por un fieltro embebido en ácido sulfúrico., los que eran colocados uno en sima del otro, de allí su denominación de pila.
Dibujo Volta y la pila
En la practica se puede construir una pila de Volta, introduciendo en una solución diluida de ácido
sulfúrico y agua dos varillas de zinc y cobres, los que constituyen los bornes o polos de la pila.
.
Dibujo Como funcionan pag 279 Símbolo
Al introducir el cobre y el cinc en la solución se produce la reacción química. Los átomos del ácido
toman los electrones de los átomos de cobre y los transfieren a los átomos de cinc. Entonces los electrones
fluyen a través de la solución hacia los metales. El cinc que libera electrones conforma el borne negativo de la pila, mientras que el cobre que recibe electrones será el borne positivo. Esto origina que entre ambos
se produzca una diferencia de potencial de 1,1 volt. Al unir ambos bornes con un alambre conductor se origina paso de una corriente eléctrica.
En la actualidad se emplea la pila seca, que se halla conformada por un recipiente de zinc y una varilla de carbón , separadas por una pasta que contiene un agente oxidante. La reacción química
entre el agente oxidante y el zinc hace que se origine una diferencia de potencial con la varilla de carbón
de 1,5 volt.
Dibujo Mur phi pag. 341
Sentido de la corriente originada: Cuando se estableció la convención que determina cual era el sentido que debía seguir la corriente, se ignoraba que ella estuviera formada por electrones. Esto ha dado origen
a que se consideren dos sentidos de la corriente, uno al que llamaremos sentido técnico empleado por razones técnicas y comerciales cuya orientación es de positivo a negativo y el sentido físico, que se emplea en cálculos científicos de negativo a positivo. En el presente trabajo se adoptara el sentido técnico de la corriente, dado que la mayoría de los fenómenos a estudiar resultara indiferente el empleo de uno u otro sentido.
La trayectoria que describe la corriente eléctrica para dirigirnse de un borne a otro del generador a través de los conductores recibe la denominación de circuito eléctrico.
Dibujo crear
Corriente continua y alterna: La corriente eléctrica producida por una pila es continua (CC)
. Los electrones circulan en una dirección desde la terminal negativa hacia la positiva . Aunque cada electrón se mueve muy despacio, la carga eléctrica se propaga con mucha rapidez . Debido a que los electrones que entran en el circuito chocan con los electrones que están con los átomos del metal, obligándoles a abandonar un átomo y a chocar con el próximo. Este intercambio de electrones progresa rápidamente a lo largo del alambre y hace que la carga eléctrica se propague con gran velocidad.
En la corriente alterna (CA) los electrones tienen un movimiento de vaivén de cincuenta veces por segundo, de modo que las terminales cambian rápidamente de positivo a negativo y viceversa. Esto no altera el funcionamiento de una lampara eléctrica, dado que ella se enciende sin tener en cuenta la dirección que circula la corriente. En general las principales fuentes de alimentación en la vida diaria son de corriente alterna.
Dibujo Como funcionan pag. 287
Intensidad de una corriente: Cuando observamos desde un puente la cantidad de agua que pasa por debajo del mismo en un segundo, estamos hallando la intensidad de la corriente de ese canal que conduce agua de forma análoga, al considerar a la corriente eléctrica como un flujo constante de electrones, la cantidad de ellos que pasa por una sección normal al conductor, recibe la denominación de intensidad de una corriente.
Dibujo Tec. 188 y mio
La expresión matemática de intensidad eléctrica resulta:
I = q / t donde I es la intensidad de la cte.
q la carga que pasa por la sección normal del conductor t el tiempo
Si la carga eléctrica o cantidad de electricidad que pasa por la sección normal del conductor se mide en
electrones por segundo la unidad resultante será electrones sobre segundo (electrones/s), pero esta valor resulta muy pequeño y dificulta los cálculos, por tal razón se emplea una unidad mayor que es el Ampere
que corresponde a la carga de un Coulombio que pasa en un segundo por la sección normal del conductor, ese valor equivale a la carga de 10 a la18 electrones por segundo.
1 Ampare = 1 Coulombio
s
Efectos de la corriente eléctrica: Al paso de las cargas por los conductores se pueden producir sobre ellos una serie de efectos, como ser:
Efecto térmico: Al paso de la corriente por un alambre conductor se produce una elevación de temperatura llegando a ponerse la rojo como en los calentadores, o incandescente como en las lamparas eléctricas. Este efecto es conocido con el nombre de efecto Joule, en honor al físico que lo estudio. James Prescott Joule (1818-1889).
Efecto magnético: Si colocamos una aguja magnética sobre un conductor, de forma tal que sus direcciones sean coincidente, se podrá comprobar que al paso de la corriente por el conductor, la aguja se separa de su primitiva posición formando un cierto ángulo con el conductor, este hecho permite comprobar que al paso de la corriente por un conductor se origina un campo magnético. Este efecto fue estudiado por el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) .
Efecto químico : Estudiado por Michael Faraday (1791-1867), quien comprobó que al cortar los conductores se interrumpía el paso de corriente, y que cuando se introducían los terminales de los cables
cortados en un recipiente conteniendo aceite, se mantiene la ausencia de corriente, pero si reemplaza el
aceite por una solución salina o acidulada, la corriente circulaba nuevamente. Observo además que al
paso de la corriente se producían cambios químicos en la solución, los que tenían lugar en los terminales de los conductores introducidos en la solución. A diferencia de la conducción en los sólidos en donde no se
produce cambio alguno, a los conductores líquidos los denomino electrolitos o conductores de segunda clase.
Efecto fisiologico:Cuando una persona recibe una descarga electriza su cuerpo experimenta una combinación de efectos químicos y calorificos.
Dibujo
Amperímetros y Voltímetros: Un amperímetro es un instrumento que permite medir la intensidad de la corriente que circula por un circuito. Se lo debe colocar de forma tal que toda la corriente pase por el, a este tipo de conexión se la conoce con el nombre de conexión en serie
Un voltímetro es un instrumento que permite determinar la diferencia de potencial entre dos puntos
de un circuito eléctrico. Se lo debe conectar de forma tal que determine la diferencia de niveles entre dos
puntos de un mismo circuito. A esta conexión se la conoce con el nombre de conexión en paralelo.
Dibujo
Fuerza electromotriz (fem): Para que circule una corriente eléctrica por un conductor es necesario que exista una diferencia de potencial entre los extremos del mismo. A medida que la corriente recorra el conductor el potencial ira disminuyendo hasta anularse.
Este proceso resulta similar a lo que sucede cuando en un par de vasos comunicantes, se coloca
agua, se producirá por el caño que los une una corriente hidráulica que cesara cuando ambos vasos alcancen un mismo nivel de agua (ambos habrán igualado sus energías potenciales). Pero si el sistema de
vasos comunicantes fuera cerrado y en la base inferior existiera una turbina, esta haría circular el agua en
forma continua, como si existiera una diferencia de niveles constante.
En un circuito el generador cumple las condición de la turbina del ejemplo propuesto anteriormente,
creando en forma constante la diferencia de potencial, permitiendo así el paso continuo de las cargas a través del conductor.
La capacidad que posee un generador de crear una diferencia de potencial constante se conoce con el nombre de fuerza electromotriz (fem).
La fuerza electromotriz se mide en volt, .que indica la energía suministrada por el generador para que cada coulombio recorra íntegramente el circuito.
Dibujo apunte GCV
Resistencia eléctrica: La resistencia de una sustancia es la dificultad que ofrece al paso de la corriente .
Dado que la corriente es un flujo de electrones que saltan de un átomo a otro, la resistencia depende funda-
mentalmente de la firmeza con que los electrones están sujetos a los átomos. En un buen conductor como
el cobre, algunos electrones están muy débilmente unidos a sus átomos y la resistencia es muy pequeña,
mientras que en un mal conductor de la electricidad (aislador o dielectrico), como el caucho, todos los electrones están firmemente unidos a sus respectivos núcleos y la resistencia resulta muy grande.
De acuerdo a los expuesto, en los circuitos eléctricos simples, hay que considerar tres factores:
1º La presión eléctrica que empuja la corriente a través del circuito (tensión), que es brindada por el generador.
2ºLa resistencia opuesta por el circuito, es decir la fuerza con que los átomos en cualquier parte de esta son capaces de mantener a sus electrones y contener así el flujo.
3ºLa intensidad de la corriente que fluye, es decir el numero de electrones que pasan en un tiempo dado por una sección normal del conductor.
Jorge Simon Ohm(1787-1854), físico alemán, siendo maestro en la ciudad de Baviera, advirtió este fenómeno, y encontró la relación entre la presión eléctrica y la cantidad de corriente que circulaba en un determinado objeto a cierta temperatura; definió así una constante que llamo “resistencia del conductor”.
Dibujo
R = V / I Siendo : R = resistencia símbolo
V = Tensión
I= Intensidad de la corriente
La unidad en que se mide la resistencia se llama ohmio(). La presión que mueve la corriente se expresa en voltios y la intensidad de la corriente en amperios.
Ohmio () = Voltio/Amperio
La ley de Ohm queda enunciada de la siguiente forma:
La corriente que fluye a lo largo de un alambre dado, es directamente proporcional a la presión eléctrica (tensión), e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece el conductor al paso de las cargas..
I = V/R
Circuito abierto y cerrado: En los circuitos, el generador impulsa la corriente en una sola dirección que
va del borne positivo al negativo del mismo, la corriente solo puede circular a través del circuito cerrado.
Si estuviera abierto en alguna parte, cesaría el flujo de corriente.
Dibujo circuito abierto circuito cerrado
Otros factores que intervienen en la resistencia de un conductor: La resistencia de un conductor se halla también vinculada con la longitud y la sección del mismo. Obviamente cuanto mas largo y angosto
sea mayor será la resistencia que ofrezca. Además cada sustancia posee su propia resistencia, por ejemplo
un buen conductor como el cobre, ofrece poca resistencia, mientras que un aislador como el vidrio ofrece
gran resistencia. Esta característica propia de cada material se conoce con el nombre de resistividad especifica.(), por ejemplo la resistividad especifica del cobre es de 0,017 mm2.
m
DIBUJO CREAR
Luego la resistencia de un conductor en función de su naturaleza resultara:
Rn = l / s x l = medido en metros
s = medido en mm2
= medido en mm2
m
Se puede comparar a la corriente eléctrica, a un conjunto de hombres corriendo por un bosque., supongamos que los arboles se agiten mucho; entonces el paso de los hombres a través de él se dificultara.
Lo mismo sucede en la corriente eléctrica con la temperatura: al subir esta, aumentan las vibraciones de las moléculas, los choques de los electrones son mas numerosos, y como consecuencia de ello aumenta la resistencia del conductor. Inversamente, muy cerca del frío absoluto, donde el movimiento es casi nulo. los metales se vuelven superconductores, es decir que no ofrecen resistencia alguna al paso de la corriente.
DIBUJO Crear
Caída de potencial : La corriente continua es semejante al flujo de agua a lo largo de una cañería en una
sola dirección. Sin las presiones constantes de una batería, el flujo de electrones seria gradualmente retardado por la resistencia. Análogamente, el agua necesita ser empujada para seguir moviéndose en un ritmo inalterable.
La presión del agua que sale del extremo del tubo no es tan grande como la presión inicial. También la presión eléctrica (tensión) es menor después de haber forzada a los electrones a través de una resistencia. De hecho, entre los extremos de una resistencia se produce una caída de potencial.
Dibujo crear
Montaje de resistencias en serie : Cuando se conectan varias lamparas en un mismo circuito, de tal manera que toda la corr iente que circula deba pasar por todas ellas, antes de volver al borne negativo del generador, se habrá obtenido una conexión en serie
Como cada lampara ofrece una determinada resistencia, al colocar varias de ellas en el trayecto de la corriente, la resistencia total se habrá multiplicado, es decir equivaldrá a la suma de las resistencias parciales de cada una.
En caso de que la cantidad de lamparas colocadas en serie sean muy numerosas, puede ocurrir
que no llegaran a emitir luz, pero si se agregan mas pilas al circuito, es decir, mas presión eléctrica, aumentara la cantidad de cargas por segundo (intensidad), encendiendo entonces todas las lamparas normalmente. Si posteriormente se desconecta una lampara, el circuito quedara abierto y ninguna de las otras encenderá.,
Dibujo Rs = R1 + R2 + R3
En resumen en las resistencias en serie:
a) Las resistencias parciales se suman directamente
b)La intensidad de la corriente que circula por todas las resistencias es la misma.
c) En cada resistencia que compone el acoplamiento se produce su correspondiente caída de tensión, de forma tal que la caída de tensión total en el circuito será igual a la suma de las caídas de tensión en cada resistencia.
Montaje en paralelo: Consideremos ahora tres lamparas, pero en este caso cada una de ellas esta conectada con sus dos cables en forma independiente, de modo tal que la corriente puede seguir el camino de cualquiera de estas lamparas conectadas, y en todo caso puede atravesar solo una, apesar de estar las restantes desconectadas, este montaje se conoce con el nombre de conexión en paralelo.
En esta forma de conexión disminuye la resistencia del circuito, puesto que le permite a la corriente elegir tres caminos distintos.
En este acoplamiento la resistencia total es igual a la suma de las inversas de las resistencias parciales que componen el acoplamiento. La caída de tensión que se origina en el, es común a todas las
resistencias que conforman este tipo de conexión.
Dibujo Tec. Pag 38 1/Rp = 1/Rl + 1/R2 + 1/R3
En resumen, en el acoplamiento en paralelo:
a) La resistencia total disminuye. Esta sera igual a la menor de la menor de las resistencias parciales que conforman el acoplamiento.
b) Por cada resistencia circulara su correspondiente intensidad. La resistencia de menor valor, será atravesada por la corriente de mayor intensidad.
c) La caída de tensión es común a todas las resistencias, ello origina que en este tipo de acoplamiento se produzcan bajas caídas de tensión.
d) Si corta una resistencia no se anula el circuito, pues toda la corriente circulara por las demás que se hallen conectadas.
Por las razones expuestas este tipo de acoplamiento es el mas común.
TRABAJOS PRÁCTICOS
Construcción de un generador. Se lo puede confeccionar adquiriendo en una casa de repuestos
de radio un portapilas para dos elementos, en el que se colocaran dos cables en la salida del mismo, en el otro extremo se colocan dos pinzas cocodrilos que también se adquieren en esos comercios.
Dibujo crear
Tambien se lo puede fabricar empleando una base de madera blanda de 18,5 cm x 5,5 cm x 2cm, en la
que se efectuara una canaleta a lo largo de 0,5 cm de profundidad. En los extremos de la tabla se colocan, sendas chapas metalicas las que deben tener una altura igual al diametro de la pila mas el espesor de la tabla. En la parte media de estas chapas se debe efectuar una perforacion para pasar por ella dos tornillos con tuerca.Clavar las chapas en la madera. Colocar las tres pilas en serie en el interior del portapilas. Entre los extremos de las pilas y los tornilos colocar una moneda, girar los tornillos hasta establecer un buen contacto con las pilas. En la parte exterior de los mismos colocarle los cables cuyos terminales se uniran a una pinza cocodrilo. (Ver grafico explicativo.)
Dibujo
Construcción de un portalámparas, en los comercios citados adquirir un portafoquito, el que se colocara sobre una tableta de madera o tergopor de 6 x 3 x 0,5 cm , de los perforaciones del portafoquito, pase un
cable sin la cobertura plástica, la longitud de este cable de ambos lados del portafoquito debe ser aproximadamente de 10 cm. En los extremos libres de ambos cables coloque pinzas cocodrilos.
Dibujo Construccion 191
Construcción de un interruptor eléctrico: Emplee una tablilla de madera similar a la empleada para la construcción del portalámparas, fijar en la tabla de madera un trozo de cable y una chapita metalica, luego
fijar un fleje (lamina metalica ) con un tornillo al que también se le une un trozo de cable (ver gráfico),
a la madera, se debe tener la precaución de controlar que cuando baje el fleje, que este toque la chapita colocada anteriormente, de esta forma queda armado un interruptor de corriente, es conveniente colocar en las terminales de ambos cables sendas fichas cocodrilo.
Dibujo crear Construc. 193
Objetivo de la practica: Comprobar los efectos de la corriente.
Materiales necesarios: Un generador, pilas, una hoja de afeitar, dos recipientes, sal fina, un portafoquitos con lampara, cables conductores , interruptor..
Procedimiento: Conectar los elementos en serie al generador, el portafoquito, introducir los terminales cables en el recipiente con agua (Ver gráfico). Cerrar el circuito empleando en interruptor. La lampara no se enciende. Volcar en el recipiente que contiene agua sal. Observar que la lampara comienza a encenderse, lentamente. El agua se transforma en conductora al introducirle la sal, permitiéndole así el paso de la corriente.
Toque la lampara y observara que su temperatura se elevo en relación de cuando estaba apagada (efecto térmico). Si observa los terminales de los cables introducidos en el agua salada notara un burbujeo, se
esta produciendo en ellos la disolución de la solución (efecto químico).
En el otro recipiente coloque agua y luego la hoja de afeitar (ver practico de magnetismo Capitulo
pag de esta obra), colocar pon encima de ella en forma paralela, un trozo de cable sin cobertura de plástico unido al generador, podrá observar que al paso de la corriente la hoja de afeitar se separa de su posición inicial. Esto se debe a que toda corriente eléctrica genera a su paso por los conductores un campo magnético (efecto magnético).
Dibujo crear
Objetivo de la practica: Instrumento para detectar pequeñas corrientes. (Galvanómetro)
Materiales necesarios: Brújula, cable de aislado, dos pinzas cocodrilos.
Procedimiento: Enrolle sobre la brújula, una cincuenta vueltas de alambre de cobre, (este alambre que se adquiere en las casas de electricidad posee un baño de barniz que actúa de aislador), atar las vueltas de forma que el alambre no se afloje, teniendo la precaución de dejar 15 cm. libres de cada extremo, raspar bien estos extremos para quitarle el barniz aislador, colocar en cada extremo pinzas cocodrilos.
Dejar que la aguja de la brújula quede en reposo, hacer girar las vueltas de alambre hasta que estas queden paralelas a la aguja de la brújula, al conectarlo al generador, la aguja de la brújula girara violentamente,
reemplace las pilas nuevas del generador por otras gastadas, Ud. observar que el movimiento de la aguja es
ahora muy leve. Con este instrumento Ud. podrá detectar corrientes leves.
DIBUJO crear.
Objetivo de la practica: Construcción de una pila eléctrica
a)Materiales necesarios: Un trozo de cobre de aproximadamente el tamaño de una moneda, una arandela de hierro, la que debe estar bien pulida y limpia, un trozo de papel secante, de iguales dimensiones que la moneda y la arandela, vinagre.
Procedimiento: Embeber el papel secante en vinagre, colocarlo entre la moneda de cobre y la arandela,
conectar los metales al galvanómetro fabricado según el practico anterior y se observara como se desvió la aguja magnética, detectando el paso de una débil corriente eléctrica.
b)Materiales necesarios: limón o tomate natural, un tira de cinc de 6 cm. de largo y 1 cm de ancho y otra similar de cobre.
Procedimiento: Clavar ambas tiras en el limón o en el tomate, teniendo la precaución que estas no se toquen exteriormente ni interiormente, conectar los extremos exteriores al galvanómetro . Que observa?
C) Materiales necesarios: Una tira de cinc y otra de cobre de iguales dimensiones que en el practico anterior, un recipiente, agua , ácido sulfúrico ( se puede obtener el mismo resulta reemplazando ácido sulfúrico por bicromato de potasio)
Procedimiento: En el rercip[iente con agua introducir las tiras de cobre y cinc, luego dejar caer una gotas de ácido sulfúrico.Conectar el galvanómetro a las partes de las tiras no introducidas en la solución, se comprobara la presencia de una corriente eléctrica.
Dibujo crear
Objetivo de la practica: Comprobar las variaciones de la resistencia electrica en funcion de la temperatura.
Materiales necesarios: Dos metros de alambre delgado, generador, portalampara, encendedor o fosforos.
Procedimiento: Enrrollar el alambre e intercalarlo en el circuito formado por el generador y la lampara. Calentar el enrrollamiento con encendedor. Se podra observar que al aumentar la resistencia se obstaculiza el pasaje de la corriente y la lampara se apaga.
Dibujo crear
Objetivo de la practica: Circuito en serie
Materiales necesarios: Emplear dos portalámparas según las indicaciones dadas al comenzar los trabajos
prácticos, interruptor de corriente, generador. (Use lamparillas de 3 volt)
Procedimiento: Conecte los portafoquitos y el interruptor uno a continuación del otro y los extremos libres unirlos al generador. Al cerrar el interruptor, observara que las lampas no prenden con su maxuma intensidad, debido que se producen en cada lampara su correspondiente caída de tensión.
Cuando el interruptor esta suelto, que sucede, como se llama el circuito,en estas condiciones?
Baje ahora el interruptor , las lamparas encienden, como se llama el circuito en estas condiciones?
Analice que sucede con la intensidad de la corriente que recorre el circuito. Es la misma en cada lampara?
Dibujo crear
Objetivo de la practica: Circuito en paralelo
Materiales necesarios los mismos que en practico anterior, un cable de 50 cm de largo aproximadamente.
Procedimiento: Corte el cable por la mitad, pele ambos extremos conecte uno de los portalámparas a los
extremos, luego por la parte media de ambos cables conecte el segundo portalámparas,(recuerde retirar
la cubierta de plástico que los recubre), luego conecte el otro extremo al generador
Como es la intensidad luminosa de las lamparas.en este caso?
Afloje una de las lamparas, que ocurre?
Como conectaría el interruptor para cortar el suministro de corriente a todo el circuito y para cada lampara?
Objetivo de la practica Circuito mixto
Procedimiento: Ver gráfico. Analice las particularidades de este acoplamiento
Dibujo crear
CUESTIONARIO
l) Que entiende por corriente eléctrica?
2) Que entiende por intensidad de corriente?
3) Que es la fuerza electromotriz?
4) Para que emplea un voltímetro y un amperímetro
5)Que es un circuito eléctrico? Efectúe un gráfico demostrativo en el que debe colocar un voltímetro y un amperímetro
6) Que entiende por resistencia eléctrica?
7) En que se mide la resistencia, la intensidad y la diferecniade potencial?
8) Efectúe el gráfico de un circuito en el que debe colocar tres resistencias en serie
9) Efectúe el gráfico de un circuito en el que colocara tres resistencias en paralelo
l0) Que corriente fluye entre una diferencia de potencial de 120 volt a través de una resistencia de 30 ohm?
R= 4 amperes
11) A través de una lampara fluye una corriente de 5 A, cuando se lo conecta a una fuente 120 V.. Cuál es
la resistencia de la lámpara?
R=240 ohm.
12) Un motor con una resistencia de 30 ohm, se conecta a un generador. Por el circuito fluyen 4 amperes.
Cual es la fuerza electromotriz que brinda el generador?
R=120 volt
13) Cual es la resistencia de un alambre de cobre de 10 m de longitud y 0,5 mm2 de sección, si la resistividad especifica del cobre ( cu) es d e 0,017 mm2 / m?
R=0,34
14) Tres resistencias de 10, l5 y 5 ohm, están conectadas en serie a una batería de 90 volts. Cual es la resistencia total del circuito?. Que corriente fluye por el circuito? Cual es la caída de potencial en todo circuito y en cada una de las resistencias del mismo. Compare como resulta la caída de potencial total, con la fem. brindad por la batería?(Efectúe el gráfico correspondiente)
R= 30 ; I = 3 A ; Va - Vb = 30 Volt; Vb-Vc = 45 volt; Vc-Vd = l5 volt
15)Las mismas resistencias del ejercio 14 se conectan en paralelo. Hallar la resistencia total, la caída de potencial originada y la intensidad de la corriente en cada resistencia . Como resulta la suma de todas las intensidades que pasan por cada resistencia . Si por el circuito circula una intensidad de 3Amperes. (Efectúe el gráfico correspondiente)
R= 2,73 , Va -Vb =8,19 volt Il = 0,82 A; I2 = 0,55 A ; I3 = 1,7 A
CAPITULO VI
ENERGÍA ELECTRICA
Para mantener la corriente eléctrica en un circuito, es preciso consumir energía, la que procede del generador. Los conceptos de energía, trabajo y potencia, están íntimamente vinculados, con los conceptos desarrollados en el Tomo II pag. de Alfabetización Científica. La transformación de energía mecánica en eléctrica, es uno de los principales temas que se consideran en el estudio de la electricidad.
El paso de una corriente eléctrica por un conductor produce siempre calor. La calefacción, el alumbrado eléctrico, etc. No son otra cosa que distintas aplicaciones de los efectos calorificos producidos por corrientes eléctricas. Por otra parte mediante dispositivos apropiados, la energía brindada por una corriente eléctrica, se puede utilizar para producir trabajo mecánico, transformaciones químicas, etc.
Entendiendo por energía (E) a la capacidad de producir trabajo(L), una carga eléctrica (q) produce trabajo cuando circula entre dos puntos de diferente potencial (Va -Vb) y conforme a lo expuesto en el Capitulo pagina de esta obra, su valor resulta de aplicar la expresión:
L = q x (Va -Vb) (1)
pero recordando que la intensidad de una corriente depende de la carga que pasa por una sección normal del conductor en una unidad determinada de tiempo ( I = q/t). La carga será igual al producto de la intensidad por el tiempo (q = I x t), reemplazando en (1), resulta:
L = I x t x (Va- Vb)
La unidad en que se mide el trabajo eléctrico y por consiguiente la energía resultara:
Ampere x Volt x s
culombio x joule x s = joule
s culombio
Potencia eléctrica: Así como la energía es la capacidad de producir trabajo. La potencia es el ritmo con que se realiza el trabajo, o sea , la cantidad de energía que se consume por unidad de tiempo, conforme a la expresión de potencia mecánica que se dio en el Tomo II de Alfabetización Científica pag....., la potencia
( W) desde el punto de vista mecánico resulta igual al trabajo (L) realizado en una unidad de tiempo, su expresión matemática resulta:
W = L / t
y siendo el trabajo eléctrico igual a la diferencia de potencial, a la intensidad y al tiempo
( L=(Va-Vb) x I x t) , la potencia eléctrica resulta:
W = (Va - Vb) x I x t = (Va - Vb) x I
t
Es decir que la potencia eléctrica es igual al producto de la diferencia de potencial por la intensidad de la corriente que circula por el circuito eléctrico.
La potencia eléctrica se mide comúnmente en watt
(Va - Vb) x I = W
Volt x Ampere = Joule/ Culombio x Culombio/s = Joule/s = watt
El kilowatt-hora: En la practica no se usa el joule como unidad de energía eléctrica sino el watthora(wh), y se lo define como la energía de una corriente que desarrolla una potencia de un watt en una hora. El múltiplo de esta unidad es el kilowatthora( kwh) que equivale a 1000 watthora .
E = L = W x t = watt x hora = watthora
La potencia eléctrica nos expresa la energía consumida en cada instante. Para determinar la cantidad total de energía utilizada se multiplica la potencia, por el tiempo durante el cual se la empleo. Por ejemplo; una estufa eléctrica de 1.000 watt consume 1 kw por cada hora de funcionamiento; una estufa eléctrica de 2.000 watt consume 2 kwh.
Para calcular el costo del funcionamiento de un artefacto basta con multiplicar el numero de kilowatt por el tiempo funcionamiento y a este valor se lo multiplica por el precio del kwh.
Distribución de la energía eléctrica: Es frecuente que la corriente eléctrica se obtenga en lugares alejados de las áreas de consumo. Su distribución dentro de las tensiones habituales es antieconómica
porque provoca enormes perdidas de energía en forma de calor. Es necesario, por lo tanto, elevar la tensión de la corriente (con disminución proporcional de la intensidad), transportarla mediante cables de alta tensión, y luego reducirla para el consumo domestico. Estos objetivos se logran mediante transformadores, que solo pueden funcionar con corrientes alternas. En los casos excepcionales en que se requiera el uso de corriente continua, es necesario transformar la corriente continua en alterna y luego rectificarla a la llegada; el método resulta poco económico.
Un sistema de distribución, es decir la parte de un circuito eléctrico que va desde el generador al usuario, comprende redes primarias de alta tensión, transformadores para reducir la tensión y una red secundaria de distribución
Las plantas generadoras de un país o de varios piases suelen conectarse entre si. La razón es,a la vez económica y técnica. Es económica porque en los momentos de mayor consumo, los generadores de una determinada ciudad deben recurrir a combustibles caros para aumentar su potencia y resulta mas conveniente recurrir a la corriente sobrante de los generadores de la zona. Es también técnico porque el mantenimiento de una tensión uniforme es esencial para el buen funcionamiento de los aparatos eléctricos.
Dibujo tecnirama pag 242 y 243
CALOR PRODUCIDO POR UNA CORRIENTE ELECTRICA:
La energía eléctrica suministrada en un circuito se puede emplear de diferentes formas. Un motor convierte la energía eléctrica en mecánica. Una lampara eléctrica genera luz. Pero no toda la energía eléctrica que usa el motor o la lampara se transforma en trabajo o luz, todos los artefactos eléctricos también generan calor. Algunos se diseñan especialmente con el propósito de generar únicamente calor.
Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, se genera energía calorifica, pero la elevación de la temperatura es mínima si la intensidad de la corriente es pequeña o la sección del conductor es lo suficientemente extensa.
La cantidad de calor generada por una corriente eléctrica puede ser calculada, recordando que en toda producción de un trabajo mecánico se genera determinada cantidad de calor. La relación existente entre trabajo y calor fue descubierta por el físico ingles James Joule (1818-1889), quien encontró una
relación entre ambas magnitudes al que llamo equivalente mecánico del calor. En ella establece que para
obtener una cantidad de calor de 0,24 calorías, es necesario efectuar un trabajo equivalente a un Joule.
Por consiguiente basta solo multiplicar el trabajo realizado por una corriente eléctrica por dicho equivalente para determinar la cantidad de calor que la misma genera. Luego resulta:
Q = 0,24 calorías/joule x L
y aplicando la expresión de trabajo eléctrico enunciada anteriormente, resulta:
Q = 0,24 calorías/joule x V x I x t
La cantidad de calor que genera la corriente se mide en calorías.
Aplicaciones del efecto térmico de la corriente Las aplicaciones del efecto térmico de la corriente son muy numerosas. Una de las mas importantes es la lampara eléctrica. Esta se compone de un largo y fino filamento de tungsteno que ofrece una considerable resistencia al paso de la corriente (el filamento puede tener hasta 60 centímetros de largo aunque esta arrollado en una espiral de menos de 2,5 centímetros de longitud). Al ser este filamento de muy pequeña sección y de gran longitud, se produce suficiente calor
para que el tungsteno se vuelva incandescente y emita una luz casi blanca.
Esta lampara fue inventada por Tomas Alva Edison en 1879, empleando originalmente un filamento de hilos de bambú carbonizados y evito que ardieran haciendo vacío dentro de la lampara, de
esta forma al extraerle el oxigeno no se producía la correspondiente combustión. Luego recurrió al filamento de tungsteno, pero el metal se vaporizaba gradualmente y se depositaba en las paredes del vidrio de la lampara, formando una capa negruzca sobre ella. Para impedirlo, la mayoría de las lamparas actuales están llenas de un gas inerte como el argón, que no reacciona con el metal y evita su vaporización.
Tecnirama pag 162
Se pueden también enumerar entre otras aplicaciones, las estufas eléctricas, los hornos eléctricos,
los termostatos, estos últimos actúan como interruptores de corriente. Se tata de un par bimetalismo, de distinto coeficiente de dilatación , los que al calentarse aumentan en forma distinta su longitud y al estar solidariamente unidos se curvan interrumpiendo el paso de la corriente.
Dibujo crear
Cortocircuito Si en el circuito se presenta alguna falla, la intensidad de la corriente que circula por
él puede alcanzar valores muy elevados y en ultima instancia, el calor que ella genera puede producir incendios en la instalación.
El tipo mas común de fallas en los circuitos, son los cortocircuitos, estos pueden producirse, entre otras causas, cuando el aislamiento de los conductores se deteriora y los hilos de cobre que conforman el cable conductor se ponen en contacto, ofreciendo a la corriente poca resistencia, y como
ella va seguir el camino de menor dificultad, no alcanza al receptor. Esto originará que la intensidad de la corriente alcance valores muy altos, elevándose la temperatura de los conductores, lo que pondrá en serio riesgo a la instalación.
Un cortocicuito se puede producir también, cuando la cantidad de utensilios que se emplean, se los enciende al mismo tiempo, al estar conectados a la red domiciliaria (conexión en paralelo), cada utensilio adicional hace que fluya mas corriente atraves de dichas líneas, este aumento de la intensidad de la corriente puede llegar a valores tales que pongan en riesgo la instalación.
La forma mas simple de prevenir el cortocircuito es mediante un fusible, se trata de un pequeño
trozo de metal de bajo punto de fusión, el que al aumentar en forma desmedida la intensidad de la corriente se funde.
Al fusible se lo debe conectar en serie, con el elemento que se desea proteger, de forma tal que al elevarse la intensidad de la corriente se funda, cortando así el suministro de corriente al circuito.
Otro elemento destinado a prevenir los cortocircuitos es el disyuntor,o cortador de corriente
Cuando la intensidad de la misma se torna muy elevada, atrae a la varilla que establece el contacto, la que al separarse obliga al cese de la corriente, como en el caso del fusible analizado anteriormente se lo debe
conectar en serie en el circuito (ver figura)
Murphy pag 375
TRABAJOS PRÁCTICOS
Objetivo de la practica: Identificación de un cortocircuito. Conexión de un fusible.
Materiales necesarios: Lo mismos que los empleados para construir un circuito simple
Procedimiento: Conectar con un cable común dos puntos de un circuito (Ver gráfico), se podrá observar
que la lámpara no enciende. Situar a la salida o a la entrada del generador un alambre de cobre bien fino, esta actuara como fusible. Volver a repetir el procedimiento anterior y se observara que alambre se pone al rojo, hasta que finalmente se funde, cortando el suministro de corriente al circuito. Si esto no sucede el alambre que se intercalo es muy grueso y no cumple su misión .
Gráfico crear
CUESTIONARIO
1º) Qué se entiende por energía eléctrica?
2º) En que unidades se mide la energía eléctrica?
3º) Como define el concepto de potencia eléctrica?
4º) Que es un cortocircuito?
5º) Por que es tan peligroso un cortocircuito?
6º) Explique la función de un fusible ?
7º) Que es un disyuntor?
8º) Una generador de 6 volt libera una corriente de 0,5 amperes a un motor conectado a sus terminales
Cual es la potencia del motor? Que cantidad de energía consume el motor en 5 min.? R 3 w.-900 J
9º) Que trabajo hizo una carga de 5 Culombio para circular a través de una diferencia de potencial de 90 volt.? Cual es la energía potencial de la carga como resultado de la transmisión?
R 450 J. - 450 J
10º ) Un calentador tiene una resistencia de 10 ohm, y se lo conecta a una fuente de 120 volt. Calcular:
Que corriente fluye a través del calentador?
Que cantidad de energía produce el calentador en 10 segundos?
Que cantidad de calor produce el calentador en 10 segundos?
R 12 A; 14.400 J; 3430 cal.
CAPITULO VII
ELECTROMAGNETISMO
El magnetismo presenta un papel de gran importancia en los estudios de la electricidad. .
Siempre que aparece una corriente eléctrica, esta viene acompañada de un campo magnetismo. Las dos no pueden separarse. Muchos aparatos como la radio, televisión, motores eléctricos, etc. dependen de los efectos magnéticos de la corriente eléctrica.
La interacción entre el magnetismo y la electricidad fue estudiada por primera vez por el físico
danés Hans Christian Oersted (1771-1851), al encontrarse experimentando con corrientes eléctricas, noto
que uno de los alambres conductores que estaba sobre una brújula pequeña, cada vez que pasaba corriente
por el, la aguja de la brújula se movía, su descubrimiento le permitió reconocer que la electricidad y el magnetismo aparecen en dos formas polares recíprocamente subordinadas, electricidad positiva y negativa; y
del polo norte y sur magnético. La diferencia entre ambas estriba en que los imanes tienen una polaridad inseparable, no sucediendo lo mismo en las cargas eléctricas.
La experiencia que realizara Oersted, después de su casual descubrimiento, consistió en colocar una aguja magnética por encima y por de bajo de un conductor rectilineo en forma paralela a el. Al paso de la corriente la aguja se desvíaba de su posición original colcándose en posición vertical respecto al conductor .
Comprobó además que esta posición adoptada por la aguja magnética continuaba mientras durara el paso de la corriente, pero que al cesar esta, la aguja volvía a su posición original. Luego desplazó la aguja a ambos costados del conductor, sin que se observara alteración en la posición de la aguja magnética,
esto le permitió enunciar que el sentido del campo magnético originado por la corriente es perpendicular
al plano determinado por el conductos y el centro de la aguja.
El sentido de la desviación de la aguja magnética se puede establecer mediante la regla de la mano
derecha, que establece que si se coloca la mano derecha extendida sobre el conductor, con la palma dirigida hacia la aguja y los dedos extendidos en el sentido de la corriente, el dedo pulgar perpendicular
a los restantes, indicará el sentido de la desviación del polo norte de la aguja magnética
Dibujo crear
Líneas de fuerza del campo magnético creado por un conductor rectilineo: Si procedemos a atravesar una cartulina con un alambre, luego conectamos al conductor a un generador, al espolvorear limaduras de hierro sobre la cartulina, se podrá observar que las mismas adoptan la forma de círculos concéntricos alrededor del conductor. Estos círculos que forman las limaduras de hierro alrededor del conductor son la materialización de las líneas de fuerza del campo magnético creado por el conductor rectilineo.
Para determinar la dirección del campo magnético creador por el conductor rectilineo, se puede emplear la regla de la mano izquierda que establece que tomando el alambre con la mano izquierda y clocando el pulgar de dicha mano apuntando en la dirección en que circula la corriente. Los dedos de la mano indican el sentido de las líneas de fuerza
Fig 25-6 Murphy 389
Campo magnético creado por una corriente circular o espira: Una espira es un conductor rectilineo
al que se le dio forma circular, al paso de la corriente se comporta como un imán muy chato el que
posee su correspondiente polaridad norte y polo. Al realizar el correspondiente espectro para comprobar
el campo magnético creado por la espira, se observa que las líneas de fuerza penetran por la cara sur y salen por la cara norte.
Para determinar la ubicación de cada cara, se puede aplicar la regla de la mano izquierda
Murphy pag 389 fig 25-7
Campo magnético creado por un solenoide o bobina: Un solenoide es un conjunto de espiras orientadas en serie. Se comporta como un imán longitudinal, con su respectiva polaridad. Al efectuar el corrspndiente espectro, se observa que las lineas de fuerza en el interior del solenoide son rectas y densas, actuando en una sola dirección, mientras que en el exterior si bien el campo tambien resulta uniforme, las lineas de fuerza actuan en dirección opuesta.
La determinación del polo norte y sur originados en el solenoide se puede efectuar también por la regla de la mano izquierda:
Tomando el solenoide con la mano izquierda de modo que los dedos apunten en la dirección de la corriente, el pulgar extendido, señalara el extremo del solenoide donde se encuentra el polo norte.
Tec. 145
La intensidad del campo (H) creado en el solenoide depende del numero de espiras (N), de la intensidad de la corriente (I) y de la longitud del solenoide.
H = N x I
d
Electroimán: Si en el interior del solenoide se coloca una varilla o núcleo de hierro dulce o de alguna
aleación magnética. El campo magnético se refuerza considerablemente . El hierro recibe la influenciadel campo que crea la bobina y por tal razón el núcleo se magnetiza, en conclusión resulta un campo magnético
mayor que el originado por estos elementos por separado .
Las aplicaciones de los electroimanes son múltiples lo vemos en los motores eléctricos, timbre,
telégrafo, disyuntor, etc.
Dibujo crear
Acción de un campo magnético sobre una corriente: Si colocamos un conductor rectilineo en el interior de un campo magnético creado por un imán en herradura, se observa que al paso de la corriente, el conductor se desvía de su posición original, al cesar el paso de corriente este vuelve a su primitiva posición .
El campo magnético creado por la corriente no puede desplazar al imán, ello origina una fuerza de
igual intensidad y de sentido contrario (Principio de acción y reacción), que provoca el desplazamiento del conductor.
El sentido de esta tercer fuerza se puede hallar aplicando la regla de la mano izquierda:
Colocando los dedos de la mano izquierda en la dirección del campo magnético. El pulgar extendido
indicando el sentido de la corriente eléctrica. La palma de la mano queda ahora en la dirección de la
fuerza que actúa sobre el alambre.
Murphy pag 393 fig 25-13
El motor eléctrico de corriente continua: Si se coloca una espira entre los polos de un iman, que pueda girar libremente sobre su eje, cuando pase corriente electrica por ella , se originara una superposicón de los campos magneticos creados por el iman y por la corriente, dando luga a la rotación de la espira Al.
producirse el giro, las posiciones de la espira pueden coincidir con las lineas de fuerza del iman, en cuyo
caso la fuerza se anula. Para evitar este inconveniente se colocan espiras perpendiculares entre si.
En la practica se reemplaza el iman por un electroiman (estator) y las espiras por otro electroiman (rotor), sus extremos estan en contacto con los terminales de un generador mediante dos semianillos de cobre llamados colectores.
Al paso de la corriente por el solenoide (rotor) se genera en A un polo positivo y en B uno negativo
el estator obliga al giro al rotor atrayendolo, segun su polaridad, pero en este instante se invierte el sentido de la corriente y por consiguiente la polaridad, originandose una nueva rotacion. Este proceso se repite mientras circula la corriente.
DIBUJO
TRABAJOS PRACTICOS
Objetivo de la practica: Comprobar el campo magnetico creado por una corriente rectilinea
Materiales necesarios: Hoja de afeitar, recipiente, generador, interruptor, cables conductores un trozo de cable sin cobertura, iman.
Procedimiento: Magnetice la hoja de afeitar segun lo indicado en el Practico Nº del capitulo N
de esta obra, coloquela suavemente sobre la superficie libre del liquido, permitiendo que gire libremente y
se oriente segun el meridiano Norte-Sur. Colocar encima de ella y en forma paralela el cable sin cobertura, el que debera estar unido al generador. Mediante el interruptor que Ud. previamente intercalo en el circuito, cierre el mismo (Ver grafico), podra observar como la aguja se desvia de su posicion original.
Hora suelte el interruptor se interrumpira el paso de corriente y la aguja retornara a su posicion primitiva.
DIBUJO
Objetivo de la practica: Efectuar el espectro magnetico originado por una corriente rectilinea.
Materiales necesarios: Los mismos que en la practica anterior, una hoja de cartulina, un soporte , limaduras de hierro.
Procedimiento Perfore la cartulina para que pase el cable sin cobertura apoyelo sobre el soporte, cierre
el circuito y espolvoree limaduras de hierro, las que deben ser lo mas finas posibles, golpeando suavemente la cartulina estas se dispondran en forma circular alrededor del conductor, materializarando las lineas de fuerza del campo magnetico determinado por el conductor rectilineo.
DIBUJO
Objetivo de la practica: Construccion de un electroiman
Materiales necesarios: Generador, interruptor, un bulon de 5 cm. de largo con tuerca 2 0 3 metros de
alambre de cobre barnizado
Procedimiento: Colocar la tuerca en el extremo del bulon. Arrollar el alambre a lo largo del bulon entre la tuerca y la cabeza teniendo la precacucion de dejar 20 cm del extremo sin arrollar, tanto cuando inicia el
enrrollamiento como cuando lo finaliza. A estos extremos libres los debera raspar para quitarle el barniz protector. Una vez realizado este procedimiento conectarlo al generador y a la llave de corte.
Aproximar los extremos del electroiman asi construido a limaduras de hierro, al cerra el interruptor se observara que las limaduras de hierro son atraidas por el electroiman, mientras que al soltar el interruptor estas caen.
Al cerrar el interruptor, en el alambre de cobre se genera un campo magnetico, que induce al nucleo de hierro, originandose un iman cuyas acciones cesan al interrumpirse el paso de corriente.
Dibujo
Objetivo de la practica: demostrar la accion de un campo magnetico sobre una corriente .
Materiales necesarios: Alambre de cobre , un iman en herradura , soporte., generador, llave de corte.
Procedimiento: Cuelge del soporte (de madera, telgopol, etc. ) el alambre que debera tener forma de U
el que debe desplazarse libremente en el soporte (Ver grafico). Luego conectelo al interruptor y al generador
Coloque el iman en herradura de forma que la parte curva del alambre quede en el interior, pero sin tocar
al iman. Cierre el circuito y podra observar como el conductor sufre un desplazamiento.
Como lo justifica? Como puede determinar la dirección de esta tercer fuerza?
Dibujo crear
CUESTIONARIO
1º Como resulta el campo magnetico creado por una corriente rectilinea?
2º Como son las lineas de fuerza?
3º Que es una espira?
4º Como actua una bobina?
5º Como resulta el campo magnetico creado por un solenoide?
6º Que diferencia existe entre el campo magnetico creado por un iman natural del creado por un solenoide?
7º Que es un electroiman?
8º Como funciona un motor electrico
CAPITULO VIII
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
En el capitulo VII , se consideraron los campos magníficos producidos por una corriente eléctrica. Este descubrimiento llevó a los científicos a investigar sobre la posibilidad de producir
corrientes eléctricas a través de campos magnéticos. En el año 1831, Joseph Henry en los
Estados Unidos y Michael Faraday en Inglaterra. Mediante sucesivas experiencias, arribaron a la
conclusión de que efectivamente una corriente eléctrica, puede ser producida por la acción de un campo magnético, a este proceso de transformar la energía electromagnética en el eléctrica se la conoce con el nombre de inducción electromagnética.
Consideremos un solenoide al que le conectamos un galvanómetro, en ausencia de un generador, y si en su interior desplazamos un imán longitudinal, se puede observar, que al retirar el
imán del solenoide, la aguja del galvanómetro se desvía en sentido contrario al desplazamiento del imán en su interior, mientras si el imán no se desplaza, la aguja del galvanómetro mantiene su posición de equilibrio.
La creación de esta corriente a la que llamaremos inducida, se debe que al desplazar el imán
en el interior del solenoide, la cantidad de líneas de fuerza del campo magnético del imán (flujo magnético) que son cortadas por el solenoide (variación del flujo)son distintas, según el instante considerado, este movimiento relativo entre el alambre y el campo magnético es el origen de la corriente que se origina.
Fuerza electromotriz inducida: Michael Faraday estableció el valor de la fem. inducida, expresando:
La f.e.m. inducida es proporcional a la variación de la velocidad del flujo.
La expresión matemática de la Ley de Faraday, resultaría:
fem. = donde =variación de flujo
t t= variación de tiempo
Resulta importante destacar que estas corrientes solo fluyen en circuitos completos, es decir que un conductor rectilineo que se mueva en un campo magnético no originara corrientes inducidas, pero si se le da forma de espira cerrada y una parte de la espira se mueve. En un campo magnético, fluye corriente por la espira..
El valor de la fuerza electromotriz inducida (fem.) se mide en VOLTS, que representa el trabajo hecho para darle energía ala corriente que fluye por el alambre.
Ley de Lenz: En el año 1834 E. Lenz comprobó en la ciudad de Petersburgo que cuando se introduce el imán rectilineo en el solenoide, la aguja del galvanómetro se mueve en sentido contrario al del imán y lo mismo sucede cuando se lo retira, por ejemplo si penetra el polo norte del imán en una espira se forma en ella un polo norte, el que se opone a la entrada del imán , mientras que cuando se aleja se forma en la misma espira un polo sur, para evitar su alejamiento. En base a sus experiencias enunció la regla que hoy lleva su nombre y que establece:
Las corrientes inducidas tiene un sentido tal, que se oponen a las causas que la producen.
Conforme a lo enunciado en la regla de Lenz, la ley de Faraday sobre la creación de fuerzas electromotrices inducidas quedaría expresada matemáticamente de la siguiente forma:
fem. = -
t
Dibujo GCV
Corriente inducida por un conductor móvil : Los fenómenos de inducción también se producen, cuando se mueve un conductor rectilineo, en el interior del campo magnético creado por un imán. El sentido de la fuerza electromotriz inducida se obtiene aplicando la regla de la mano izquierda, que establece que:
Colocando la mano izquierda, de tal manera que el Dibujo Murphy pag 404
pulgar apunte en la dirección en que se mueve el
alambre conductor de la corriente y los dedos
apunten en la dirección del campo magnético
creado por el imán dentro del cual se desplaza el
conductor. La palma de la mano apuntara en la
dirección de la fuerza electromotriz inducida
Generador eléctrico: El generador eléctrico fue inventado por Michael Faraday y permite convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Se halla formado por varias espiras de alambre, las que se conocen con el nombre de armadura, todas ellas están colocadas en un fuerte campo magnético, montadas de forma tal que giren libremente en ese campo. Estas espiras al girar, cortan las líneas de fuerza de ese campo, originándose una corriente inducida.
La corriente inducida en la espira se mueve en direcciones opuestas ambos lados de ella ,
lo que origina que fluya una corriente a lo largo de toda la espira. Cuando la espira esta en posición vertical(a), corta al campo magnético en ángulo recto, en esta posición la corriente es máxima, a medida que la espira se dirige hacia la posición horizontal disminuye el numero de líneas de fuerza que corta la corriente decrece. Cuando alcanza la posición horizontal la corriente se anula(b). Al continuar la rotación de la espira, la dirección de la corriente cambia en ella y va aumentando el numero de líneas de fuerza cortadas, esto origina un incremento de la fuerza electromotriz, al colocarse nuevamente la espira perpendicular a ellas aumenta el numero de líneas de fuerza que corta, crece la f.e.m. alcanzando su valor máximo (c). Sobrepasando esta posición va disminuyendo el numero de líneas de fuerza que corta la espira reduciéndose el valor de la fem. hasta nuevamente anularse(d).
Este cambio de dirección se efectúa cada vez que la espira gira 180º. La corriente, por consiguiente, cambia paulatinamente desde cero hasta un cierto valor máximo, y regresa a cero a cada media vuelta de la espira.
Dibujo GCV pag 27
Los valores de la fuerza electromotriz obtenida pueden representarse gráficamente dando lugar a una sinusoide (curva representativa de la función seno), dado que los valores de las fem son proporcionales al seno del ángulo que forma la espira con las líneas de fuerza del campo magnético en el cual se mueve
Dibujo GCV pag 27.
La fuente de energía hace girar a la armadura del generador en el interior del campo magnético, un cierto numero de vueltas por segundo (frecuencia de la corriente), en la Argentina este
valor es de 50 Vueltas/segundo (ciclo), la corriente que produce este generador se la conoce como
corriente alterna.
El valor efectivo de una corriente alterna se encuentra comparándola con una corriente continua . Si se aplica una corriente alterna a un calentador, se puede medir el calor que produce esta corriente en un minuto. Después se calcula la corriente directa que se necesita para producir la misma cantidad de calor en el mismo tiempo. La corriente (CA) se compara entonces con la directa o continua (CC). Estas medidas muestran que el valor efectivo de la corriente alterna es igual a su valor máximo multiplicado por 0,707. De la misma forma el valor efectivo de la fuerza electromotriz alterna es ) 0,707 por el valor máximo.
Ief = 0,707 x Imax donde Ief =Intensidad efectivo
Imax = Intensidad máxima
Vef = 0,707 x Vmax Vef = valor efectivo
Vmax = Valor máximo
Por ejemplo, si un generador de CA produce una tensión máxima de 100 volt y entrega una corriente máxima de 20 A a un circuito su valor efectivos será:
Vef = 0,707 Vmax = 0,707 x 100 vol t = 70,7 volt
Ief = 0,707 x Ief = 0,707 x 20 Amperes = 14,1 amperes
y la resistencia de ese circuito será:
R = Vef /Ief = 70,7 volt /14,l amperes = 5
Ventajas de la corriente alterna: El transporte de grandes cantidades de electricidad a baja tensión resulta antieconómico y se prefiere enviar menos electrones con mucha mayor energía; para ello se necesita a la salida del generador un elevador de voltaje y a la llegada de la red domiciliaria otro transformador que baje la tensión a sus valores normales. Ello no se puede conseguir económicamente con la corriente continua.
En la practica el transporte por cables de alta tensión se hace a 380.000 volts. , luego mediante transformadores se hace bajar de nuevo la tensión a 220 volts. Si la transmisión se efectuara a esa tensión los cables se calentarían originando gran perdida de energía eléctrica.
Para transportar corriente continua es necesario en primer lugar transformarla en alterna, luego elevar su tensión con un transformador, después, reducir su tensión , en el punto de llegada y
luego pasarla por un rectificador, para que la transforme nuevamente en corriente continua.
Transformadores: Son aparatos que permiten modificar (aumentar o disminuir) la tensión de una
corriente alterna sin modificar su frecuencia. Se hallan formados por un núcleo de hierro, en donde
se efectúa un bobinado de una parte por donde circulara la corriente alterna, cuya tensión se desea modificar, este arrollamiento recibe la denominación de primario, mientras que otra parte del núcleo de hierro, se obtiene la corriente alterna con la tensión deseada.
La relación entre la fem. del primario respecto a la del secundario, se encuentra vinculada con el numero de vueltas de cada arrollamiento. De acuerdo con el principio de conservación de la energía la potencia del secundario debe ser iguala la del primario.
Si el transformador debe aumentar el potencial eléctrico, el secundario debe tener mayor numero de vueltas que el primario y el cociente entre ambos números de vueltas debe ser igual al factor por el cual se desea multiplicar la tensión. Si en cambio se desea reducir la tensión el secundario deberá poseer menor numero de vueltas.
DIBUJO tec. Pag. 58
Generadores y motores: En sus construcción los generadores y los motores son idénticos, pero sirven para distintos fines. El propósito de un motor es convertir la energía eléctrica en mecánica. Cuando se hace fluir la corriente eléctrica a través de una armadura que se encuentra en un campo magnético, la armadura gira, este aparato es un motor.
Cuando la armadura gira en un campo magnético, que produce en ella una corriente eléctrica, este aparato es un generador eléctrico. Un motor eléctrico puede usarse como generador eléctrico. Por ejemplo en los trenes eléctricos, el mismo aparato que actúa como motor al mover el tren en una subida, se lo usa como generador cuando el tren baja. El operador cambia un interruptor y el motor actúa como generador. En esta forma la energía cinética del tren se usa para producir energía eléctrica, esta energía eléctrica se envía a las líneas de alimentación para que la usen otros trenes
este procedimiento se emplea en Francia , donde todo el sistema de los ferrocarriles son eléctricos.
TRABAJOS PRÁCTICOS
Objetivo de la practica: Comprobación de las corrientes inducidas
Materiales necesarios: Alambre fino aislado, cinta adhesiva, imán longitudinal, galvanómetro.
Procedimiento: Con el alambre fino efectuar un arrollamiento de 3 o 4 cm de diámetro, dando 50 vueltas. Los terminales del arrollamiento se deben conectar al galvanómetro, estos deben tener una
longitud aproximada de un metro.
Deslizar el imán longitudinal por el interior del arrollamiento, se observará que cuando el imán se introduce en la bobina, la aguja del galvanómetro se desvía en sentido contrario al desplazamiento del imán y que cuando el imán no se mueve en el interior de la bobina la aguja del galvanómetro se mantiene en reposo, lo que indica que en esta posición no se genera corriente inducida.
dibujo
Cuestionario
1) Explique como se pueden generar corrientes eléctricas mediante un imán y un alambre?
2º) De que depende la fem. inducida?
3º)Que diferencia existe entre un generador y un motor?
4º) Que dice la regla de Lenz?
5º) Que diferencia existe entre la corriente alterna y la continua?
6º) Que ventaja presenta la corriente alterna?
7º} Se puede hacer fucionar un electroimán con corriente alterna?
8º) Para que se emplea un transformador?
9º) En que consistió la experiencia de Faraday?
10º)Que entiende por variación del flujo en un campo magnético?
|
|
