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COLEGIO DE BACHILLERES
SECRETARA ACADMICA
COORDINACIN DE ADMINISTRACIN
ESCOLAR Y DEL SISTEMA ABIERTOCOMPENDIO FASCICULAR
FSICA III
FASCCULO 1. CORRIENTE ELCTRICA E INDUCCINMAGNTICA
FASCCULO 2. TRANSMISIN ONDULATORIA DE LA
ENERGA
FASCCULO 3. RADIACIN ELECTROMAGNTICA
E INTERACCIONES ATMICAS Y NUCLEARES
FASCCULO 1. CORRIENTE ELCTRICA E INDUCCIN
MAGNTICA
FASCCULO 2. TRANSMISIN ONDULATORIA DE LA
ENERGA
FASCCULO 3. RADIACIN ELECTROMAGNTICA
E INTERACCIONES ATMICAS Y
NUCLEARES
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DIRECTORIO:
Jorge Gonzlez TeyssierDirector General
Javier Guilln AnguianoSecretario Acadmico
lvaro lvarez BarragnCoordinador de AdministracinEscolar y del
Sistema Abierto
Derechos Reservados conforme a la ley2002, COLEGIO
BACHILLERESProlongacin Rancho Vista Hermosa Nm. 105Col. Ex Hacienda
CoapaDelegacin Coyoacan, CP 04920, Mxico, D.F.
ISBN: En tramite
Impreso en MxicoPrinted in Mexico
Primera edicin: 2 000
COLEG IO D EBA CHILLERES
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El Colegio de Bachilleres, en respuesta a la inquietud de los
estudiantes por contar conmateriales impresos que faciliten y
promuevan el aprendizaje de los diversos campos delsaber, ofrece a
travs del Sistema de Enseanza Abierta este compendio
fascicular;resultado de la participacin activa, responsable y
comprometida del personalacadmico, que a partir del anlisis
conceptual, didctico y editorial aportaron sussugerencias para su
enriquecimiento, y as aunarse a la propuesta educativa de
laInstitucin.
Por lo tanto, se invita a la comunidad educativa del Sistema de
Enseanza Abierta asumarse a este esfuerzo y utilizar el presente
material para mejorar su desempeoacadmico.
P R E S E N T A C I N G E N E R A L
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Estudiante del Colegio de Bachilleres, te presentamos este
compendio fascicular que teservir de base en el estudio de la
asignatura Fsica III y funcionar como gua en tuproceso de
Enseanza-Aprendizaje.
Este compendio fascicular tiene la caracterstica particular de
presentarte la informacinde manera accesible, propiciando nuevos
conocimientos, habilidades y actitudes que tepermitirn el acceso a
la actividad acadmica, laboral y social.
Cuenta con una presentacin editorial integrada por fascculos,
captulos y temas que tepermitirn avanzar gilmente en el estudio y
te llevar de manera gradual a consolidar tuaprendizaje de esta
asignatura; con la intencin de que analices a la corriente elctrica
einduccin magntica en circuitos elctricos, la transmisin
ondulatoria de la energa y lasinteracciones en la radiacin
electromagntica; para que puedas explicar y predecir
lastransformaciones de la energa y valores las aplicaciones que
tiene la Fsica en latecnologa y su importancia en el desarrollo de
la cultura.
PRESENTACIN DEL COMPENDIO FASCICULAR
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COLEGIO DE BACHILLERES
FSICA III
FASCCULO 1. CORRIENTE ELCTRICA E INDUCCIN
MAGNTICA
Autores: Jos CarrenArroyo
Pablo Ruiz Robles
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ColaboradoresHugo Alfredo Camacho SierraNazarena Anza
Garrido
Asesora PedaggicaTeresa Ins Fernndez de Lara Ramrez
Amalia Espaa Zamudio
Revisin de ContenidoEduardo Prez PascualJess Ernesto Flores
Lpez
Diseo EditorialLeonel Bello CuevasJavier Daro Cruz Ortiz
CO LEGIO D EBA CHILLERES
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INTRODUCCIN 5
PROPSITO 7
CAPTULO 1. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 9
1.1 CORRIENTE ELCTRICA 91.1.1 FUENTES DE ENERGA 101.1.2 CIRCUITO
ELCTRICO SIMPLE 15
a) Voltaje 16b) Intensidad de la corriente elctrica 17c) Ley de
Ohm 17d) Resistencia en cables conductores 23e) Circuitos en serie
y en paralelo 35
1.1.3 POTENCIA 42
1.2 INDUCCIN MAGNTICA 531.2.1 ANTECEDENTES 531.2.2 LEYES DE LA
INDUCCIN MAGNTICA 621.2.3 GENERADOR ELCTRICO 691.2.4 MOTOR ELCTRICO
711.2.5 TRANSFORMADORES 71
RECAPITULACIN 76
ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIN 77
AUTOEVALUACIN 78
ANEXO: USO DEL MULTMETRO 80
BIBLIOGRAFA CONSULTADA84
N D I C E
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Uno de los acontecimientos ms espectaculares para el hombre fue
y sigue siendo el delos fenmenos elctricos. Desde la antigedad, 600
a.C., Tales de Mileto observ que alfrotar el mbar (vocablo griego
que significa electrn) con piel de gato, se podan atraerpequeos
materiales ligeros (por ejemplo, pajas secas). Posteriormente,
otrosinvestigadores contribuyeron al desarrollo de la electricidad,
hasta llegar a JamesMaxwell (1864), quien propuso la Teora
electromagntica de la Luz.
En la actualidad, se obtiene gran cantidad de energa elctrica
producida por centraleshidroelctricas, termoelctricas y
nucleoelctricas. Esta energa es consumida en lasgrandes ciudades,
en los hogares, en las fbricas y en los centros de trabajo.
Con el estudio de este fascculo aprenders que la electricidad es
una rama de la Fsicay por esta razn iniciaremos con el tema que
trata lo relacionado con la corrienteelctrica: las fuentes de
energa, las variables que intervienen en un circuito elctrico ylo
que concierne a la potencia. Posteriormente, abordaremos el tema de
induccinmagntica, que comprende el efecto magntico de la corriente,
la medicin de sta y la
transformacin de la energa mecnica en elctrica.
Para comprender estos contenidos ser necesario que apliques lo
aprendido en Fsica Iy Fsica II, donde experimentaste con pilas y
focos, con circuitos en serie y en paralelopara encontrar variables
en un sistema elctrico, por ejemplo, la brillantez de un foco.
Ahora aprenders a medir la potencia de un foco al calentar agua
en un tortillero,mediante la expresin:
Tambin relacionars la potencia de un foco y de los motores con
los valores de voltajee intensidad de la corriente y aprenders a
manejar los aparatos para medir dichosvalores.
En Fsica IIaprendiste que la energa potencial se poda
transformar en calor; para ellosubas y bajabas un peso por medio de
un cordel que al friccionar con el recipiente deagua transmita esta
energa en forma de calor al agua, y dentro tena unas paletas
que
INTRODUCCIN
E (KJ) = 4.2 CT(Kg)masaCKg
KJ
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agitaban el agua. En consecuencia, el agua se calentaba, y
conociendo su masa y ladiferencia de temperatura se encontraba lo
que se conoce como el equivalentemecnico del calor. Ahora, en el
caso contrario, en la figura 1 se observa latransformacin de energa
elctrica en energa mecnica, obteniendo el mismo resultado
que en el equivalente mecnico.
Figura 1.
En esta figura se muestra el empleo de una pila de 1.5 volts que
suministra energaelctrica al motor, donde se enrolla un cordel que
levanta un objeto de 2N (de peso) auna altura de 1.5 m y
transforma, as, energa elctrica en mecnica. En este caso,
losintercambios de energa suceden en el sistema pila-motor-objeto,
es decir, la reaccinqumica de la pila produce la energa elctrica
que posteriormente se transformar enenerga mecnica del objeto que
se eleva.
Este tipo de fenmenos, con sus variantes respectivas, es lo que
vas a estudiar en estefascculo. Recuerda que cuentas con el apoyo
de tu asesor para obtener el mayorprovecho de este material. Bien,
comencemos!
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Antes de leer el contenido del fascculo es importante que
identifiques los objetivos quealcanzars al finalizar su estudio,
considerando las siguientes preguntas:
Qu voy a aprender?
El comportamiento de los circuitos elctricos y de algunos
aparatos elctricos que seutilizan en la vida cotidiana, como puedes
ver en el siguiente diagrama ( figura 2), querepresenta un circuito
elctrico sencillo:
Figura 2.
En este circuito, que puede ser una conexin hecha con alambres
de cobre, dos focos ydos pilas, se utiliza la energa de las pilas
para encender los focos y con ellos iluminar.
Asimismo, por nuestras experiencias diarias sabemos que tambin
se usa este tipo deenerga para calentar lquidos, por ejemplo, en
las cafeteras elctricas.
a) Diagrama pictrico (elementosreales en el circuito).
b) Diagrama simblico (elementosrepresentados por smbolosque se
utilizan en los circuitoselctricos).
P R O P S I T O
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Igualmente conocers el efecto trmico de la corriente elctrica y
del brillo luminoso quese observa al aumentar la temperatura del
conductor, as como las propiedades dealgunos metales conductores de
corriente elctrica, como el cobre del circuito anterior.
Aprenders a usar el multmetro para medir la potencia elctrica de
aparatos elctricos,as como el manejo de aparatos simples, para
comprender la induccin magntica y latransformacin de la energa
mecnica en elctrica.
Cmo lo voy a lograr?
Por medio de la manipulacin de dispositivos simples, empleando
el multmetro encircuitos elctricos en serie y en paralelo, y
observando los efectos que produce lacorriente elctrica en los
circuitos sencillos y el control de variables como son
laresistencia (R), el voltaje (V) y la potencia (P). Debes tener en
cuenta que para el estudiode la corriente elctrica son necesarios
focos, pilas y alambres de distintos metales, paraarmar circuitos
elctricos sencillos con objeto de observar su comportamiento al
variarlos elementos de nuestro sistema.
Para qu me va a servir?
Para poder calcular la energa total que libera una pila, conocer
el funcionamiento dealgunos aparatos de medicin de la corriente
elctrica y explicar lo que sucede en uncircuito elctrico en trminos
de voltaje, intensidad de la corriente y potencia, entre otros.Este
conocimiento te permitir comprender algunos conceptos acerca de la
corrienteelctrica que se aplica en la vida diaria.
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CAPTULO 1
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
1.1 CORRIENTE ELCTRICA
El uso de la energa elctrica es tan comn en nuestros das que la
mayor parte de lasactividades que realizamos diariamente se
relacionan con sta; por ejemplo, gracias aella puedes encender tu
estreo para or msica, en el caso de la televisin para verimgenes,
en el de una bomba de agua para observar las transformaciones de
energaelctrica en potencial y cintica.
Consideras que estas afirmaciones son correctas? Qu otras
aplicaciones podrasencontrar en la vida cotidiana? Te imaginas cmo
fue la vida cuando no seaprovechaba la energa elctrica?
Sabemos que la electricidad se genera por conversiones de energa
originada por elcaudal de los ros, como en las presas (aunque no es
la nica fuente de energa), masconoces alguna otra forma en que se
genera la electricidad en Mxico? La corrienteelctrica generada se
lleva a las grandes ciudades mediante cables de alta tensin y
atravs de transformadores se transporta a nuestras casas por medio
de conductores.
Por qu se usan alambres de cobre en instalaciones elctricas
caseras? Por qu losalambres de cobre se cubren de plstico? De
acuerdo con la funcin de un aparatoelctrico algunas veces se usa el
alambre nicromel, por ejemplo, en las resistencias delas parrillas
elctricas. Por qu en stas se usa alambre de nicromel y no de
cobre?
Para poder comprender lo anterior, en este momento veremos qu
son las fuentes deenerga, para posteriormente identificar las
caractersticas que tienen los circuitoselctricos simples y las
variables que intervienen en stos (resistencia, intensidad,voltaje,
potencia).
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1.1.1 FUENTES DE ENERGA
Las fuentes de energa disponibles que se utilizan para
satisfacer las necesidadesbsicas del individuo, como comer, dormir
y divertirse, as como las que se usan con la
fuerza de los caballos, de las corrientes de un ro, la combustin
de la madera, la quegenera el Sol, entre otras, son la base para
realizar una serie de cambios en beneficiode la sociedad. Ejemplos
de transformacin de energa son: la transformacin de laenerga solar
que hacen las plantas para su asimilacin en almidones y
carbohidratos(figura 3-c); la transformacin de la energa que se
aprovecha del caudal y las cadas deagua de los ros en la produccin
de energa elctrica que, a su vez, se utiliza comofuente energtica
para el transporte elctrico (figura 3-a).
Figura 3.
Se advierte en la figuras 3a y 3b que el trolebs y el tren de
juguete transforman laenerga elctrica en energa mecnica de
movimiento. Por otro lado, las plantas, en unproceso de
fotosntesis, transforman la energa solar en energa qumica de
losalimentos, que posteriormente consumir el hombre.
Las fuentes de energa ms sencillas son aquellas que transforman
la energa qumicaen elctrica, por ejemplo, las pilas, bateras o
acumuladores, que a su vez latransformarn en energa mecnica
(figuras 3-a y 3-b); o bien, en una termoelctricadonde se quema
combustible para generar electricidad.
Existen otras fuentes de energa que se pueden aprovechar como:
la energa del vaporde agua que se usa para mover generadores
(plantas geotrmicas); la energa queproduce el viento para mover
molinos y stos a su vez poder mover generadores(energa elica); y la
energa nuclear que produce , por ejemplo, la fisin del uranio.
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En la vida diaria se aplican las transformaciones de energa, por
ejemplo, al utilizar elelevador de un edificio o al levantar una
gra elctrica objetos pesados, transformandola energa elctrica en
energa potencial gravitacional (EPG). Concretndonos en lo quese
refiere a la corriente elctrica, primero debemos tener claro qu es
la electricidad:
Las fuentes de energa elctrica producen ciertos efectos debido a
la diferencia depotencial que se da en un circuito cerrado. stos
son: efecto magntico, luminosoytrmico, que manifiestan la presencia
de electricidad.
Para observar lo anterior realiza el siguiente experimento:
FUENTES DE ENERGA ELCTRICA Y SUS EFECTOS
OBJETIVO:
Comprobar el efecto magntico, el luminoso y el trmico de la
corriente elctrica enforma experimental.
PROBLEMATIZACIN:
Cules son los efectos que produce la corriente elctrica en un
circuito cerrado?
HIPTESIS:
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 1
La electricidad es una manifestacin de energa, generada por el
movimiento deelectrones que se da a travs de un conductor; cuando
stos se desplazan de unpolo negativo (-) a uno positivo (+)
provocan una diferencia de potencial que impulsaa la corriente
elctrica.
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MATERIAL:
1 pila de 9 voltios* 1 alambre de cobre del No. 22 (1 metro)
1 foco de 6 voltios 4 caimanes 1 clavo de 2 pulgadas* 1 metro de
alambre magneto 1 aguja magntica con base 2 clips alambre nicromel
(trozos de 2, 5 y 10 cm) 1 brjula
PROCEDIMIENTO:
I. Construye un circuito cerrado con los elementos que se
muestran en la figura 4.
Figura 4.
1 Coloca una brjula debajo del alambre, de tal manera que la
aguja se oriente enforma paralela al alambre.
2 Cierra el circuito y anota tus observaciones:
focobrjula
3 Cambia la polaridad y anota tus observaciones:focobrjula
* Estos materiales debern ser proporcionados por el
estudiante.
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II.Construye un arreglo como se muestra en la siguiente
figura:
Figura 5.
1 Enrolla el alambre magneto a lo largo del clavo y conctalo a
la pila de 9 voltios(debes lijar los extremos del alambre para
quitar el barniz).
2 Toca el alambre con los dedos y describe lo que sientes:
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3 Acerca el clavo a la brjula y observa lo que sucede.
Antalo:
4 Acerca el clavo a los clips y describe lo que sucede:
III.Construye un arreglo como el siguiente:
Figura 6.
Entre los puntos A y B coloca sucesivamente trozos de alambre de
nicromel de 2, 5 y 10cm de longitud.
Ahora, con base en lo anterior, contesta el cuestionario:
1. En qu caso se calent ms el alambre de nicromel?
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2. En qu tipo de energa se transforma la energa qumica producida
por la pila?
3. Qu aparatos electrodomsticos utilizan el efecto trmico?
4. Si colocas en lugar del alambre de nicromel una tira de
aluminio de 2 mm de anchoy 1 cm de largo, qu le sucedera al
dispositivo?
Como pudiste ver, las fuentes de energa elctrica generan
corriente elctrica y stas asu vez generan tres efectos: Efecto
magntico, cuando la corriente elctrica que pasapor un conductor
genera a su alrededor una fuerza similar a la de un imn (un
campomagntico). Efecto luminoso, que se da por el calentamiento de
un conductor hasta suincandescencia, emitiendo finalmente luz como
en un foco. Efecto trmico, cuando lacorriente elctrica eleva la
temperatura de un conductor, debido a la energa cintica delos
electrones como sucede en la resistencia de una plancha.
Estos efectos de la corriente elctrica los podemos apreciar en
los diversos aparatos deuso cotidiano, como son las lmparas,
tostadores, maquinarias y motores elctricos.
1.1.2 CIRCUITO ELCTRICO SIMPLE
Un circuito elctrico simple es aquel dispositivo que est
conformado por los siguienteselementos:
a) fuente de energa
b) cable conductor
c) foco
d) interruptor
Como vimos anteriormente, cuando se da una diferencia de
potencial, la corrienteelctrica fluye a travs del circuito, en el
cual se desplazan los electrones en unatrayectoria cerrada (figura
7) del polo negativo (-) al polo positivo (+).
En el circuito elctrico se manejan tres variables fundamentales:
voltaje (V), intensidadde la corriente(I) y resistencia(R).
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Figura 7.
a) Voltaje
Para que la corriente fluya en forma continua en un circuito es
necesario que semantenga un voltaje (o diferencia de potencial)
constante, como por ejemplo el que danlas pilas, bateras,
acumuladores y generadores elctricos. Estos dispositivos tienen
lapropiedad de llevar los electrones de un punto de mayor potencial
a otro punto de menor
potencial y debido a esto se produce una diferencia de
potencialpermanente, que es loque hace que la corriente elctrica
fluya por el conductor.
Por definicin, la diferencia de potencial o voltaje (V) es el
trabajo realizado por unacarga de prueba, y matemticamente se
expresa como:
Para medir el voltajese utiliza el voltmetro, que se conecta en
paralelo con el elementoa medir (resistencia), de tal forma que
parte de la corriente pase por el voltmetro paraindicar el valor en
voltios. Esta medicin puede ser de corriente directa o de
corrientealterna.
Existen dos clases de corriente elctrica: la corriente
directa(C.D.) y la corriente alterna(C.A.).
La C.D. es aqulla que hace que los electrones se muevan en un
solo sentido debido aque el campo elctrico es constante (no cambia
de polaridad).
La C.A. hace que los electrones cambien alternativamente de
sentido debido al campoelctrico variable, a lo cual se le llama
frecuencia.
V (voltaje) =prueba)de(cargaq
(trabajo)W
Las unidades son:
Voltio =Joule
Coulomb
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En Mxico se mantienen las siguientes constantes para circuitos
elctricos domsticos:
Frecuencia= 60 Hertz (Hz)Voltaje= 120 volt promedio en
(C.A.)
b) Intensidad de la Corriente Elctrica
Por definicin, la intensidad de la corriente elctrica (I) es la
cantidad de cargaelctrica que pasa por un cable conductor en una
unidad de tiempo , y matemticamentese expresa:
Sus unidades son:
I (intensidad dela corriente)
= ( )
( )tiempotpruebadecargaq
Ampere =)segundo(seg
)Coulomb(C
Para medir la intensidad de la corriente elctrica se utiliza el
ampermetro, que seconecta en serie, es decir, en forma continua en
el circuito, que puede ser de corrientedirecta o corriente
alterna.
Debemos mencionar que, de acuerdo con el Sistema Internacional
de Unidades(S.I.U.),cuando hablamos de cargas elctricas se manejan
las siguientes unidades:
1 coulomb= 6.24 x 1018 vecesla carga del electrn
1 electrn= -1.6 x 10-19coulombios
1 protn= 1.6 x 10-19coulombios
c) Ley de Ohm ()
Resistencia elctrica
A menudo sucede que en distintas partes escuchamos o empleamos
la palabraresistencia: la resistencia de una plancha, la
resistencia de una persona, o habrsexperimentado que al intentar
salir del metro y mucha gente trata de subir al vagn sedebe emplear
la fuerza de empuje suficiente para vencer esa resistencia .
Anlogamentea las personas que suben al vagn, en los circuitos
elctricos se presenta unaresistencia al pasar la corriente elctrica
por un conductor.
La Resistencia elctrica (R)es la oposicin que presenta todo
dispositivo elctrico alpaso de la corriente elctrica.
Estos dispositivos elctricos pueden ser:
a) Todo dispositivo elctrico, como planchas, bombillas, etc.b)
El elemento llamado resistencia.c) Todos los cables
conductores.
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Para conocer el valor del elemento llamado resistenciase utiliza
la Tabla del cdigo decolores,siguiendo el orden que se traza en su
representacin fsica.
TABLA No. 1: CDIGO DE COLORES
0 Negro1 Caf2 Rojo3 Naranja4 Amarillo
5 Verde6 Azul7 Violeta8 Gris9 Blanco
Tolerancia
Dorado 5 %Plateado 10 %Sin color 20 %
Figura 8. Representacin grfica del elemento llamado
resistencia.
Entonces,para calcular el valor de la resistenciaharemos lo
siguiente:
Contamos los colores desde la franja ms prxima a un extremo,
considerando que...
La primera franja| (a), indica la primera cifra de su valor,
tomando el nmerocorrespondiente al color.
La segunda franja (b), indica la segunda cifra de su valor. La
tercera franja (c), indica el nmero de ceros que hay que agregar a
las dos
cifras halladas para conocer el valor de la resistencia, que se
expresa en ohmsmediante el signo . La cuarta franja (d), indica la
tolerancia.
Veamos un ejemplo. Si tenemos el siguiente caso:
Figura 9.
a) b) c)d
3 colores 1 color
(3) naranja
(1) caf(00) rojo
Plateado (10%)
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Tendremos el valor 3100 , y tomando en cuenta
latoleranciacorrespondiente al colorplateado, es decir, 310,
obtenemos finalmente los valores 3410 para +310 entolerancia (+) y
de 2790 para 310 en tolerancia (-).
Ahora que sabemos lo que es voltaje, intensidad y resistencia
estamos listos paracomprender la Ley de Ohm.
Ley de Ohm
La intensidad de la corriente que pasa por un cable conductor es
directamenteproporcional al voltaje e inversamente proporcional a
la resistencia, y matemticamentese expresa:
(Donde es el smbolo de proporcionalidad).
Para comprobar esta ley relacionaremos las variables I, V y R de
la siguiente manera:
a) Manteniendo R = constante, I V
b) Manteniendo V = constante, I I
R
Esto lo podrs comprobar realizando la Actividad Experimental
No.2.
LEY DE OHM
OBJETIVO:
Comprobar experimentalmente la relacin de las variables I, V y
R.
VI
R
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 2
I = Intensidad de la corrienteV = VoltajeR = Resistencia
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PROBLEMATIZACIN:
Qu le sucede a la intensidad de corriente en un circuito cuando
se mantiene el voltajeconstante y se vara su resistencia?
Qu le sucede a la resistencia cuando se aumenta o disminuye el
grosor de un alambreen un circuito elctrico?
HIPTESIS:
MATERIAL:
4 pilas (1.5 V, 3 V, 4.5 V, 9 V)** 2 multmetros* 2 cables de
cobre No. 22 1 lpiz**
PROCEDIMIENTO:
I. Monta el siguiente circuito. Para ello utiliza un lpiz (de
grafito), pilas, un ampermetro yun voltmetro:
Figura 10.
1 Coloca sucesivamente una, dos y tres pilas, mide las
intensidades de corriente y elvoltaje.
* Consulta el Anexo de este fascculo, en donde se te indica el
manejo del multmetro.** Material que proporciona el alumno.
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Registra tus datos en el siguiente cuadro:
V I (A) R = ()
1.5 V
3 V
4.5 V
9 V
2 Elabora la grfica V (voltaje) vs. I (intensidad).
Ahora, contesta lo siguiente:
1. Qu relacin de proporcionalidad hay entre el voltaje y la
intensidad?
2. Cmo es la expresin R =V
Ien cada caso?
II.Monta el siguiente circuito. Dispn de 3 materiales del mismo
tamao (lpiz = grafito,cobre = Cu y nicromel):
I0
V
VI
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Figura 11.
1 Mide las resistencias de cada material con el hmetro y
registra los datos en el cuadrocorrespondiente.
2 Mide las intensidades registradas por el ampermetro con los
diferentes materiales yregstralo tambin en el cuadro:
Material R ( ) 1 (A)1
IR
Lpiz
Cobre
Nicromel
3 Elabora la siguiente grfica:
0I
1
Responde a las preguntas:
R
1
I
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1. Qu relacin de proporcionalidad hay entre la resistencia (R) y
la intensidad (I)?
2. Cmo es la expresin
I
1V
= RI en cada caso?
d) Resistencia en Cables Conductores
Como vimos, la cantidad de corriente que pasa a travs de un
circuito elctrico dependedel voltaje, que es una especie de presin
elctrica capaz de producir un flujo de carga(electrones), es decir,
una corriente dentro del conductor. Sin embargo, esta
corrientetambin depende de algunos otros factores que obstaculizan
su flujo, y constituyen loque es la resistencia elctrica.
La situacin es similar al flujo de agua en una tubera, que no
slo depende de la presindel agua, sino de la resistencia que opone
la propia tubera. La resistencia de un cabledepende de la
conductividad del material y sus caractersticas fsicas, que son: el
grosor,la longitud y la temperatura; por lo tanto, se puede
establecer el modelo matemticoparala resistencia de un conductor,
como:
Donde el rea equivale a:
La expresin R = L
Aindica que a medida que la longitud aumenta le ocurre lo mismo
a
la resistencia. Si el grosor aumenta, la resistencia disminuye.
Adems, en cuantoaumente la temperatura, mayor ser la energa cintica
de los tomos en el conductor y,en consecuencia, mayor es la
resistencia.
Algunos materiales pierden toda resistencia a bajas
temperaturas, llamndoselessuperconductores, que son muy utilizados
en electrnica.
R = LA
R: Resistencia ( )
L: Longitud ( m)
A: rea de la seccintransversal ( m2)
: Resistividad del material ( -m )
: Dimetro del cable ( m )
A =2
4
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24
La resistividad ()se define como la resistencia que presenta un
conductor de 1m delongitud y un rea de 1m
2de seccin transversal(algunos valores se encuentran en la
Tabla No. 2).
Revisando la tabla tendremos que cuanto mayor sea la
resistividad de un alambre, secomporta como un mal conductor
elctrico.
TABLA No. 2: RESISTIVIDADES ( ) A O C
Material (10-8- m )cobre 1.72aluminio 3.21platino 11.05carbn
3500
Otro concepto que se maneja es la conductividad ( C ), que es la
capacidad de unmaterial para conducir la corriente, cuya expresin
es:
Resistencia variable con la temperatura
En algunos materiales (cobre, aluminio) la resistencia elctrica
aumenta casiproporcionalmente a la temperatura, y para calcular
estas variaciones se utiliza lasiguiente expresin matemtica.
R: Resistencia a cualquier temperatura ( )
Ro:Resistencia a 0 C ()T: Variacin de temperatura = T2- T1 ( C
)
: Coeficiente de temperatura ( C ) -1
R = Ro(1 + T)
C =1
-
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TABLA No. 3: COEFICIENTES DE TEMPERATURA
Material ( 10 -3) ( C ) 1
cobre 3.8platino 3.9hierro 5.1carbn -0.5
Veamos unos ejemplos en donde se apliquen las expresiones para
calcular laresistencia en cables conductores:
a) Para calcular el dimetro de un alambre de cobre que tiene una
longitud de 800 m yuna resistencia de 20 , tenemos...
Entonces, sustituyendo datos en las expresiones :
( )( ))(m106.88
102
m10x376.1
10x2
m10x8m-10x72.1A 27-
1
25-
1
28-
=
=
=
=4A
14.3
)m10x(6.884=
2-7
14.3
10x7522.=
-6
-07108.764=
= 9.3618 x 10-04= 0.000936 mm.= 9.3618 x 10-04m = 0.936 mm.
As, el dimetro del alambre mide 0.936 mm.
Veamos otro ejemplo:
b) Un termmetro de platino tiene una resistencia de 10 a 160 C.
Calculemos suresistencia a 300 C.
Datos
R = 20
L = 800 m
= ?
= 1.72 x 10 -8-m
Modelos
R =A
L
A =4
2
Despejes
A =L
R
=A4
R
L=A
-
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Tenemos que :
T = T2 T1= 300 160 = 140C
Entonces, sustituyendo datos en la expresin:
( )
=
=+
=
+
= 6.46
546.1
10
546.01
10
C140C
10x9.31
10R
30
( ) ( ) ( )0.54616.46C140C
10x9.316.46T1RR
3-
0 +=
+=+=
R = 6.46 (1.546) = 9.98
Para que ejercites el manejo de las frmulas al calcular la
resistencia en cablesconductores, resuelve en tu cuaderno los
siguientes problemas:
1. Calcula el dimetro de un alambre de cobre que tiene una
longitud de 1 km y unaresistencia de 30 .
2. Un termmetro de platino tiene una resistencia de 12 a 170 C.
Calcula suresistencia a 350 C.
Para comprobar lo anterior realiza la Actividad Experimental No.
3.
Datos
T1= 160 CT2= 300 C
R160= 10
R0= ?
R300= ?
C
10x3.9
o
-3
=
Modelo
R = R0(1+ T)
Despeje
RR
T0 1=
+
(Ver Tabla No. 3)
ACTIVIDAD DE REGULACIN
-
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RESISTENCIA EN CABLES CONDUCTORESOBJETIVO:
Verificar experimentalmente la conductividad elctrica en
diversos materiales (cobre,nicromel, aluminio), tomando en cuenta
el calentamiento y la corriente que circula porellos.
Obtener experimentalmente la relacin que existe entre la
resistencia, la longitud y elrea transversal de un cable
conductor.
PROBLEMATIZACIN:
Qu tipo de cambios se producen cuando pasa la corriente elctrica
en diversosmateriales?
Qu caractersticas deben tener los focos elctricos para que sean
de diferentepotencia?
Qu tipo de relacin existe entre la resistencia, la longitud y el
dimetro de un cableconductor?
HIPTESIS:
MATERIAL:
2 pilas de 1.5 volts* 1 metro de alambre nicromel (No. 22) 1
metro de alambre de cobre (No. 22)
1 metro de alambre de aluminio (No. 22) 1 foco de 3 volts 1
regla de madera de 1 metro
*Material que debe proporcionar el estudiante.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 3
-
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PROCEDIMIENTO:
I. Monta el arreglo experimental como se muestra en la
figura:
Figura 12.
Nota: A criterio del laboratorista puedes usar 2 alambres en los
puntos A y B.
Ahora, lleva a cabo lo siguiente:
1. Detecta cul de los tramos de cable se calienta ms al conectar
cada uno al circuito
en los puntos A y B:
2. Detecta con cul de los tramos de cable se logra obtener mayor
brillo en el foco:
Y Por qu?
-
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3. Conecta al circuito alambre nicromel a las siguientes
distancias: 25 cm, 50 cm, 75cm y 100 cm, y observa el brillo de los
focos en cada caso, a qu distancias seobtiene mayor y menor
brillo:
DISTANCIA BRILLO25 cm50 cm75 cm
100 cm
4. De acuerdo con lo anterior tenemos que:
A mayor distancia brillo.(menor / mayor)
A menor distancia brillo.(menor / mayor)
5. El brillo del foco est relacionado con la conductividad del
material, de dondetenemos que amayor brillo mayor
conductividad.
La conductividad est relacionada de manera inversa con la
resistencia, de dondea mayor brillo mayor conductividad y menor
resistencia.
Por lo anterior, entonces la relacin entre las variables de
resistencia ( R )ylongitud ( L )del cable, es de la siguiente
manera:
Resistencia ( R ) es
( directamente / inversamente proporcional)a la longitud ( L )
del cable.
6. Repite el experimento anterior, colocando sucesivamente un
metro dealambrenicromel del No. 22, y otro metro de alambre
nicromel de mayor grosor en los puntos
A y B del circuito.
Observa el brillo del foco en cada caso y contesta:
A mayor dimetro brillo.
( menor / mayor )
A mayor dimetro resistencia.( menor / mayor )
-
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7. El dimetro del cable est relacionado con el rea de su seccin
transversal por
medio de la expresin matemtica A=2
4
, de donde:
Resistencia ( R ) es( directamente / inversamente
proporcional)
al rea (A).
8. De acuerdo con los ejercicios 5 y 7 obtenemos:
A
L~R
Entonces, al repetir la actividad del ejercicio 3 y medir con el
hmetro las diferentesdistancias tendremos:
L1= 25 cm R1=
L2 = 50 cm R2=
L3= 75 cm R3=
L4 = 100 cm R4=
Cul es la relacin entre la longitud del alambre y la
resistencia?
____________________________________________________________________
9. Repite la actividad del ejercicio 6, mide con el hmetro la
resistencia y con el palmero vernier el dimetro del cable. Realiza
tus clculos:
1 = R 1=
2= R2=
A 1 =4
2
1 =
A 2=4
22
Cmo es la relacin entre la resistencia y el rea de la seccin
transversal delalambre?
-
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10. Calcula la resistividad del nicromel usando la expresin
=RA
L(Utiliza
tu cuaderno).
11. La resistencia vara con la temperatura? Por qu?
12. Por qu se utiliza cobre en los cables conductores en lugar
de nicromel?
Elementos hmicos y no hmicos
En la Actividad Experimental anterior se observ el
comportamiento de la resistenciaelctrica en cables conductores
(metales), a stos se les llama conductores hmicosdebido a que
siguen la Ley de Ohm.
Pero algunos materiales como el tungsteno y algunos
semiconductores que se utilizanen focos elctricos y transistores no
siguen la Ley de Ohm y se les llama conductoresno hmicos.
Debido a que estos materiales se calientan con el paso de la
corriente elctrica podemosconcluir lo siguiente:
a) los materiales hmicos se comportan de la siguiente manera: si
la resistenciaes constante (R=cte) el voltaje ( V ) es directamente
proporcional a la intensidadde corriente ( I ), ( V I ), en donde
al graficarlo obtenemos:
0I
V
R
-
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b) los materiales no hmicosse comportan de tal manera que al
aumentar el voltaje laintensidad aumenta, pero no directamente
proporcional, obtenindose la siguientegrfica:
Esto lo podemos comprobar realizando la siguiente actividad
experimental.
RELACIN VOLTAJECORRIENTE EN MATERIALES HMICOS Y NO HMICOS
OBJETIVO:
Identificar experimentalmente la relacin que existe entre
voltaje e intensidad de lacorriente, mediante el uso de materiales
hmicos y no hmicos.
PROBLEMATIZACIN:
El valor de la resistencia de un circuito cambia conforme
variamos el voltaje en dichocircuito?
HIPTESIS:
MATERIAL:
alambre nicromel ( 1.10 m) 1 regla de madera de 1 m 5 pilas de
1.5 V (tamao D)*
*Material que debe proporcionar el estudiante.
0 I
V
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 4
R
-
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multmetro papel milimtrico 1 foco de 6 V
PROCEDIMIENTO:
I.Monta el siguiente circuito (figura 13). Para ello toma el
alambre nicromel y colcalosobre la regla, despus con una de las
pilas y con el multmetro monta el arreglo comose ve en la
figura.
El multmetro, es este caso, medir la corriente elctrica que
circula por el alambre, porlo tanto, el cable rojo del multmetro
deber estar conectado en A y la perilla debergirarse hasta 2 de la
escala de DCA.
Figura 13.
1. Mide la corriente con 1, 2,.... hasta 5 pilas y regstralo en
el siguiente cuadro(verifica los voltajes de las pilas con el
multmetro):
CANTIDADDE PILAS 1 ( 1.5 V ) 2 ( 3.0 V ) 3 (4.5 V ) 4 ( 6.0 V )
5 ( 7.5 V )
Voltaje ( V )
Intensidad ( I )
2. Construye la grfica de V vs. I en papel milimtrico.
-
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34
3. Con base en lo anterior, podemos ver que se puede ajustar una
recta que pase porel origen. Considerando esto resuelve las
preguntas:
a) Qu tipo de relacin existe entre V e I ?
b) Cul sera su modelo matemtico?
c) Qu corriente circular cuando se conecten 15 pilas?
4. Interpreta el significado fsico que tiene la constante de
proporcionalidad (ve lagrfica que elaboraste en el 2 punto):
II. Repite la actividad, pero ahora sustituye el alambre
nicromel y la regla por un foco de6 V, como se ilustra en la figura
14. Ahora qu suceder?
Figura 14.
-
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1. Realiza tus clculos con 2, 3, .... hasta 5 pilas y llena el
cuadro de datos:
CANTIDAD
DE PILAS 1 ( 1.5 V ) 2 ( 3.0 V ) 3 (4.5 V ) 4 ( 6.0 V ) 5 ( 7.5
V )Voltaje ( V )
Intensidad ( I )
2. Construye otra grfica de V vs. I en papel milimtrico.
En este caso, observars que no es posible ajustar una recta a
los datos graficados,es decir, el voltaje no es proporcional a la
corriente. A qu se debe esto?
Considerando lo anterior, elabora un reporte de la actividad
experimental, en dondeexpongas tus conclusiones.
e) Circuitos en Serie y en Paralelo
Como vimos anteriormente, un circuito elctrico simple se forma
por una fuente deenerga, cable conductor, foco e interruptor, en
donde podemos colocar unampermetro o un voltmetro, por ejemplo. Sin
embargo, podemos formar otros tiposde circuitos en donde los
elementos resistivos se conectan en serie o en paralelo.Veamos.
En un circuito en serie, los elementos se conectan uno a
continuacin del otro, endonde la corriente elctrica tiene una misma
trayectoria. En un circuito en paralelolos elementos resistivos se
conectan en forma paralela entre s, en donde la corriente
elctrica se divide en tantas partes como elementos resistivos
existen.
Observa la siguiente figura:
Figura 15.
-
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Un circuito mixtose forma combinando elementos que estn
conectados en serie y enparalelo:
Figura 16.
La diferencia de potencial o voltaje
De acuerdo con lo que has estudiado anteriormente, qu sucede con
el voltaje en uncircuito en serie?, y otro en paralelo ?.
Cuando tenemos un circuito en serie el voltaje total se
distribuye instantneamente entresus elementos resistivos. La
intensidad de corriente es la misma en todos suselementos. La
resistencia total del circuito es la suma de sus elementos.
Esto se puede demostrar experimentalmente usando el multmetro
(ampermetro,voltmetro, hmetro), en donde obtenemos las siguientes
expresiones matemticas:
Cuando se trata de un circuito en paralelo el voltaje de la
fuente es el mismo para cadauno de los elementos resistivos. La
corriente elctrica total del circuito es la suma de lacorriente que
pasa por cada elemento resistivo. La resistencia total del circuito
es menorque la resistencia de cualquiera de los elementos.
V = V1 + V2+ V3I = I 1= I2= I 3
R = R1+ R2+ R3
-
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Experimentalmente obtenemos:
Ahora, veamos unos ejemplos:
a)Si tenemos un circuito (figura 17) en donde 3 resistencias, de
100 , 200 y 300 ,
respectivamente, se conectan en serie, con un voltaje de 18
voltios, calculemos:
resistencia total e intensidad total voltaje e intensidad en
cada elemento
Figura 17.
Entonces, aplicando las expresiones matemticas de resistencia en
serie, tenemos:
R = R1+ R2+R3= 100 + 200 + 300 = 600
IV
R= = = =
18
6000 030 a. 30 ma donde: ma = miliamperes.
V = V1 = V2 = V3I = I 1+ I2+ I 3
1 = 1 + 1 + 1R R1 R2 R3
-
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Como la intensidad total es la misma que en cada uno de los
elementos:
I = I 1= I2= I3= 30 ma (miliamperes)
Aplicando V = RI en cada elemento
V 1= R 1 I 1= ( 100 ) ( 0.030 ) =3 V
V2= R 2I2= ( 200 ) ( 0.030 ) = 6 V
V 3= R 3I 3= ( 300 ) ( 0.030 ) =9 VV = V1+ V 2+ V3= 18 V
Revisa ahora el siguiente ejemplo:
b)Tenemos un circuito (figura 18) en donde 3 resistencias , de
100 , 200 y 300 ,respectivamente, se conectan en paralelo a una
fuente de voltaje de 18 volts.Calculemos:
resistencia total e intensidad total voltaje e intensidad en
cada elemento
Figura 18.
Aplicando expresiones matemticas:
1 1 1 1 1
100
1
200
1
300
60000 30000 20000
60000001 2 3R R R R= + + = + + =
+ +
1 110000
6000000
11
600R= = despeja
11
600R == 54.5
==
== (amperes)a33.05.54
V18
R
VI 330 ma (miliamperes)
Recuerda por nemnicaes asociar la frmula
V = R IA Victoria es a Reina deInglaterra.
-
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Como el voltaje total es el mismo en cada elemento
resistivo:
V = V 1= V2= V3=18 volts
Aplicando I VR
= a cada elemento:
=
==100
V18
R
VI
11 0.180 a
==
200
V18
R
VI
22 = 0.090 a
==
300
V18
R
VI
33 = 0.060 a
I = I 1+ I2+ I3= 0.330 a
Ahora, cmo se hacen estos clculos en un circuito elctrico
mixto?
Analicemos el siguiente ejemplo:
c)Tenemos un circuito (figura 19) en donde conectamos 3
resistencias (de 100 , 200 y 300 ) en serie y en paralelo a una
fuente de voltaje de 18 voltios.
Calculemos:
resistencia total e intensidad total voltaje e intensidad de
cada elemento
Figura 19.
-
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(R2) (R3)
Debemos calcular en partes:
Primero, la resistencia equivalente (que es la suma de
resistencias, de acuerdo a laconexin, de una secuencia o de todo el
circuito, que es capaz de sustituir al conjunto de
resistencias), en paralelo (Re):
=500
60000=Re=
60000
500=
60000
200+300=
300
1+
200
1=
Re
1120
Entonces, la resistencia total es:
R T= R1+ ReR T= 100 + 120 = 220
Para calcular la intensidad total:
I
V
R
VT
T
T= =18
220 =0.0818 a = 81.8 ma (miliamperes).
De acuerdo con el siguiente diagrama el voltaje de cada elemento
sera:
V1= R1I1= 100 ( 0.0818 a ) = 8.18 VV2= Re I = 120 ( 0.0818 a ) =
9.82 V
Figura 20.
Para calcular la intensidad de cada elemento:
=
== 200
V9.82RVI
2
22 0.0490 a
=
== 300
9.82V
R
VI
3
23 0.0327 a
-
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Para corroborar estos ejemplos te proponemos realizarlos en el
laboratorio,consiguiendo los elementos descritos, y con el uso del
multmetro comprobar losresultados.
Con la intencin de que apliques lo aprendido hasta el momento,
realiza la siguienteactividad en tu cuaderno.
1. Calcula: resistencia total e intensidad totalvoltaje e
intensidad en cada elemento
Sobre los tres casos que se presentan a continuacin:
a) 3 resistencias (de 500 , 700 y 900 ) conectadas en seriea una
fuente de 27volts. Dibuja el circuito.
b) 3 resistencias ( 500 , 700 y 900 ) conectadas en paraleloa
una fuente de 27volts. Traza el circuito.
c) El circuito mixtoque se muestra enseguida:
Figura 21.
Revisa tus resultados con el asesor.
ACTIVIDAD DE REGULACIN
-
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1.1.3 POTENCIA
Te ha sucedido alguna vez que cuando requieres de mayor
iluminacin en un cuarto detu casa slo tienes que poner un foco de
mayor potencia elctrica, o bien, habrs
observado que mientras mayor es la potencia de un aparato
elctrico que ests usandomayor es la energa elctrica consumida y por
lo tanto el pago es mayor por el consumode energa.
Si utilizamos 120 voltios de voltaje promedio en una instalacin
casera, al conectar focosde 40 watts y 60 watts, obtendremos
intensidades de corriente de 0.33 amperes y 0.50amperes
respectivamente, de tal manera:
voltios121=amperes33.0
watts40
voltios120
amperes50.0
watts60=
A partir de esto podemos deducir quemanteniendo el voltaje
constante, la potencia esdirectamente proporcional a la intensidad
de corriente elctrica:
P
IV=
La potencia elctrica ( P ) se define como la energa que consume
un dispositivoelctrico en un segundo:
P
W
t=
Para conocer la energa elctrica que consumen los dispositivos
elctricos se usa lasiguiente expresin matemtica:
W Pt=
La C.F.E. (Comisin Federal de Electricidad) nos cobra de acuerdo
a losKw H consumidos por los aparatos elctricos.
Para calcular la potencia elctrica tambin podemos utilizar las
siguientes expresionesmatemticas:
P VI RIV
R= = =2
2
P: Potencia (watts)I: Intensidad de la corriente (amperes)V:
Voltaje (volts)
P: Potencia ( watts )W: Energa ( joules )t: Tiempo ( segundos
)
W: Energa ( Kw H )P: Potencia ( Kw )t: Tiempo ( H )
-
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Tambin para determinar la potencia de un calentador elctrico
(Fsica II), cuando secalienta una cierta masa de agua en un
determinado tiempo, midiendo su variacin detemperatura, se calcula
la potencia elctrica con:
seg
KJ
seg(tiempo)t
1
)C(T
1
Kgmasa
CKg
KJ2.4
t
iP
=
=
=
A continuacin se emplean las expresiones anteriores en ejemplos
de problemas depotencia elctrica, en donde se proporcionan datos
para que calcules la potenciaelctrica de algunos aparatos
domsticos.
Ejemplos
I. Una plancha elctrica con una potencia de 1500 w, conectada a
un voltaje de 120 v,dura prendida media hora (0.5 hora = 30 min. =
1800 seg.), calcular:
a) Resistencia ( R )
b) Intensidad de la corriente ( I )
c) Energa consumida (en KwH y joules )
d) Cantidad de calor desprendida ( Q, caloras )
e) Costo de la energa consumida ( 1 kwH - $0.05 )
Aplicando las expresiones correspondientes, tenemos:
a)R
V=P
2
RV
P= = = =
2 2120
1500
14400
15009.6 (ohms)
b) P VI= ===V120
W1500
V
PI 12.5 a (amperes)
c) W Pt= ( )( )W= =15 0 5. .Kw H 0.75 KwH
( )Wjoule
seg=
1500 1800 seg = 27x10
5joules
P: Potencia ( watts )
i: Variacin de energa interna( Joules )
t: Tiempo ( segundos )
m : Masa (gramos)
T: Variacin de temperatura(grados centgrados)
-
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d)joules18.4
calora1Joules10x27=Q 5 = 6.459 x 105 caloras
e) Costo ( c ) = 0.75 Kw HH1Kw
0.05$
= $ 0.037 pesos = 3.75 centavos
II. Calcula la potencia de un foco que se encuentra dentro de un
tortillero con 2 litros ( 2kg ) de agua, que se calienta de 20 C
(Ti) a 31 C (Tf) en 15 minutos (900 s):
recuerda que T = Tf- Ti
102.66100Kw0.102900
92.4
900
1)(4.2)(2)(1
(seg)tiempo1
C)(T
1
(Kg)masa
CKg
KJ4.2
t
EiP ====
=
=
P = 102.66 wattssegundo
joule=watt1
Para que apliques lo aprendido hasta ahora sobre potencia
elctrica, resuelve lossiguientes problemas:
1. Un horno de microondas tiene una potencia de 1400 watts,
conectado a una lnea de120 v, se mantiene encendido durante 15
minutos. Calcular:
a) La intensidad de la corriente que circula por lb) La
resistencia del hornoc) La energa elctrica consumidad) Cantidad de
calor desprendidae) Costo de la energa si 1Kw H = $ 0.80 pesos = 80
centavos
2. Calcula la potencia de un foco que se encuentra dentro de un
tortillero con 1.5 litrosde agua, que se calienta de 20 C a 26 C en
10 minutos.
3.Para reafirmar los conceptos tericos de potencia elctrica te
proponemos que realicesla siguiente actividad experimental en el
laboratorio.
ACTIVIDAD DE REGULACIN
-
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POTENCIA ELCTRICAOBJETIVO:
Identificar la relacin que existe entre las variables de
potencia (P), intensidad (I), voltaje(V) y resistencia (R).
PROBLEMATIZACIN:
Qu sucede con la intensidad cuando se incrementa la potencia? Qu
relacin existeentre el voltaje y la resistencia?
HIPTESIS:
EXPERIMENTO AMATERIAL:
calentador elctrico
termmetro probeta fuente de poder multmetro
PROCEDIMIENTO:
I. Utiliza el calentador elctrico de un foco para calentar agua,
digamos elsuficientelquido para cubrir el foco, tal como se ve en
la figura 22, y procede como sigue:
1. Mide con el multmetro la corriente y el voltaje durante el
proceso de calentamiento.
2. Mide la temperatura inicial del agua (a).
T1= C
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 5
-
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46
3. Conecta la clavija a la fuente de poder en las terminales de
corriente alterna y anotael cambio de temperatura al cabo de 10
minutos (b).
t = 10 minT2= C
4. Es importante agitar ligeramente en forma circular el
calentadoraproximadamente
cada 3 minutos (c).
5. Deja enfriar y mide la cantidad de agua con la probeta
(d).
V = m = Kg
(Slo en el caso del agua V = m).
6. Calcula la potencia, por calentamiento del agua, mediante la
relacin:
t
Tm4.2=
t
Ei=P
Figura 22.
II. Repite el experimento dos veces ms, conectando una vez en la
fuente de poder alas terminales A y D, y la otra en la toma normal
de 120 V ( sin fuente de poder ).
1. Tabula tus datos y verifica si el voltaje es proporcional al
cociente P/I.
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Tu profesor te ilustrar en el correcto uso del multmetro cuando
mides voltajes, yaque en este caso el cable rojo debe estar en V,
la perilla en VCA y adems debemedirse en paralelo.
REGISTRO DE DATOS
PRUEBA P(W) I (A) V(V)PI
Corrientealterna
TerminalesA D
Sin fuentede poder
2. Analiza los datos del cuadro anterior y contesta las
siguientes preguntas:
a) Qu sucede con la intensidad cuando aumenta la potencia?
b) Qu relacin existe entre el voltaje y la resistenciaI
V?
c) Con las comparaciones anteriores podemos establecer queP
IV= ? Explica por
qu:
d) Podremos encender un foco casero con pilas? Argumenta tu
respuesta.
e) Si midieras la potencia de una cafetera elctrica por los dos
mtodos que conoces,por calentamiento del agua y directamente con P
= VI qu valores obtienescon cada uno de los mtodos? Son
parecidos?
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f) Qu es un fusible?, para qu se emplea? En qu efecto se basa
sufuncionamiento?
g) En una plancha elctrica se encuentran las siguiente
especificaciones del fabricante:960 W, 120 V.
- Explica el significado de estos valores.
- Suponiendo que el calentador est conectado al voltaje
adecuado, qu corrientepasar a travs de l?
h) Una cafetera elctrica de 1000 W de potencia se conecta 4
minutos para calentar500 ml de agua, si la temperatura inicial del
agua era de 20 C a
qutemperatura final llega el agua?.
EXPERIMENTO B
Ya te has percatado que al colocar un foco de 60 watts en el
patio de tu casa, el brillo esmenor que cuando pones uno de 100
watts. Asimismo, el watt es una unidad depotencia, es decir, es la
energa disipada en una unidad de tiempo. Para medir estapotencia se
usa una medicin indirecta, en este caso usars vasos de unicel
paracalcular la potencia que desarrollan los focos que trabajan con
pilas, mediante la
siguiente expresin matemtica:
( )t
CT)kg(m2.4=
t
i=P
0
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MATERIAL:
2 vasos de unicel con tapa*
1 pila de 1.5 volts* 1 pila de 9 volts* 2 metros de alambre de
cobre del nmero 18 1 foco de 1.5 volts 1 foco de 6 volts 1
multmetro
* Material que debe aportar el estudiante.
PROCEDIMIENTO:
I. Monta el siguiente dispositivo
Figura 23.
Realiza lo siguiente:
1. Calcula la potencia de los focos para cada caso, tomando como
referencia el tiemponecesario para elevar dos grados centgrados la
temperatura del agua, y mide lamasa del agua.
2. Mide la corriente para los dos circuitos anteriores (
asegrate de que elampermetro que utilices tenga la escala
adecuada).
3. Calcula el cociente de las potencias entre la corriente, pues
as se obtendr elnmero de volts indicado en la pila. Cuando fluye
mucha corriente, entonces la pilano puede mantener el voltaje y se
dice que se baja (por qu crees que al arrancarun carro disminuye la
intensidad de sus luces?).
-
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4. Con un voltmetro o un multmetro con la escala adecuada
observars cmo se bajael voltaje al cerrar el circuito. Anota los
valores que obtuviste con el circuito abierto ycon el circuito
cerrado:
Figura 24.
Como hemos visto, el voltaje se puede definir como el cociente
de la potencia entre lacorriente, esto es:
Cabe sealar que se pueden encontrar las palabras volto voltio,
watto vatio, ampereoamperiocomo equivalentes. Una relacin similar
existe en las redes caseras de corrientealterna.
II. Para encontrar la relacin)A(I
)W(P = cte, manteniendo el voltaje constante, monta el
siguiente dispositivo:
Figura 25.
nmero de wattsnmero de amperes
Nmero de volts =
-
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Realiza lo que se te pide a continuacin:
1. Compara la brillantez de los focos e indica cul tiene mayor
intensidad de corriente:
2. En este sistema una de las variables se mantiene constante,
cul es?
3. Mide con el ampermetro en las posiciones A1, A2, A3y A4.
Comprueba que A1= A2+ A
3+ A
4y divide la potencia de cada foco entre su intensidad:
V120A
W100
A
W75
A
W60
432
=++
4. De qu forma se relaciona este circuito con los que hay en tu
casa?
-
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Revisa el siguiente mapa conceptual para que tengas un panorama
general de loscontenidos de este tema.
tales como
en
abarca
es
es laes el
base de
que estableceque son
donde
donde
donde semanejan
compuestopor
proviene de
generando es
que pueden ser
se observa en
involucra
CORRIENTE ELCTRICA
FUENTES DE ENERGA POTENCIA (P)
ENERGA CONSUMIDAPOR UN DISPOSITIVO
ELCTRICO EN UNSEGUNDOMIXTO
EFECTOS DE LACORRIENTE ELCTRICA
V= V1= V2= V3I = I1 + I2 + I3
321 RI+
R
I+
R
I=
R
I
EFECTO
MAGNTICOLUMINOSOTRMICO
CIRCUITOSELCTRICOS
SIMPLE
FUENTE DEENERGA
ENPARALELO
TRABAJOREALIZADO PORUNA CARGA DE
PRUEBA
VOLTAJE (V)
EN SERIE
VARIABLES
INTENSIDADDE LA
CORRIENTE
CANTIDAD DE CARGAELCTRICA QUE PASAPOR UN CONDUCTOR
EN UNA UNIDAD DETIEMPO
FOCO
CABLECONDUCTOR
INTERRUPTOR
V= V1+ V2+ V3I1 = I2 = I3R = R1+ R2+ R3
LEY DE OHM
I ~R
V
LA INTENSIDAD ESDIRECTAMENTE
PROPORCIONAL ALVOLTAJE E
INVERSAMENTEPROPORCIONAL A LA
RESISTENCIA
RESISTENCIA ( R )
LA OPOSICIN DE TODOCONDUCTOR ELCTRICO AL
PASO DE CORRIENTE
MATERIALESHMICOS
MATERIALESNO HMICOS
RESISTENCIAEN CABLES
CONDUCTORESRESISTENCIA
VARIABLE CON LATEMPERATURA
EXPLICACIN INTEGRADORA
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1.2 INDUCCIN MAGNTICA
1.2.1 ANTECEDENTESAhora nos introduciremos al estudio del efecto
de las fuerzas magnticas sobre cargasmviles. Esto nos permitir
definir algunos conceptos como induccin, as como elplanteamiento de
algunos conceptos tericos importantes que nos ayudarn a aterrizaren
las leyes de Faraday y Lenz.
Los cientficos que trataron este tema fueron Faraday y Lenz. Al
primero, lo describensus bigrafos como un estudioso prctico de la
electricidad que contribuy a lapropuesta de varios aparatos, que
dieron origen a las leyes que llevan su nombre.
Siguiendo estos descubrimientos, Lenz observ que en una bobina
con bastantesvueltas el introducir un imn se haca con mayor
dificultad que cuando la bobina tenamenos vueltas. Estos
descubrimientos de la ciencia lo llevaron al desarrollo
tecnolgico,dando lugar al nacimiento de dos dispositivos
importantes que son el motor y elgenerador, muy utilizados en la
rama industrial y tecnolgica.
Como un primer acercamiento al tema realiza la siguiente
actividad experimental.
INDUCCIN MAGNTICA
OBJETIVO:
Identificar la relacin que existe entre la corriente elctrica y
un campo magntico.
PROBLEMATIZACIN:
El fsico dans Hans Christian Oersted descubri que la corriente
elctrica produce uncampo magntico al observar el comportamiento de
la aguja de una brjula. Pero sepuede dar el caso inverso?, es
decir, un campo magntico puede producir unacorriente elctrica?
HIPTESIS:
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 6
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MATERIAL:
3 metros de alambre magneto del nmero 22 1 imn de barra
1 microampermetro hilo
PROCEDIMIENTO:
I. Monta el siguiente dispositivo (enrolla el alambre como se
indica para formar unabobina):
Figura 26.
Realiza lo siguiente:
1. Introduce el imn con el polo norte hacia la bobina, observa
la aguja delmicroampermetro y anota lo que sucede:
2. Amarra el imn a un hilo y colcalo sobre la bobina, hacindolo
girar. Qu seobserva?
3. Describe de qu depende el sentido de la corriente
elctrica:
-
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Veamos lo siguiente. Una carga qque entra con una velocidad en
forma perpendicular(V ) a un campo magntico, recibiendo una fuerza
magntica tambin perpendicular,se observara como en la figura
27.
Figura 27.
Ahora, si en lugar de la carga se usa un conductor con una
corriente elctrica, el cablegenera una fuerza magntica, y se
observara de la siguiente forma:
Figura 28.
La fuerza magntica con la cual sale la partcula se calcula con
la expresin:
FM= BVq
q : Valor de la carga
V : Velocidad de la partculaque entra en formaperpendicular
B : Intensidad del campomagntico
FM: Fuerza magntica
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donde se despeja la induccin (B) y obtenemos:
De aqu que: La induccin (B) en un punto de un campo magntico
mide la fuerza querecibe la unidad de carga que en ese punto se
mueve perpendicular al campo con unavelocidad determinada.
Se ha demostrado que las cargas en movimiento producen campos
magnticos. Esto sepuede observar cuando por un cable recto se hace
pasar una corriente elctricahabiendo colocado una cartulina que
atraviesa el cable, en el cual se ha agregadolimadura de hierro,
con la que se distingue la formacin de crculos ( figura 29).
Figura 29. Campo magntico que se forma alrededor de un alambre.
Las lneas de fuerza son loscrculos concntricos al alambre, que se
encuentran en un plano perpendicular a l.
Cuando en lugar de limadura de hierro se colocan brjulas, las
agujas se orientan de talmanera que indican las lneas del campo
magntico. En este fenmeno si se cambia ladireccin de la corriente,
las brjulas describen un giro completo, lo que hace vertambin que
cambia la direccin del campo magntico.
Cuando se desea aumentar el campo magntico se aumenta el nmero
de vueltas(espiras) en el conductor (bobina). (Ver figura 30).
qVFB M
=
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A continuacin se hace el desarrollo matemtico de una partcula
que entra en formaperpendicular y es extrapolada a un conductor con
corriente elctrica.
Esta fuerza magntica para una partcula se evala con el siguiente
modelo matemtico:
F=qVB. Para un cablet
LV .
Este desarrollo permite observar que el conductor por donde pasa
la corriente se muevedentro de un campo magnticocuya intensidad es
B. El alambre es empujado por unafuerza lateral por efecto de la
interaccin de los campos. Para demostrar la existencia deesta
fuerza lateral es necesario hacer la Actividad Experimental No. 7,
llamada columpiode Ampere(figura 34), donde observars la fuerza que
empuja al columpio.
3) La carga entra en formaparalela a las lneas delcampo
magntico, sinproducir fuerza alguna.
Figura 33.
LIBLBt
q
Bt
L
qF ===
F = BIL
2) En forma inclinada,donde la partcula generaun movimiento
helicoidalcomo sucede en los
anillos de Van Allen.
Figura 32.
q : Valor de la carga (coulombio)V : Velocidad de la partcula
que
entra en forma perpendicular
seg
m
B : Intensidad del campo magntico
I : Intensidad
L : Longitud del conductor
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Figura 34. Columpio de Ampere. Cuando pasa la corriente por el
columpio, ste se muevehacia delante. (Tomado de Velasco Oyarzbal
Flix. Lecciones de Fsica. Compaa Editorial
Continental , Mxico, 1977, pg. 401).
COLUMPIO DE AMPERE
OBJETIVO:
El estudiante demostrar la existencia de una fuerza lateral, por
medio de la induccin.
PROBLEMATIZACIN:
Por qu se mueven los conductores con corriente elctrica cuando
se sumergen en uncampo magntico?
HIPTESIS:
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 7
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MATERIAL:
imn potente en forma de U
una pila de 9 volts* 2 m de alambre conductor # 12 1 m de
alambre conductor #14
* Material que debe proporcionar el estudiante.
PROCEDIMIENTO:
I. Monta un marco rgido de alambre del No. 12, sin forro, de tal
manera que loconectes a una pila de 9 volts y haya un interruptor
en el circuito. El otro marco debetener menos rigidez, que logras
usando alambre del No.14, ste formar el columpio.
Montado el aparato, el columpio de Ampere, se conecta al
interruptor. Observa elmovimiento del columpio.
II. Repite el ejercicio anterior colocando varias espiras
(vueltas del alambre) enel
columpio, observa y compara la fuerza del mismo.
Como se apunt anteriormente, al aumentar el nmero de vueltas,
aumenta la fuerzamagntica. Para calcular esta fuerza el modelo es
el siguiente:
Para entender mejor la utilizacin de la frmula anterior se ha
seleccionado el siguienteproblema:
a) Un conductor lleva 3a; al ser colocado entre los polos de un
imn de herraduraqueda 2 cm sumergido perpendicularmente en un campo
uniforme de 200 G Qufuerza recibe el alambre?
F = BILN
F : Fuerza (N) (Newton)
B : Induccin magntica (Tesla, Gauss)
I : Intensidad (amp)
L : Longitud (m)
N : Nmero de vueltas (espiras)
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Frmula F = BILN
Con el modelo de la fuerza magntica se puede calcular la
induccin de la expresinF=BIL, quedando
IL
FB= , y sustituyendo las unidades:
mA
N
mS
CN
B
=
= AS
CI ==
y as la Induccin magntica (B) es
=
=mA
NB Tesla.
La induccin magntica T = 104Gauss.
La unidad de induccin magntica es la tesla. Pero qu es la tesla?
La induccin en unpunto de un campo magntico ser de 1teslacuando una
carga de 1 coulomb pasa poruna corriente de 1 amper.
1.2.2 LEYES DE LA INDUCCIN MAGNTICA
Leyes de FaradaySe habl de que el descubrimiento de las
corrientes elctricas inducidas aparecen por elao 1831, cuando
Michael Faraday realizaba este tipo de experimentos dondeintroduca
un imn recto dentro de una bobina, encontrando que se generaba
unacorriente elctrica inducida que registraba por medio de un
galvanmetro.
Datos
B =G10
T1G200
4
B = 2 x 102 x 10-4T=2 x 10-2T
L = 2 cmcm100
m1= 0.02 m
I = 3 a (amperes)
F= ?
Modelo
F = BILN 1T = 104 G1G = 10-4T
Tesla (T)Gauss (G)
Sustitucin
F = 2 x 10-2 T x 3a x 2 x 10-2mF = 1.2 x 10-03 N
T = 2 x 10- 0.02 (Tesla)
-
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As se muestra que cuando se introduce el polo norte, la aguja se
desva hacia laderecha; y cuando se saca el imn, la aguja se desva
hacia la izquierda. Si se mete elpolo sur del imn la aguja se desva
hacia la izquierda y si se saca se desva hacia la
derecha. Pero cmo se produce la corriente? Es una pregunta que
se haca desdemucho tiempo atrs , y la respuesta fue contestada
argumentando que el movimientorelativo de la bobina y el imn es lo
que produce la corriente, ya sea si se mueve labobina o el imn
solo, o si se mueven ambos.
De hecho existe corriente inducida cuando el campo magntico es
variable, un ejemplosencillo es el que muestra la siguiente
figura:
Figura 35.
El alambre se mueve en el sentido que marca la F en la figura,
registrndose unacorriente en los extremos, indicada por el
galvanmetro G..
El fenmeno de la induccin electromagntica se puede resumir en
un
enunciadoconocido como la ley de Faraday:
El voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto
del nmero de espiras y aLa razn de cambio del campo magntico dentro
de dichas espiras.
Como se vio anteriormente, un campo magntico se representa por
medio de lneasmagnticas cuya direccin y sentido estn dados por la
direccin que toma una brjula ypor el sentido en que apunta su polo
norte. Adems, hay que sealar que el nmero delneas magnticas que
atraviesan perpendicularmente a la unidad de rea esproporcional a
la induccin magntica, esto nos lleva a dos conceptos
importantes:Flujo magntico: Es el nmero de lneas del campo
magntico.
Densidad: Es el flujo que atraviesa perpendicular a la unidad de
reaA
B = .
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Compara esta definicin con la de induccin magntica en un campo
magntico queahora se llama densidad de flujo.
Figura 36. Flujo magntico, donde A es perpendicular a las lneas
magnticas. (Tomado de VelascoOyarzbal Flix. Lecciones de Fsica.
Compaa Editorial Continental, Mxico, 1977, pg. 409).
Sabemos que la densidad de flujo B se define como la relacin del
flujo entre el rea:
AB
= .
Para poder generalizar este concepto resumiremos las propiedades
de las lneas defuerza magntica, que son:
Un campo magntico se puederepresentar por medio de lneasde
fuerza magntica.
El campo magntico es msintenso donde las lneasmagnticas estn ms
juntas, ydbil cuando estn msseparadas (figura 37-a).
a) El campo magntico es intenso donde laslneas estn ms juntas, y
dbil si estn msseparadas.
La induccin magntica B esproporcional al nmero delneas de fuerza
que atraviesa
la unidad de rea colocadaperpendicular a las lneas(figura
37-b).B=Nmero de lneas reaperpendicular. b)La induccin magntica B
es proporcional al
nmero de lneas magnticas.
Las unidades son:
Flujo : Weber = Tm (unidadde flujo magntico)
1T = 1046- 1T = 104Gauss (G)
T = Tesla
Flujo magntico B =A
Densidad = Nmero de lneaspor rea (m2)
-
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Se llama flujo magntico atravs de un rea A al nmerode lneas de
fuerza que la
atraviesan (figura 37-c).
c) El flujo magntico a travs del rea A esigual al nmero de lneas
que lo atraviesan
Si la espira est paralela a laslneas de fuerza, ninguna lneala
atraviesa y el flujo es cero(figura 37-d). Si la espira
estperpendicular al campo,entonces la atraviesa el nmeromximo de
lneas y el flujo esmximo.
d)Si la espira est paralela a las lneas defuerza, el flujo es
cero.
Detalles de la Ley de Faraday
Faraday introduca un imn en una bobina y observaba en un
galvanmetro lo siguiente:
Al acercar el imn la aguja se deflecta hacia un lado; al
alejarlo se deflecta en sentidocontrario (figura 38).
El sentido de la deflexin inicial depende de si se acerca el imn
por el polo norte osur.
Mientras ms rpido es el movimiento del imn mayor es el voltaje
inducido (figura39).
.
Figura 37. (Tomado de Velasco Oyarzbal Flix. Lecciones deFsica.
Compaa Editorial Continental,Mxico, 1977 ).
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Mientras ms potente es el imn mayor es el voltaje inducido, esto
suponiendo quelos imanes se mueven con la misma velocidad.
De acuerdo con los experimentos se llega a la cuantificacin de
la F.E.M.,donde:
t.M.E.F if = F.E.M. = Fuerza electromotriz.
La fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente
proporcional a la rapidezcon que cambia el flujo magntico que
encierra.
Fuerza electromotriz en un conductor
Anteriormente se demostr B que una carga q que entra en forma
Vperpendicular aun campo magntico B es empujada con una fuerza F y
su modelo matemtico esF=q VB. Si la ecuacin anterior la
multiplicamos por la distancia se obtiene el trabajopor la unidad
de carga.
BLVq
LF
=
donde =
q
LF
F.E.M., entonces F.E.M. = VBL por unidad de carga.
Esta expresin nos sirve para calcular la diferencia de voltaje
cuando se mueve elconductor que corta las lneas del campo magntico
y en los extremos del alambreaparece la F.E.M., o sea el trabajo
realizado por unidad de carga sobre las cargaselctricas en esta
seccin del conductor mvil.
Figura 38. Figura 39.
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UNIDADES. En el Sistema Internacional de Unidades (S.I.U.) la
induccin
electromagntica (B) est dada en Bm
*Weber2
= s
mV= L=m
Y as la F.E.M. = (m)Lm
(Wb)WeberB
s
mV
2===
= (V)Volt=seg
Weber=.M.E.F
Fuerza electromotriz en una bobina
En este caso se muestra que un lazo de conductor se encuentra
sumergido en uncampo magntico donde Faraday observ que:
La fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente
proporcional a la rapidezcon que cambia el flujo magntico.
La expresin matemtica es:
E =t
-N if
f: Flujo finali: Flujo inicialE: Fuerza electromotriz inducida
en volts (V)t: tiempo (seg)N: nmero de vueltas (espiras)
A continuacin tenemos un ejemplo donde se aplica el modelo
matemtico de Faraday yla ecuacin de flujo magntico.
Et
N if
= = B A
a) Una bobina de 500 vueltas con una resistencia de 10 y con un
rea de 40 cm2esatravesada, normalmente, por un campo magntico que
en centsimos (10-2seg) desegundo cambia de 1000 G a 1000 G.
Calcular: Flujos magnticos.
El Weber es una unidad de flujo magntico de una tesla en un
metro cuadrado, pero como es una unidad muy grandese emplea otra
unidad de flujo que es el Maxwell, donde 1 Wb=108 Maxwell (Mx).
unidadesWeber
(Wb)
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F.E.M. E( )
2-2-
3-3if
10
4000.004-
seg10
Wb10x4-Wb10x4-500
t
-N ==
=
= -40000.04 = -40 V
E= -40 (V)
Es interesante recordar que en los experimentos de Faraday
cuando un imn esintroducido en una bobina se genera una corriente,
y ahora la bobina funciona como sifuera un imn, cuyos polos se
determinan de acuerdo con la regla de la mano derecha(que se
explica enseguida). Estos polos inducidos siempre se oponen al
acercamientodel imn, por ejemplo cuando se introduce el polo norte,
se genera en la bobina un polonorte, y cuando se aleja, un polo
sur.
Regla de la mano derecha para una bobina:
Se toma la bobina con la mano derecha hacia enfrente de la cara,
los dedos indican ladireccin de la corriente, y el dedo pulgar
extendido hacia la derecha indica las lneas delcampo magntico.
Ley de Lenz
El anterior descubrimiento se le atribuye a Lenz, que en su ley
dice:
La corriente inducida tiene un sentido tal que se opone a la
causa que la produce.La expresin para calcular la F.E.M. en una
bobina como se vio anteriormente es:
Datos
1T = 104 GBi= 1000 G = 10
-1TBf = -1000 G = -10-1T
A = 40 cm = 4 x 10-03m= ?
Sustitucin
i= 10-1T x 4 x 10-3m2= 4 x10-3Wb
f= -10-1T x 4 x 10-3 m2=-4 x 10-3Wb
entonces asWb = T m2
Modelo
= B A
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E= BLVN
E: Induccin en t
L : Largo del conductor en m
V : Velocidad con la que se mueve el conductor
N : Nmero de vueltas (espiras)
E: F.E.M. inducida en volt
Por definicin : La F.E.M. inducida es directamente proporcional
a la induccinmagntica del campo, a lo largo del conductor
comprendido en el campo y a la velocidad
con que se mueve.
A continuacin se plantea un problema donde se aplica esta
expresin:
a) Un conductor se mueve a 50s
cm hacia el norte perpendicularmente a un campo
magntico de 10 cm de ancho, cuyo valor es de 1000 G y cuyo
sentido es de arribahacia abajo. Calcular la F.E.M. inducida.
Qu sentido tiene la corriente?
Para contestar esta pregunta se utiliza la regla de mano
derechaque dice:
Se extienden perpendicularmente entre s los 3 primeros dedos de
la mano derecha: El
ndice seala el sentido de la induccin, el cordial el sentido de
la corriente y el pulgar elmovimiento. Observa la figura:
Datos
B = 1000 G = 0.1 WbL = 10 cm = 0.1 m
V = 50s
cm= 0.5
s
m
N = 1
Modelo
F.E.M. = BLVN
Sustitucin
0.1 Wb x 0.1 m 0.5 m/s x 1= 5 x 10-3voltas la F.E.M. = 5 x
10-3volt (V)
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Figura 40. Conductor movindose hacia adelante en un campo
magntico. (Tomado de VelascoOyarzbal Flix. Lecciones de Fsica.
Compaa Editorial Continental, Mxico, 1977, pg. 412).
1.2.3 GENERADOR ELCTRICO
Una de las aplicaciones ms importantes de la induccin magntica
se observa en elavance tecnolgico dentro del mbito industrial por
la aplicacin de dos dispositivos, queson el generadory el motor
elctrico.
El generador elctrico convierte la energa mecnica de rotacin en
energa elctrica,
este dispositivo elctrico consta de un imn o electroimn fijo y
un tambor giratorio conbobinas en su permetro, representadas por
gruesos alambres aislados y pelados en losextremos, donde se hace
contacto elctrico con las escobillas, quienes conducen lacorriente
al exterior, la cual se observa cuando se coloca una bombilla que
enciende(figura 41).
En un aparato para demostrar esta experiencia de tipo escolar,
el eje central nosconecta mecnicamente a una manivela donde el
operador la hace girar violentamente yse observa que la lmpara
enciende. Una forma alternativa del generador es elalternador, que
se utiliza en el encendido de los automviles, en este caso se
tienenunos diodos montados que permiten que la corriente se dirija
en un solo sentido. Esmuy comn que gente inexperta conecte la
bateracon lospolosal revs y queme losdiodosdel alternador.
Es interesante decir que existen generadores de corriente
alterna y directa, para ello seutilizan los conmutados, que no son
ms que anillos en los extremos del eje principal delbarril que gira
en medio del generador de los electroimanes.
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Figura 41. Generador elctrico. El sentido de la corriente
inducida en el tramo a-blo da la regla de la manoderecha. (Tomado
de Velasco Oyarzbal Flix. Lecciones de Fsica. Compaa Editorial
Continental, Mxico,
1977, pg. 413).
A continuacin se muestran las fases de la espira con diferentes
posiciones al darvuelta.
Figura 42. Generador de corriente alterna. (Tomado de Velasco
Oyarzbal Flix.Lecciones de Fsica.Compaa Editorial Continental,
Mxico, 1977, pag. 413 ).
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1.2.4 MOTOR ELCTRICO
El motor elctrico es un dispositivo elctrico que convierte la
energa elctrica enmecnica, podemos decir que un motor de corriente
directa est formado por una bobinaque se encuentra entre los polos
de un imn.
Como se apunt anteriormente en los principios de la induccin, al
circular una corrienteelctrica en la bobina sta adquiere un campo
magntico y acta como un imn, cuyospolos se determinan por la regla
de la mano derecha, y al interaccionar con los polos delimn produce
un movimiento de tipo rotatorio, debido a la fuerza que hay entre
los doscampos magnticos.
Tanto el motor de C.D. como el de C.A. se basan en lo
siguiente:
Electroimn,que es el inductor o estatorfijo y el circuito
elctrico que gira alrededor de
un eje, que recibe el nombre de inducido o rotor. En la parte
operacional a un motor se leanexa una bomba que es muy utilizada en
la industria.
1.2.5 TRANSFORMADORES
El transformador es un dispositivo elctrico que est formado por
dos bobinas montadassobre un ncleo de lminas, el transformador
industrial es enfriado por algn lquidocomo aceite; por tener alto
voltaje ste se altera por cortos elctricos cuando haceviento, o
bien intenso trabajo; quizs hayas observado esto en tu casa durante
laausencia de energa debido a un corto del transformador de la
alimentacin elctrica.
El modelo matemtico que rige la relacin de la F.E.M. y el nmero
de vueltases:
2
1
2
1
N
N
E
E=
En un transformador las fuerzas electromagnticas son
directamente proporcionalesal nmero de vueltas de la bobina.
Otra manera de ver el transformador es por el concepto de
potencia elctrica donde sta
es igual en el primario como en el secundario. La expresin
matemtica queda:1
2
2
1
I
I
=
donde se observa que en un transformador las intensidades son
inversamenteproporcionales a las fuerzas electromotrices.
Veamos un ejemplo:
a) Un transformador tiene una potencia de 40 watts, 1000 vueltas
en el primario y15000 en el secundario. El primario se conecta a un
voltaje de la lnea dealimentacin de 125 volt.
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Se desea calcular:
La intensidad de la corriente en el primario.
a0.32Ia0.32V125
W40
V
PI 11 ====
El voltaje en el secundario.
despeje
1
212 N
N=
La intensidad de la corriente en el secundario.
Los transformadores tienen como funcin bajar o subir el voltaje
dependiendo de lascaractersticas del primario y del secundario, que
estn en funcin del nmero de vueltasde las bobinas.
Datos
1= 125 VN1= 1000N2= 150002= (?)
Datos
P = 40 watt1= 125 VI1= ?
Modelo
2
1
2
1
N
N=
Modelo
P = VI
2 18751000
15000xV125=
2= 1875 V
Datos
P = 40 watt2= 1875 VI2= ?
Modelo
P = I22
I2=V1875
W40P
2
=
I2= 0.0213 amperes (a) y en miliamperes (ma)
= 21.33 (ma)
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Realiza la siguiente actividad.
TRANSFORMADORES
OBJETIVO:
Demostrar la relacin de las variables voltaje (V)e intensidad
(I).
PROBLEMATIZACIN:
Existen radios que necesitan utilizar un transformador para
conectarlos a 125 V. Porqu?
HIPTESIS:
MATERIAL:
2 bobinas de 500 espiras 1 bobina de 1000,3000 espiras fuente de
voltaje fuente de poder
PROCEDIMIENTO:
Monta el dispositivo de la siguiente figura:
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 8
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Figura 43.
1. Conectar la bobina al galvanmetro y posteriormente introducir
el imn del polonorte
y observar la aguja del galvanmetro.
2. Conectar la bobina al galvanmetro y otra paralela conectada a
una pila de 6volt.
Observa el galvanmetro.
3. Conectar la bobina a un galvanmetro y hacerla girar con
violencia sobre sueje
vertical para observar el cambio de flujo.
Ahora realiza lo siguiente:
Conecta la fuente de poder para poner el indicador de 3 volt con
dos bobinas de 500espiras en el ncleo de hierro dulce.
Determina el voltaje e intensidad de entrada y salida.
Reemplaza la bobina del secundario por una de 3000 espiras.
Determina las potencias de entrada y de salida.
Cambia el tipo de C.A. a C.D.
V 1= V2=
I1= I2 =
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CONCLUSIONES:
Observa el siguiente esquema que muestra los conceptos ms
importantes del tema queacabas de estudiar.
EXPLICACIN INTEGRADORA
son
INDUCCINMAGNTICA
ANTECEDENTES TRANSFORMADORESGENERADORELCTRICO
LEYES DE LAINDUCCINMAGNTICA
MOTOR ELCTRICO
FARADAY
comprende
LENZ
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El siguiente esquema muestra los puntos centrales del contenido
del fascculo.
CORRIENTEELCTRICA
FUENTES DE
ENERGA
INDUCCINMAGNTICA
POTENCIA
VOLTAJE CIRCUITOS ENSERIE Y ENPARALELO
CIRCUITOELCTRICO
SIMPLE
INTENSIDAD RESISTENCIA
LEY DEOHM
comprende
incluye
comprende
ANTECEDENTES TRANSFORMADORES
LEYES DE LAINDUCCINMAGNTICA
MOTORELCTRICO
GENERADORELCTRICO
RECAPITULACIN
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Para que confirmes lo aprendido en este fascculo, resuelve lo
siguiente:
1. Explica la diferencia entre resistencia en serie y en
paralelo.
2. Cul es la diferencia entre un conductor hmico y uno no
hmico?
3. Cul es el modelo matemtico de la potencia elctrica?
4. En qu tipo de arreglo de resistencia la relacin de la
potencia y la intensidad de lacorriente es una constante?
5. Cul es el modelo de la relacin de la fuerza elctrica y la
carga, cuando sta entraa un campo magntico?
6. Quin descubri que una carga en movimiento genera un campo
magntico?
7. Un campo magntico variable que se puede cortar por medio de
un conductorpodra generar una corriente elctrica? Explica.
8. Para qu sirve la regla de la mano izquierda?
9. Explica las partes principales de un motor y de un
generador.
10. Explica brevemente cmo funciona un transformador.
11. Segn Oersted una corriente elctrica produce un campo
magntico. Puedesuceder el caso contrario?
12. Tiene influencia la direccin de la corriente cuando un imn
entra o sale de unabobina?
13. Una espira circular de alambre con un radio de 5 cm se halla
en un campo uniformemagntico de 6 x 10-4T. Cul ser el flujo a travs
de l si su plano es...
a) Perpendicular
b) Paralelo al campo
14. De qu depende la magnitud del voltaje inducido?
15. Escribe el modelo cuando el voltaje inducido en una bobina
es proporcional alproducto del nmero de espiras y la razn de cambio
del campo magntico dentrode dichas espiras.
ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIN
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Compara tus respuestas con las que te presentamos enseguida y as
verificars tu nivelde aprendizaje.
1. El primero es el dispositivo que se conecta en un circuito
elctrico, donde la corrienteentra por un punto (positivo) y sale
por el otro extremo (negativo), llamndoseconexin en serie. En
paralelo los dispositivos resistivos se conectan en el circuitocon
este arreglo, donde la corriente y la direccin es paralela,
permitiendo en casode interrupcin que la corriente siga fluyendo en
las dems ramas.
2. El primero sigue la ley de Ohm V = RI y el segundo en un
punto determinado se
aparta de dicha ley.
3. P = VI
4. En paralelo.
5. F = qVB
6. Oersted.
7. S, se puede generar una corriente elctrica como en los
experimentos de Faraday.
8. Sirve para determinar la direccin que toman las lneas de
fuerza alrededor de un
alambre conductor. Conociendo la direccin de la corriente donde
los electronesfluyen del polo negativo al polo positivo, se toma el
conductor con la mano izquierda,donde el dedo pulgar apunta hacia
donde pasa la corriente y los dedos apuntan enforma concntrica las
lneas del campo magntico.
9. El motor se compone de bobina fija, imn giratorio.
El generador tiene bobinas, escobillas, conmutador,
electroimanes.
10. Es un embobinado sobre ncleo de hierro (lmina de hierro),
donde enelprimario (bobina) entra corriente y sale en el secundario
con diferente
voltajeque en el primario.
11. S, se explica con las leyes de Faraday y Lenz.
12. S, en el cambio de la corriente que se nota en el
galvanmetro.
AUTOEVALUACIN
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13. = BA = 6 x 10-4T x 3.1416 x 25 x 10-4
a) r2= 3.1416 [5 x 10-2]-2b) = 47 x 10-8T
14. Del nmero de vueltas en la bobina.
15. E=12
12
tt
N
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USO DEL MULTMETRO
MEDICIN DE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE DIRECTA
1. Inserta los extremos de los cables de prueba en las
terminales V- -A y COM delmultmetro.
2. Coloca el selector en el rango deseado para medir DC mA.3.
Monta un circuito simple con una pila, una resistencia, un
interruptor y el multmetro
como se muestra en la figura.4. Haz la lectura en el multmetro
de la intensidad de la corriente que circula por el
circuito.
Nota:Observa en la figura que para medir corrientes la conexin
del multmetro es en serie con el circuito.
Tomado de Prez Montiel, Hctor. Fsica Experimental. Publicaciones
Cultural, Mxico, 1992, pgs. 22-24.
ANEXO
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MEDICIN DE RESISTENCIAS
1. Inserta los extremos de los cables de prueba en las
terminales V- -A y COM delmultmetro.
2. Adopta en corto las puntas de los cables de prueba, para ello
une las dos puntasentre s.
3. Ajusta la aguja indicadora a cero, moviendo la perilla que
dice ADJ.
4. Coloca el selector en el rango deseado.
5. Coloca las puntas en los extremos de la resistencia que
deseas medir.
6. Efecta la lectura en ohms en la escala correspondiente y
multiplica el valor de lalectura por el factor marcado en la
posicin en que se coloc el selector.
7. Mide varias resistencias, una por una, y con base en su valor
haz conexiones de ellasen serie y en paralelo. Compara el valor
medido en el multmetro con el valorcalculado por ti, para ello
aplica las frmulas respectivas vistas en el fascculo.
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5/2