Electromagnetismo

Acuerdo 286
Física
Unidad 4
Electromagnetismo
Ing. Enriqueta Del Ángel Hernández
4.1
Carga eléctrica y 4.2 Ley de Coulomb
Se dice que un objeto está "cargado eléctricamente" o "electrizado" cuando tiene
exceso o carencia de electrones en los atamos que lo conforman.
En el SI se utiliza el Coulomb (C) como unidad de carga eléctrica; así un C
representa la carga eléctrica que tiene 6 billones 240 mil billones de electrones.
Equivalencia:
1C = 6.24 X 1018 ē
Expresado de otra forma tenemos que la carga de un electrón en C es igual a:
1ē = - 1.6021 X 10-19 C
El signo negativo (-) indica la naturaleza de la carga.
NOTA: Cuando un cuerpo posee una carga de 1C significa que perdió o ganó
6.24 X 1018 electrones ( ē ).
Los múltiplos más utilizados para indicar la carga eléctrica de un cuerpo son:
milicoulomb
1mC = 1 X 10-3 C
ó también
1mC = 0.001 C
microcoulomb
1µC = 1 X 10-6 C
ó también
1µC = 0.000 001 C
nanocoulomb
C
1nC = 1 X 10-9 C
ó también
1nC = 0.000 000 001
picocoulomb
001 C
1pC = 1 X 10-12 C ó también
1pC = 0.000 000 000
Un Coulomb es la carga transferida en un segundo a través de cualquier sección
transversal de un conductor, mediante una corriente constante de un Ampere.
TABLA . PARTÍCULAS Y SU CARGA ELÉCTRICA
Partícula
Carga eléctrica
Masa
Electrón ( ē )
-1.602 X 10-19 C
9.109 X 10-31 Kg
Protón (p, e+ )
1.602 X 10-19 C
1.673 X 10-27 Kg
Neutrón ( n )
0
1.675 X 10-27 Kg
Para cuantificar la fuerza de atracción o repulsión entre las cargas eléctricas
Charles Coulomb creo la balanza de torsión en 1777; además estableció la Ley
que lleva su nombre y expresa:
“La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente
proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa”
Expresada matemáticamente se tiene:
Donde:
F = Fuerza de atracción o repulsión en el SI su unidad es
N.
Q1 y Q2 = Cargas eléctricas en C.
r = Distancia entre las cargas en m.
K = Constante electrostática cuyo valor es 9 X 10 9 Nm2/
C2.
Ejemplo: Calcular la corriente eléctrica entre dos cuerpos que tienen una carga
eléctrica de 5 X 10-6C y 8 X 10-6 C al encontrarse separados por una distancia de
12cm y que tipo de fuerza eléctrica se genera entre ellas.
1.- Se anotan los datos:
Carga eléctrica 1 = q1 = 5 X 10-6 C
Carga eléctrica 2 = q2 = 8 X 10-6C
Distancia entre las cargas expresada en metros r = 0.12m (Los 12 cm se dividen
entre 100 para expresar la distancia en metros; porque un 1m=100cm).
Constante eléctrica K = 9 X 109 Nm2/C2
2.- Se sustituye en la fórmula que expresa la Ley de Coulomb
(
)
F = 25 N y es una fuerza de repulsión porque ambas cargas son del mismo
signo en este caso ambas son de signo positivo.
4.3 CORRIENTE ELÉCTRICA, VOLTAJE Y RESISTENCIA.
Corriente eléctrica. Es el movimiento de las cargas negativas a través de un
conductor.
Las cargas negativas o electrones circulan a través de un circuito eléctrico
cerrado, se mueven siempre de polo negativo al polo positivo de la fuente de
fuerza electromotriz (FEM).
INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA.
Es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en
un segundo.
𝐼
𝑞
𝑡
Donde:
I = Intensidad de la corriente eléctrica en c/s = ampere = A
q = Carga eléctrica que pasa por cada sección de un
conductor en Coulomb (C).
t = Tiempo que tarda en pasar la carga q en segundos.
El instrumento que se utiliza para medirla es el Amperímetro.
¿QUE ES UN CIRCUITO ELÉCTRICO?
Es un sistema en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria
completa, es decir, cerrada, debido a una diferencia de potencial.
LOS COMPONENTES FUNDAMENTALES DE UN
CIRCUITO ELECTRICO
son
Una fuente de fuerza
electromotriz (FEM).
(VOLTAJE)
El flujo de una intensidad
(I)
de
corriente
de
electrones.
(CORRIENTE)
Una
resistencia
que
consuma la energía que
proporciona la fuente de
fuerza electromotriz y la
transforme en energía útil
(RESISTENCIA)
para
Encender una lámpara,
proporciona frió o calor,
poner en movimiento un
motor, amplificar sonidos
por un altavoz etc.
Si no se encuentra con esos tres componentes, no se puede decir que exista un
circuito eléctrico.
DIFERENCIA DE POTENCIAL
También recibe el nombre de voltaje o tensión.
La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera A y B es igual al trabajo
de la unidad de carga positiva que realizan fuerzas eléctricas al mover una
carga de prueba desde el punto A al B.
Donde:
VAB = Diferencia de potencial entre los puntos A y B en
volts.
TAB = Trabajo sobre una carga de prueba q que se
desplaza de A a B en J.
q = Carga de prueba que se desplaza de A a B en C.
𝑉𝐴𝐵= 𝑇𝑞𝐴𝐵
La diferencia de potencial entre dos puntos también se puede determinar si se
conoce el potencial que hay en cada uno y se obtiene su diferencia.
VAB = VA - VB
ALGUNOS COMENTARIOS IMPORTANTES.
E l concepto de tensión o voltaje se encuentra muy frecuente en nuestra vida
diaria. Por ejemplo, ya debe haber oído hablar, de que en algunas casas existen
tomas de corriente o tomacontactos de 110V. Como ya sabemos 110V = 110J/C,
ello significa que si un aparato eléctrico se conecta a uno de estos tomacontactos
o contactos, cada carga de 1C que de desplace de una terminal a otra ( de A a B )
recibirá 110J de energía del campo eléctrico existente en el tomacontacto ( a su
vez, la carga transmitirá al aparato la energía que recibe del campo eléctrico).
Si la toma o contacto es de 220 V (como en algunas instalaciones), podemos
concluir que 1C recibirá 220J de energía la desplazarse de un terminal a otro
tomacontacto. De la misma manera, cuando decimos que la batería de un
automóvil tiene un voltaje de de 12V, habrá una energía de 12J impartida a cada
coulomb que vaya a otro terminal de la batería.
RESISTENCIA
Es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o flujo de
electrones.
Factores que influyen en la resistencia eléctrica de un conductor.
1) La naturaleza del conductor. La plata tiene menor resistencia y el hierro es el
de mayor resistencia eléctrica.
2) La longitud del conductor. A mayor longitud, mayor resistencia. Si se duplica la
longitud de un alambre, también se duplica su resistencia.
3) Sección o área transversal del conductor. Al duplicarse la superficie de la
sección transversal, se reduce la resistencia a la mitad.
4) La temperatura. En los metales su resistencia aumenta de manera
directamente proporcional a su temperatura.
La unidad utilizada para medir la resistencia eléctrica es el ohm (Ω) en honor a
George Simón Ohm.
En el SI, un ohm equivale a la resistencia que presenta un conductor cuando, al
recibir un voltaje de 1volt, la corriente que pasa por él es de 1 Ampere.
CUANTO MAYOR ES LA RESISTENCIA, MENOR ES LA INTENSIDAD DE LA
CORRIENTE.
Símbolo de resistencia
4.4 LEY DE OHM
Esta ley fue enunciada en 1827 por George Simón Ohm y establece:
“La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un
circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a
sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”.
Matemáticamente:
𝐼
𝑉
𝐼𝑅
𝑉
𝑅
𝑅
𝑉
𝐼
Donde:
V= Diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor en volts (V).
R= Resistencia del conductor en ohms (Ω)
I= Intensidad de la corriente que circula por el conductor en Amperes (A).
4.5 CIRCUITOS ELÉCTRICOS.
CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO DE RESISTENCIAS.
CIRCUITO EN SERIE
Los elementos conductores están unidos uno a continuación del otro; es por ello
que toda la corriente eléctrica debe circular a través de cada uno de los
elementos, de tal forma que, si se abre el circuito en cualquier parte, se interrumpe
totalmente la corriente.
Resistencia común.
Símbolo de resistencia.
RESISTENCIAS EN SERIE
Para calcular la resistencia equivalente, Re (aquella que representa la misma
oposición al paso de la corriente que presentan las demás resistencias
conectadas, por lo tanto, puede sustituir al sistema en serie del circuito).
Donde:
Re= Resistencia equivalente.
R1, R2 y Rn = Resistencias que
integran el circuito.
Re= R1+R2+…Rn
COMO LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA ES LA MISMA PARA
CADA RESISTENCIA TENEMOS:
𝐼
𝑉
𝑅𝑒
Donde:
I = I1= I2 =…=In
Y para calcular el voltaje en cada resistencia utilizamos la ley de Ohm de tal forma
que:
V1= IR1
V2= IR2
V3= IR3
y así sucesivamente.
El voltaje suministrado se reparte entre cada una de las resistencias del circuito de
tal forma que:
V= V1+V2+V3
CIRCUITO EN PARALELO
Los elementos conductores se hallan separados en dos o más ramales y la
corriente eléctrica se divide en forma paralela entre cada uno de ellos; así, al abrir
el circuito en cualquier parte, la corriente no será interrumpida en los demás.
V
R1
R2
RESISTENCIAS EN PARALELO
La resistencia equivale (Re)
El voltaje aplicado a cada resistencia es igual para cada una de ellas y es el
mismo que se le suministra al circuito.
V= V1= V2= V3
La intensidad de corriente eléctrica por cada resistencia es diferente, de tal forma
que la suma de todas las corrientes nos da la corriente total que circula por el
circuito. De la ley de ohm tenemos:
Sumando las intensidades de corriente eléctrica se tiene:
I= I1+ I2+ I3…+In
;
y así sucesivamente.
CIRCUITOS MIXTOS DE RESISTENCIAS.
Significa que los elementos conductores se conectan tanto en serie como en
paralelo.
La forma de resolver matemáticamente estos circuitos es calculando parte por
parte las resistencias equivalentes de cada conexión, ya sean en serie o en
paralelo, de tal manera que se simplifique el circuito hasta encontrar el valor de la
resistencia.
CONSULTAR:
http://www.youtube.com/watch?v=7SH087i2TSw&feature=fvsr
http://www.youtube.com/watch?v=5BsvIO1rm4U
http://www.slideshare.net/cemarol/conceptos-y-leyes-fundamentales-de-laelectricidad-presentation
4.6 MAGNETISMO
MAGNETISMO: Es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de
atraer al hierro, al níquel y al cobalto. Si es muy potente puede atraer al
platino.
Las primeras observaciones fueron realizadas en la ciudad llamada Magnesía;
hace aproximadamente dos mil años se encontró una roca negra que atraía al
hierro; actualmente a esta roca negra se le llama magnetita ó piedra imán. Esta
piedra está constituida por un óxido de fierro (magnetita). Se cree que en el año
121a.C. los chinos usaban el imán como brújula, así por sus propiedades se utiliza
en timbres, teléfonos, bocinas, alarmas, motores eléctricos, etc.
IMANES Y POLOS MAGNÉTICOS.
La propiedad de atraer el hierro y otros metales, no radica con igual intensidad en
todo el cuerpo del imán, sino principalmente en pequeñas porciones de sus
extremos que se llaman polos. Las otras partes del imán se muestran menos
activas; cuando se cuelga una barrita imantada por su punto medio se observa
que uno de sus extremos se orienta hacia el norte y el otro hacia el sur.
El polo del imán que se orienta hacia el norte se llama polo norte (+) y el otro,
polo sur (-).
Cuando acercamos el polo norte de un imán al polo sur de otro observamos que
se atraen. En cambio, Cuando se trata de acercar el polo norte de un imán al polo
norte del otro, observamos que ambos se rechazan; ocurre lo mismo cuando se
aproximan los polos sur de dos imanes.
Los polos magnéticos del mismo nombre se repelen, y los polos magnéticos de nombre
contrario se atraen.
TIPOS DE IMANES.
La magnetita (Fe3O4) es un imán natural.
Los imanes artificiales son barras de hierro que se han imantado frotándolos con
otro imán o sometiéndolos a la acción del campo magnético producido por una
corriente eléctrica. Ejemplo de ellas son el imán de herradura y el imán recto o en
barra, etc. Los imanes artificiales poseen mayor intensidad, son más sólidos y
pueden adoptar formas adecuadas al uso que se destinen. Para fabricarlos se
utilizan aleaciones de hierro, níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto,
tungsteno o molibdeno. Los imanes artificiales pueden ser temporales ó
permanentes los fabricados con hierro dulce son imanes temporales y los
fabricados con acero son imanes permanentes.
La propiedad del hierro dulce de imantarse temporalmente es aprovechada en la
fabricación de electroimanes.
Un electroimán consiste esencialmente en un conductor enrollado sobre un núcleo
de hierro, que se imanta al paso de la corriente.
Los electroimanes se utilizan en campanillas eléctricas, dínamos, transformadores,
grúas para levantar chatarra, etc
CAMPO MAGNÉTICO
La región del espacio en la cual las sustancias magnéticas ejercen su acción se
denomina campo magnético.
Para representar el campo magnético se utilizan las líneas de fuerza magnética
ideadas por Michael Faraday; dichas líneas forman el espectro magnético.
Las líneas de fuerza producidas por un imán, ya sea de barra o de herradura, se
esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur.
TEORÍA MOLECULAR DEL MAGNETISMO
Si cortamos un imán en varios trozos se observará que cada uno de ellos se
orienta de norte a sur, es decir, que en cada uno de los trozos se ha generado
nuevamente un polo norte y un polo sur, quedando así un nuevo imán; a su vez si
cada uno de estos imanes se corta en varios pedazos la situación genera nuevos
imanes; por lo cual:
Un imán puede ser considerado como un conjunto enorme de imanes moleculares
ordenados.
El magnetismo de una sustancia es consecuencia de los movimientos de los
electrones alrededor del núcleo de los átomos. Cada electrón crea su pequeñísimo
campo magnético, pero estos electrones son tantos y están orientados tan
diversamente, que los campos magnéticos de todos ellos se anulan. Basta, sin
embargo, una influencia exterior (proceso de imantación) para que los electrones
se orienten en una misma dirección y la sustancia se comporte como un imán.
Los imanes pueden perder su magnetismo por las siguientes causas:
a) Por
golpes
o
por
vibraciones constantes.
b) Por calentamiento, ya
que a la temperatura del
rojo
desaparece
totalmente
el
magnetismo y
c) Por influencia de su
propio campo magnético.
MAGNETISMO TERRESTRE.
Las fuerzas magnéticas que se
observan en la superficie de la tierra
actúan
como
si
estuvieran
producidas por un gigantesco imán
cuyos polos se hallan cerca de los
polos geográficos, aunque no
coinciden con ellos.
Científicamente aún no se encuentra
una explicación a este fenómeno;
sin embargo se considera que
existen diversos factores que inciden
en ello como el movimiento de
rotación de la Tierra y la influencia
de la parte fluida del núcleo central.
CONSULTAR:
http://www.youtube.com/watch?v=jf-SVGNW9BI