Guía Del estudiante Modalidad a distancia Modulo FÍSICA GENERAL PARA SALUD OCUPACIONAL III SEMESTRE DATOS DE IDENTIFICACION TUTOR Luis Enrique Alvarado Vargas Teléfono 435 29 52 – CEL. 310 768 90 67 E-mail Wiki: leav70@gmail.com http://guias-uniminuto.wikidpaces.com BIENVENIDA Lugar Madrid Cundinamarca Corporación Universitaria Minuto de Dios – Rectoría Cundinamarca Bienvenida EL curso de Física general permite indicar un proceso de formación a profesionales de la salud ocupacional que apropien competencias interpretativas, argumentativas y propositivas y competencias ciudadanas como líderes integrales en sus desempeños el curso pretende fortalecer procesos. Fundamentos del Pensamiento: Que le permiten apropiarse de los conceptos físicos y sus aplicaciones en todas las actividades del ser humano desde la comprensión de conceptos de la termodinámica y campo electrostático. Hay otros conceptos físicos tratados en la presente guía que tienen una intima relación con la salud ocupacional como la temperatura, el calor, los estados de la materia entre otros, así como la electrostática, la carga de la materia La física general intenta explicar los fenómenos del universo de una manera simple sin que esto deje de ser bien profundo pues por ejemplo cuando estudiamos las leyes de la termodinámica, esto es fácil de comprender en la medida en que apropiemos los conceptos e internalicemos las ideas para ver que la mecánica del universo en cuanto se refiere a la temperatura tiene leyes que rigen los cambios de estado en la materia y la transmisión de energía radiante. Autoformación: A partir del estudio auto programado del dialogo de saberes como resultado del trabajo en equipo para la construcción y socialización del conocimiento de la investigación y acción de las prácticas. Trabajo Cooperativo: El curso propende por el trabajo en equipo con toda la comunidad para el desarrollo de proyectos de investigación que le permitan al estudiante ver la aplicación de los conceptos físicos en la vida diaria. El propósito de formación de este curso es facilitar al estudiante de salud ocupacional es vivenciar por contexto y las demás áreas del programa el desarrollo de las competencias que le permitan utilizar el lenguaje y herramientas necesarias en las acciones propias del trabajo en equipo. El curso esta propuesto acorde a los principios expuestos por la universidad del Tolima, el IDEAD y el programa es fruto de la experiencia de quien escribe y luego de consultar diferentes programas de ciencias de la educación en la que dentro del pensum involucran la física general, los cuáles dan preeminencia a los procesos de auto formación del ser humano en modalidad a distancia, que deben esforzarse a muchas horas de estudio individual y grupal sin la presencia física del tutor. INTRODUCCIÓN En esta guía, se presentan dos temas; la temática de la termodinámica y los campos electrostáticos; en la termodinámica se estudiaran las 4 leyes, la primera habla del intercambio de energía de un cuerpo con el medio que lo rodea y la segunda ley habla del calor que cede un cuerpo a otro de menor calor (entropía) que se mide por la relación entre el calor absorbido y la temperatura a la cual lo absorbe. Los fenómenos de la naturaleza como el campo electrostático tienen explicaciones simples en las que se estudia el campo electrostático con sus propiedades, las leyes que lo rigen, las propiedades eléctricas de los materiales y la separación entre conductores y aislantes, o entre conductores, semiconductores y superconductores de carga eléctrica al igual que haremos una clara diferencia entre lo que es corriente continua y corriente alterna, pero lo más importante es ver las aplicaciones que estas temáticas tienen en el campo industrial y el gran aporte que hacen al desarrollo de los pueblos. UNIDAD DE TRABAJO No.4 ¿Cómo entender las leyes de la termodinámica y las propiedades físicas de la materia para comprender su contribución en el diseño de maquinas que generan progreso y avance en la ciencia? * Cómo Comprender de manera activa y practica los campos electrostáticos y los INDICADORES avances en la producción de gran cantidad de dispositivos que han contribuido al desarrollo de la humanidad? Objetivos • Diferenciar los conceptos de energía interna de un cuerpo y temperatura. • Identificar las diferentes escalas de temperatura para realizar mediciones y encontrar la equivalencia entre una y otra. .Reconocer las leyes de la termodinámica y su aplicación en el diseño de maquinas Manejar el concepto de carga eléctrica y asociarlo con la ley de Coulomb. Identificar el campo eléctrico como una distribución discreta o continua de carga Identificar las propiedades de los materiales conductores y la diferencia con los materiales aislantes. Comprender la ley de Gauss y sus aplicaciones. resolver problemas relacionados con la termodinámica y el campo electrostático. TEMAS A DESARROLLAR TEMA 8. Termodinámica. - Temperatura. Principio cero de la Termodinámica. Equilibrio térmico. Escalas de temperatura. Magnitudes termodinámicas. Ecuaciones de estado. Ley de los gases ideales. Teoría cinética de los gases. Modelo molecular de un gas ideal. Interpretación microscópica de la temperatura. Teorema de equipartición. - Calor y primer principio de la termodinámica. Calor, capacidad calorífica, calor específico y calor latente. Trabajo y energía interna de un gas. Primera ley de la termodinámica. Transformaciones adiabáticas, isotermas e isocoras de un gas. Diagramas PV. Procesos cuasi estáticos. - Segundo principio de la termodinámica. Máquinas térmicas y segundo principio de la termodinámica. Ciclo de Carnot. Reversibilidad, irreversibilidad y entropía. TEMA 9. Campo electrostático. - Campo eléctrico. Carga eléctrica y ley de Coulomb. El campo eléctrico. Líneas del campo eléctrico. Campo eléctrico creado por distribuciones discretas o continuas de carga. Conductores y aislantes. Ley de Gauss. - Potencial eléctrico. Potencial y líneas de campo eléctrico. Diferencia de potencial y superficies equipotenciales. Potencial eléctrico debido a distribuciones discretas o continuas de carga. - Energía electrostática y capacidad. Energía potencial electrostática. Trabajo. Capacidad y condensadores. Combinaciones de condensadores. Energía eléctrica y densidad de energía. Propiedades electrostáticas de los materiales no conductores (aislantes, dieléctricos) Marco Teórico Termodinámica La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo. El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura. Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras. Previo a profundizar en este tema de la termodinámica, es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí. La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura. La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura. Primera Ley de la Termodinámica Esta ley se expresa como: Int = Q - W Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W) Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema. Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica. Segunda Ley de la Termodinámica La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo. Tercera Ley de la Termodinámica y Ley Cero Además de la primera y segunda leyes de la termodinámica, existen la ley cero y la tercera ley de la termodinámica. Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio): "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. Tercera Ley de la Termodinámica. La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable. "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". "La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible". Para consultar maquinas térmicas visita el enlace dado a continuación: http://136.145.236.36/isdweb/Curso-fisica-2/Presentaciones/pres5-3012.pdf Para consultar sobre la teoría cinética de los gases pueden recurrir a la dirección siguiente: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/gasIdeal/gasIdeal.html Carga eléctrica - La estructura de la materia 1. Estructura atómica de la materia. QUÉ es la materia? Según el diccionario, es "aquello que constituye la sustancia del universo físico". La Tierra, los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombre contempla, toca o siente, es materia. También lo es el hombre mismo. La palabra materia deriva del latín mater, madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tan adaptable como el agua, tan informe como el oxígeno del aire. A diferentes temperaturas puede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, está constituida por las mismas entidades básicas, los átomos. Las radiaciones ionizantes y sus efectos también son procesos atómicos o nucleares. 2.- Partículas portadoras de cada clase de carga eléctrica: a.- Carga positiva: PROTONES b.- Carga negativa: ELECTRONES 3.- ¿Qué es un electrón libre? Electrón, tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres. 4. Un átomo puede carga eléctrica positiva o negativa. Un átomo eléctricamente neutro tiene el mismo número de protones que de electrones. Todo cuerpo material contiene gran número de átomos y su carga global es nula salvo si ha perdido o captado electrones, en cuyo caso posee carga neta positiva o negativa, respectivamente. Sin embargo, un cuerpo, aunque eléctricamente neutro, puede tener cargas eléctricas positivas en ciertas zonas y cargas positivas en otras. En todo proceso, físico o químico, la carga total de un sistema de partículas se conserva. Es lo que se conoce como principio de conservación de la carga. Las cargas eléctricas del mismo tipo interaccionan repeliéndose y las cargas de distinto tipo interaccionan atrayéndose. La magnitud de esta interacción viene dada por la ley de Coulomb. 5. Resistencia al flujo eléctrico 5.a.- Conductor eléctrico, cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. 5.b.- Aislante, cualquier material que conduce mal el calor o la electricidad y que se emplea para suprimir su flujo. 5.c.- Electrolitos: Desde el punto de vista Fisicoquímico los conductores más importantes son los del tipo electrolíticos, es decir los electrolitos; estos se distinguen de los conductores electrónicos, como los metales por el hecho de que el paso de una corriente eléctrica va acompañada por el transporte de materia. Cuando pasa una corriente eléctrica a través de un conductor electrolito, el transporte de materia se manifiesta en las discontinuidades del sistema. Por ej., si en una disolución acuosa diluida en un ácido se sumergen dos alambres, preferentemente de platino, unidos a los 2 polos de una batería voltaica que actúa como fuente de corriente, se desprenden en los alambres burbujas de hidrogeno y oxigeno respectivamente, si la disolución electrolítica contuviera una sal de cobre o plata se liberaría el metal correspondiente en lugar de hidrogeno. Los fenómenos asociados con la electrólisis fueron estudiados por Faraday y la nomenclatura que utilizó y que se emplea todavía fue ideada por Whewell. 5.d.- Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido. 6. Interacciones eléctricas 1. ¿Cómo interactúan dos cuerpos que tenga carga eléctrica de igual signo? Se repelen 2.- ¿Cómo interactúan dos cuerpos que tenga carga eléctrica de signos contrarios? Se atraen 3.- ¿Cómo se manifiesta la interacción entre dos cuerpos eléctricamente cargados? Existe movimiento de electrones. Ley De Coulomb 1.- Ley de Coulomb. Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb Según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas. 2.- Expresión matemática. La ley de Coulomb Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10-9 Nm2/C2. Obsérvese que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal Carga eléctrica - ¿Cómo se define un campo eléctrico? El concepto físico de campo Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático. El campo eléctrico El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. ¿Cómo se define el vector intensidad de campo eléctrico? La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E. ¿Cuál es su expresión matemática? La expresión del módulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fácilmente para el caso sencillo del campo eléctrico creado por una carga puntual Q sin más que combinar la ley de Coulomb con la definición de E. La fuerza que Q ejercería sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genérico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, pero aquélla es precisamente la definición de E y, por tanto, ésta será también su expresión matemática Puesto que se trata de una fuerza electrostática estará aplicada en P, dirigida a lo largo de la recta que une la carga central Q y el punto genérico P, en donde se sitúa la carga unidad, y su sentido será atractivo o repulsivo según Q sea negativa o positiva respectivamente. Si la carga testigo es distinta de la unidad, es posible no obstante determinar el valor de la fuerza por unidad de carga en la forma: Donde F es la fuerza calculada mediante la ley de Coulomb entre la carga central Q y la carga de prueba o testigo q empleada como elemento detector del campo. Es decir: E=KQq/rª /=KQ/rª expresión idéntica a la (9.2). A partir del valor de E debido a Q en un punto P y de la carga q situada en él, es posible determinar la fuerza F en la forma F = q · E (9.4) Expresión que indica que la fuerza entre Q y q es igual a q veces el valor de la intensidad de campo E en el punto P. Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variación con la posición hace más sencillos los cálculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas. La unidad de intensidad de campo E es el cociente entre la unidad de fuerza y la unidad de carga; en el SI equivale, por tanto, al newton (N)/coulomb (C). Formas de cargar eléctricamente un cuerpo A.- Electrización por contacto Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. B.- Electrización por frotamiento Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si frotas una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda . Si frotas un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño a al lápiz. C.- Electrización por inducción Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. En términos de movimiento de electrones, cuando... A.- Un objeto con carga positiva se conecta a tierra: Existe un flujo de electrones de tierra hasta la carga, carga neutra. B.- Una esfera con carga negativa se pone en contacto con una neutra: Existe un flujo de electrones de la carga hacia tierra. C.- Una barra con carga positiva se acerca a una placa metálica neutra y aislada: Se atraen los cuerpos. La carga eléctrica - Ejercicios Explica brevemente las siguientes propiedades de la carga eléctrica: A.- La carga está cuantizada: la carga de un cuerpo cargado siempre es un múltiplo entero de una carga elemental que corresponde a la carga del electrón. Es decir: Donde q = carga eléctrica n = número entero e- = electrón Los electrones pueden desplazarse a través de ciertos cuerpos que reciben el nombre de conductores. B.- La carga se conserva: al electrizar un cuerpo no se está creando carga, sólo se transmite carga (electrones) de un cuerpo a otro. La carga total siempre la permanece constante. 2. ¿Cómo se define la unidad de carga eléctrica en el sistema MKS? En amperios 3. ¿Cuál es la unidad elemental de carga eléctrica? La unidad con la cual se mide la carga eléctrica es el coulomb (C), en honor a Charles Coulomb. Corresponde a la siguiente carga: 1 Coulomb = 6,25x10 18 electrones de donde podemos decir que la carga del electrón es igual a Para cargas más pequeñas se usan los submúltiplos: 1 coulomb = 3x10 9 stat-coulomb (stc) 1 milicoulomb = 1mC = 0,001 C = 1x10 –3 C 1 microcoulomb = 1?C = 0,000001 C = 1x10 – 6 C Investiga los valores y completa la siguiente tabla: PARTICULA CARGA (Coulomb) MASA (Kilogramos) ELECTRÓN 1,602 x 10 –19 9,109 x 10-31 PROTON 1,6019 x 10 -19 1,676 x 10-27 1,675 x 10-27 NEUTRON ALFA Veleriro veleiro1972@cantv.net Problemas de Física, Bachillerato Tema: Campo eléctrico http://perso.wanadoo.es/vicmarmor/efb_campoelec.htm#1_251 Ingresar en link anterior y resolver los ejercicios planteados Potencial Eléctrico El potencial eléctrico en un punto es el Trabajo requerido para mover una carga unitaria (trabajo por unidad de carga) desde ese punto hasta el infinito, donde el potencial es 0. Matemáticamente se expresa por: V=W/q Considérese una carga de prueba positiva en presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la diferencia de potencial eléctrico se define como: VB - VA = W AB / q0 El trabajo WAB puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el campo eléctrico en A. La unidad mks de la diferencia de potencial que se deduce de la ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el voltio, esto es: 1 voltio = 1 Joule/Coulomb. Aplicando esta definición a la teoría de circuitos y desde un punto de vista más intuitivo, se puede decir que el potencial eléctrico en un punto de un circuito representa la energía que posee cada unidad de carga al paso por dicho punto. Así, si dicha unidad de carga recorre un circuito constituyéndose en corriente eléctrica, ésta irá perdiendo su energía (potencial o voltaje) a medida que atraviesa los diferentes componentes del mismo. Obviamente, la energía perdida por cada unidad de carga se manifestará como trabajo realizado en dicho circuito (calentamiento en una resistencia, luz en una lámpara, movimiento en un motor, etc.). Por el contrario, esta energía perdida se recupera al paso por fuentes generadoras de tensión. Es conveniente distinguir entre potencial eléctrico en un punto (energía por unidad de carga situada en ese punto) y corriente eléctrica (número de cargas que atraviesan dicho punto por segundo). Usualmente se escoge el punto A a una gran distancia (en rigor el infinito)de toda carga y el potencial eléctrico VA a esta distancia infinita recibe arbitrariamente el valor cero. Esto permite definir el potencial eléctrico en un punto poniendo V A=0 y eliminando los índices: V=W/q0 Siendo W el trabajo que debe hacer un agente exterior para mover la carga de prueba q0 desde el infinito al punto en cuestión. Obsérvese que la igualdad planteada depende de que se da arbitrariamente el valor cero al potencial V A en la posición de referencia (el infinito) el cual hubiera podido escogerse de cualquier otro valor así como también se hubiera podido seleccionar cualquier otro punto de referencia. También es de hacer notar que según la expresión que define el potencial eléctrico en un punto, el potencial en un punto cercano a una carga positiva aislada es positivo porque debe hacerse trabajo positivo mediante un agente exterior para llevar al punto una carga de prueba (positiva) desde el infinito. Similarmente, el potencial cerca de una carga negativa aislada es negativo porque un agente exterior debe ejercer una fuerza para sostener a la carga de prueba (positiva) cuando la carga positiva viene desde el infinito. Por último, el potencial eléctrico queda definido como un escalar porque W y q 0 son escalares. Tanto W AB como VB - VA son independientes de la trayectoria que se siga al mover la carga de prueba desde el punto A hasta el punto B. Si no fuera así, el punto B no tendría un potencial eléctrico único con respecto al punto A y el concepto de potencial sería de utilidad restringida. La diferencia de potencial es independiente de la trayectoria para dos puntos cualesquiera en cualquier campo eléctrico. Se desprende de ello el carácter conservativo de la interacción electrostática el cual está asociado a la naturaleza central de las fuerzas electrostáticas. PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS MATERIALES • CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. • SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos. • AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros. CONDUCTIVIDAD La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio o espacio físico de permitir el paso de la corriente eléctrica a su través. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. CONDUCTIMETRIA DE LOS MATERIALES ENLACE IONICO. Consiste en la atracción electrostática entre átomos con cargas eléctricas de signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre átomos de elementos poco electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Cuando una molécula de una sustancia contiene átomos de metales y no metales, los electrones son atraídos con más fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa; los metales, a su vez, se convierten en iones con carga positiva. Entonces, los iones de diferente signo se atraen electrostáticamente, formando enlaces iónicos. ENLACE COVALENTE. La combinación de no metales entre sí no puede tener lugar mediante este proceso de transferencia de electrones, en estos casos, el enlace consiste en una compartición de electrones; el enlace covalente es la formación de pares electrónicos compartidos, independientemente de su número. El par compartido es aportado por sólo uno de los átomos formándose entonces un enlace que se llama coordinado o dativo. Si los átomos son no metales pero distintos (como en el óxido nítrico, NO), los electrones son compartidos en forma desigual y el enlace se llama covalente polar porque la molécula tiene un polo eléctrico positivo y otro negativo, y covalente porque los átomos comparten los electrones, aunque sea en forma desigual. Estas sustancias no conducen la electricidad, ni tienen brillo, ductilidad o maleabilidad. Punto de Fusión. Sellar otro tubo capilar por uno de los extremos (esto es calentándolo), introducir neftaleina al tubo capilar, esto es usando el tubo de vidrio y dejándolo caer para que la neftaleina se vaya hasta el fondo. Después amarrarlo al termómetro y sumergirlo en el agua caliente. Cuando la neftaleina se vuelve liquido, es en ese momento es el punto de fusión del agua. Naftaleno 80 su punto de fusión Conductibilidad Ningún solvente puro conduce la corriente eléctrica. Y ningún soluto puro conduce la corriente eléctrica, a menos que este en estado líquido. Pero una solución puede conducir la corriente. Para que esto suceda, la solución debe estar formada por un soluto electrolito (es decir, compuestos formado por enlaces iónicos no orgánicos) y por un solvente polar como el agua, lo cual forma una solución electrolita. Las soluciones de Na Cl? (sal común) o Cu SO 4? (sulfato cúprico) en agua conducen la electricidad a toda su intensidad. Pero, el acido acético o vinagre común (CH3−COOH) al disolverse en agua produce iones los cuales pueden conducir la electricidad, pero solo levemente. Las sustancias iónicas conducen la electricidad cuando están en estado líquido o en disoluciones acuosas, pero no en estado cristalino, porque los iones individuales son demasiado grandes para moverse libremente a través del cristal. Enlace Covalente Es la Unión que es forma entre dos o más átomos que comparten electrones. Estas sustancias no conducen la electricidad, ni tienen brillo, ductilidad o maleabilidad Conductividad del enlace covalente La falta de conductividad en estas sustancias se puede explicar porque los electrones de enlace están fuertemente localizados atraídos por los dos núcleos de los átomos enlazados. La misma explicación se puede dar para las disoluciones de estas sustancias en disolventes del tipo del benceno, donde se encuentran las moléculas individuales sin carga neta moviéndose en la disolución. Dada la elevada energía necesaria para romper un enlace covalente, es de esperar un elevado punto de fusión cuando los átomos unidos extiendan sus enlaces en las tres direcciones del espacio como sucede en el diamante; no obstante, cuando el número de enlaces es limitado como sucede en la mayor parte de las sustancias (oxígeno, hidrógeno, amoníaco, etc.) con enlaces covalentes, al quedar saturados los átomos enlazados en la molécula, la interacción entre moléculas que se tratará más adelante, será débil, lo que justifica que con frecuencia estas sustancias se encuentren en estado gaseoso a temperatura y presión ordinarias y que sus puntos de fusión y ebullición sean bajos. CONDUCTIVIDAD ELECTRICA Se dispone de un vaso de precipitado muy limpio, a el cuál se le insertan 100 ml de agua destilada y luego se le introducen los electrodos para comprobar su conductividad y al observar se obtiene como resultado que el agua destilada no posee conductividad eléctrica. En otro vaso de precipitado con el mismo contenido de agua se le agrega un poco de cloruro de sodio, se agita hasta producir una disolución completa, luego se observa su conductividad, notándose que conduce electricidad en toda su intensidad. Nuevamente en un vaso de precipitado se vierten 50 ml de solvente orgánico, se sumergen los electrodos y se observa si sucede algo y se obtiene que Se colocan 100 ml de agua destilada y luego se le adiciona un poco de naftaleno, se agita y se observa si conduce corriente eléctrica. Por ultimo se agregan 50 ml de solvente orgánico y se añade un poco de naftaleno, se revuelve hasta completar una disolución completa observando si conduce o no corriente eléctrica Para obtener una definición fundamentada cabe señalar dos definiciones importantes para este tipo de experiencia: Conductividad del enlace covalente La falta de conductividad en estas sustancias se puede explicar porque los electrones de enlace están fuertemente localizados atraídos por los dos núcleos de los átomos enlazados. La misma explicación se puede dar para las disoluciones de estas sustancias en disolventes del tipo del benceno, donde se encuentran las moléculas individuales sin carga neta moviéndose en la disolución. Dada la elevada energía necesaria para romper un enlace covalente, es de esperar un elevado punto de fusión cuando los átomos unidos extiendan sus enlaces en las tres direcciones del espacio como sucede en el diamante; no obstante, cuando el número de enlaces es limitado como sucede en la mayor parte de las sustancias (oxígeno, hidrógeno, amoníaco, etc.) con enlaces covalentes, al quedar saturados los átomos enlazados en la molécula, la interacción entre moléculas que se tratará más adelante, será débil, lo que justifica que con frecuencia estas sustancias se encuentren en estado gaseoso a temperatura y presión ordinarias y que sus puntos de fusión y ebullición sean bajos. Enlace iónico Consiste en la atracción electrostática entre átomos con cargas eléctricas de signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre átomos de elementos poco electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Cuando una molécula de una sustancia contiene átomos de metales y no metales, los electrones son atraídos con más fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa; los metales, a su vez, se convierten en iones con carga positiva. Entonces, los iones de diferente signo se atraen electrostáticamente, formando enlaces iónicos. Las sustancias iónicas conducen la electricidad cuando están en estado líquido o en disoluciones acuosas, pero no en estado cristalino, porque los iones individuales son demasiado grandes para moverse libremente a través del cristal. Luego de observar los cambios se obtiene que las sustancias o mezclas que fueron portadoras de corriente eléctrica, y por ende lograron que la ampolleta se prendiese tiene enlace iónico y por otro lado las sustancias que no lograron tener conductividad eléctrica son aquellas que poseen enlace covalente en base a estos resultados se puede concluir que las propiedades físicas y específicamente la de conductividad logran identificar el tipo de enlace que existe en la sustancia de una forma rápida y simple. CONDUCCIÓN EN POLÍMEROS Los polímeros tienen una estructura de banda con una gran brecha de energía, lo cual indica que su conductividad eléctrica es bien baja. Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tupos de materiales toman parte en enlaces covalentes. Los polímeros por ello se utilizan en aplicaciones en los cuales se requieren aislamiento eléctrico para evitar cortocircuitos y descargas. Los polímeros en pocas palabras consisten en un buen material dieléctrico. No obstante debido a la baja conductividad, en muchos casos suelen acumular electricidad estática y crean campos electroestáticos que producen daños a los materiales que aíslan debido a las pequeñas descargas contrarias que llegan a causar. CONDUCTIVIDAD EN LOS CERÁMICOS: PROPIEDADES DIELÉCTRICAS La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pérdida progresiva de di electricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas. TEORIA DE CERÁMICOS SUPERCONDUCTIVIDAD: MATERIALES METÁLICOS Y Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. MATERIALES METÁLICOS SUPERCONDUCTORES En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por debajo de una temperatura crítica que es específica para cada material. Ciertos metales; especialmente aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor. Estos materiales superconductores reciben el nombre de superconductores Tipo I. En cambio, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético. Estos superconductores se denominan superconductores Tipo II. MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el superconductor Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7?, en el cual los metales presentes son el Itrio, Bario y Cobre. Las perovskitas como material cerámico, comparten muchas propiedades con otros cerámicos POLARIZACIÓN Y PIEZOELECTRICIDAD: METALES SEMICONDUCTORES Y CERÁMICOS Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización: • Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal. • Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material. • Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo. PIEZOELECTRICIDAD PROPIEDAD ELÉCTRICA DE LOS CERÁMICOS Los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas. PROPIEDADES MAGNETICAS Ferromagnetismo El ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo. Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía. Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios se alinean con éste, dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo. Paramagnetismo El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferromagnetismo. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva (y pequeña). En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie. Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está favorecido energéticamente. Diamagnetismo El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos tanto el polo norte como el sur. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en Septiembre de 1845 por Michael Faraday. Generalmente, el diamagnetismo se justifica por la circulación de los electrones en los orbitales doblemente ocupados. Como en un cable de un material conductor, la circulación de los electrones se produce en el sentido en el que el campo magnético que generan se opone al campo aplicado, generando una repulsión (efecto Hall). Por este mismo mecanismo, los superconductores presentan un diamagnetismo extraordinariamente alto. Materiales diamagnéticos son por ejemplo: bismuto, grafito, plata, agua. Susceptibilidad magnética La susceptibilidad magnética es el grado de magnetización de un material, en respuesta a un campo magnético En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material. PERMEABILIDAD MAGNÉTICA En física se denomina sustancia o medio para magnéticos, la cual está magnético existente y la dicho material. permeabilidad magnética a la capacidad de una atraer y hacer pasar a través suyo los campos dada por la relación entre la intensidad de campo inducción magnética que aparece en el interior de Este articulo esta tomado de la continuación: dirección electrónica que aparece a http://www.mitecnologico.com/Main/PropiedadesElectricasYMagneticas EVALUACION Dentro de la guía se encontraran ejercicios y problemas que el estudiante resolverá y presentara en un portafolio para ser revisados por el tutor, se hará una socialización y corrección de algunos problemas propuestos al azar, se tendrá en cuenta una autoevaluación que cada estudiante hará, una cooevaluación que le harán los estudiantes del grupo y una hetero-evaluación que será realizada por el tutor teniendo en cuenta los aspectos cognitivos, actitudinales y comporta-mentales del estudiante, al igual que las competencias interpretativa, argumentativa y proposicional. POLITICAS El estudiante debe consultar y realizar las consultas y lecturas recomendadas, sintetizar los conceptos en un portafolio, resolver los ejercicios y problemas propuestos en la guía, asistir puntualmente a las sesiones presenciales y a los cipas programados en los acuerdos del 13 de febrero, participar activamente de las actividades de socialización y trabajo colaborativo. Rol del Tutor: El propósito fundamental del tutor es el de dar un servicio a los estudiantes, facilitando su proceso de aprendizaje y el logro de sus competencias. La supervisión que hagan los tutores se enfocará tanto a los procesos, como a los productos de aprendizaje que evidencien desarrollo de habilidades que conlleven a alcanzar la competencia, para ello el tutor asume entre otros los compromisos de: Atender directamente a los estudiantes a él asignados utilizando diversos medios: encuentro tutorial, teléfono, celular, fax, e-mail, sistemas de mensajería y/o cualquier otro medio acordado previamente con el estudiante, de manera que pueda ayudarle a aclarar sus dudas a partir del uso de diversas estrategias didácticas. Asistir al lugar de tutoría asignado, en la hora y el día indicados previamente para tal fin: Respetar el calendario académico y cada una de las actividades propuestas en el Guiar, facilitar, asesorar y orientar al estudiante en su proceso de aprendizaje Suscitar la reflexión e indagar a los estudiantes sobre su proceso de aprendizaje Evaluar las actividades teniendo en cuenta los criterios de evaluación socializados al estudiante al plantearse la actividad. Retroalimentar las actividades y sus evidencias de competencia en las fechas acordadas con el tutor. Las dudas académicas serán atendidas por teléfono, fax, e-mail y medios como foros en aulas virtuales. Rol del estudiante Asumamos que los estudiantes son participantes, honestos y comprometidos que. Como tales, son los principales responsables de iniciar, dirigir y sostener sus propios procesos de aprendizaje. Cada estudiante se compromete a propiciar las condiciones que estén a su alcance para maximizar las oportunidades de aprendizaje de acuerdo a su contexto y posibilidades. De igual forma se asume que nuestros estudiantes no incurrirán en actos deshonestos y de plagio intelectual de ideas en las diversas formas de interacción, actividades terminales e intermedias. Se espera que los estudiantes participen activamente en cada una de las actividades descritas en la guía de estudio, para ello es necesario tener en cuenta que: El estudiante es el protagonista del proceso de aprendizaje, que lo lleva a ser mas activo y propositivo, por consiguiente a desarrollar el auto – estudio Debe estar preparado para participar activamente de las actividades de aprendizaje, habiendo leído los contenidos de su texto de estudio y materiales adicionales relacionados en la guía de estudio. Debe realizar las actividades planteadas en la guía de estudio, entregando las evidencias de manera acorde a los planteado en los criterios de evaluación, dentro de los tiempos establecidos en le calendario y bajo las instrucciones descritas en cada actividad. En las evidencias escritas, deberá saber citar las fuentes, es decir usar debidamente la bibliografía a fin de evitar el plagio Bibliografía Título: FÍSICA PARA LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA. VOL. 2 (1ª) Autor/es: Tipler, P. A.; Editorial: REVERTÉ McGraw-Hill, México, 2005. (Cualquier otra edición es perfectamente válida) Atención: las cuestiones, ejercicios y problemas planteados al final de cada capítulo no tienen solución dada. W.E. GETTYS , F.J. KELLER y M.J. SKOVE, Física clásica y moderna (Tomo I y II). Editorial McGraw-Hill, México.