Calorimetría. Electrostática. Electromagnetismo

Resumen
Calorimetría, ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El
calorímetro es el instrumento que mide dicha energía.[2]
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]
Uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las
fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones,
lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo.[2]
Introducción
El calor es parte de nuestra vida diaria, partiendo desde la temperatura de nuestro cuerpo, hasta los
fenómenos de la naturaleza que suceden día a día. Por ello el estudiar sus reacciones, medición y estudio nos
parecen muy importantes.
En el siguiente trabajo explicaremos y daremos a conocer algunos conceptos relacionados con el calor.
Una fuerza magnética se puede originar por la presencia de cargas eléctricas en movimiento, y una fuerza
eléctrica se puede generara causa de un campo magnético en movimiento. El funcionamiento de motores
eléctricos, generadores, transformadores, interruptores, televisores, receptores de radio y la mayoría de los
medidores eléctricos dependen de la relación entre fuerzas eléctricas y magnéticas.
Calorimetría Calor y Temperatura
El Calor se define como la transferencia de energía térmica debido a una diferencia de temperatura. [1]
La energía térmica representa la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías moleculares
potencial y cinética. [1]
Cuando dos objetos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, se transfiere energia de uno a otro.
Por ejemplo suponga que se dejan caer carbones calientes de un recipiente con agua. La energia térmica se
transferirá de los carbones al agua hasta que el sistema alcance una condición estable llamada Equilibrio
Térmico. Si los tocamos tanto el carbón como el agua nos producen sensaciones similares y ya no hay mas
transferencia de energia térmica. [1]
Tales cambios en los estados de energia térmica no pueden explicarse satisfactoriamente tan solo en términos
de mecánica clásica. Por lo tanto, todos los objetos deben tener una nueva propiedad fundamental que
determina si estará en equilibrio térmico con otros objetos. Esta propiedad se llama Temperatura. En
nuestro ejemplo, se dice que los carbones y el agua tienen la misma temperatura cuando la transferencia de
energia entre ellos es igual a cero. [1]
1
Escalas
Las primeras escalas de temperatura se basaron en la selección de puntos fijos superiores e inferiores
correspondientes a temperaturas adecuadas para medidas de laboratorio. Dos temperaturas convenientes y
fácilmente reproducibles se eligen como el punto fijo inferior y superior.
El Punto Fijo Inferior (Punto de Congelación) es la temperatura a la cual el agua y el hielo coexisten en
equilibrio térmico bajo una presión de 1 atm.
El Punto Fijo Superior (Punto de Ebullición) es la temperatura a la cual el agua y el vapor coexisten en
equilibrio térmico bajo una presión de 1 atm.
Una forma de medir la temperatura, que se usa muy a menudo en el trabajo científico, se origino a partir de
una escala desarrollada por el astrónomo sueco Anders Celsius (1701−1744). En la Escala Celsius se asigno
en forma arbitraria el numero 0 al punto de congelación y el numero 100 al punto de ebullición . Así pues, a
la presión atmosférica, hay 100 divisiones entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua.
Cada división o unidad de la escala recibe el nombre de grado (o); por ejemplo se considera que la
temperatura ambiente es de 20oC, lo cual se lee como veinte grados Celsius.
Otra escala para medir la temperatura fue desarrollada en 1714 por Gabriel Daniel Fahrenheit. El
desarrollo de esta escala se baso en la elección de ciertos puntos fijos. Fahrenheit escogió la temperatura de
congelación de una solución de agua salada como su punto fijo inferior y le asigno el numero y unidad de
0oF. Para el punto fijo superior eligió la temperatura del cuerpo humano. Por alguna razón inexplicable, el
designo el numero y una unidad de 96oF para la temperatura del cuerpo. El hecho de que la temperatura del
cuerpo humano sea en realidad de 98.6oF indica que se cometió un error experimental al establecer la
escala. Si relacionamos la escala Fahrenheit con los puntos fijos que fueron aceptados universalmente para
la escala Celcius, observamos que 0 y 100oC corresponden a 32 y 212oF, respectivamente. [1]
°C °F
100 212
100° C. Tc Tf 180 grados Fahrenheit
• 32
100 = 5 = Tc 5 = Tc
100 9 Tf− 32 9 Tf − 32
Esta expresión presente transformar los °C a °F y viceversa.
Figura : 1
En ciencia, la escala más empleada es la Escala Absoluta O Kelvin, inventada por el matemático y físico
británico William Thomson , lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en −273,15oC,
corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala
centígrada . [2]
Volumen
T °C
2
−273 0 t °c
0°K
• T °K= tc + 273
0 absoluto
Figura : 2Unidades de calor
En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es
decir, en julios. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la
temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a
veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a
1.000 calorías y se emplea en nutrición. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del
rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico
del calor. A una caloría le corresponden 4,1855 julios. Según la ley de conservación de la energía, todo el
trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos
sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un
experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que
el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.
Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de
conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de
calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta. [4]
Dilatación Lineal y Volumétrica
Es el aumento de tamaño de los materiales, a menudo por efecto del aumento de temperatura. Los diferentes
materiales aumentan más o menos de tamaño, y los sólidos, líquidos y gases se comportan de modo distinto.
[2]
Para un sólido en forma de barra, el coeficiente de Dilatación Lineal (cambio porcentual de longitud para
un determinado aumento de la temperatura) puede encontrarse en las correspondientes tablas. Por ejemplo,
el coeficiente de dilatación lineal del acero es de 12 × 10−6 K−1. Esto significa que una barra de acero se
dilata en 12 millonésimas partes por cada kelvin (1 kelvin, o 1 K, es igual a 1 grado Celsius, o 1 ºC). Si se
calienta un grado una barra de acero de 1 m, se dilatará 0,012 mm. Esto puede parecer muy poco, pero el
efecto es proporcional, con lo que una viga de acero de 10 m calentada 20 grados se dilata 2,4 mm, una
cantidad que debe tenerse en cuenta en ingeniería. También se puede hablar de coeficiente de dilatación
superficial de un sólido, cuando dos de sus dimensiones son mucho mayores que la tercera, y de coeficiente
de dilatación cúbica, cuando no hay una dimensión que predomine sobre las demás. [2]
Para los líquidos, el coeficiente de Dilatación Cúbica (cambio porcentual de volumen para un determinado
aumento de la temperatura) también puede encontrarse en tablas y se pueden hacer cálculos similares. Los
termómetros comunes utilizan la dilatación de un líquido por ejemplo, mercurio o alcohol en un tubo muy
fino (capilar) calibrado para medir el cambio de temperatura. [2]
La dilatación térmica de los gases es muy grande en comparación con la de sólidos y líquidos, y sigue la
llamada ley de Charles y Gay−Lussac. Esta ley afirma que, a presión constante, el volumen de un gas ideal
(un ente teórico que se aproxima al comportamiento de los gases reales) es proporcional a su temperatura
absoluta. Otra forma de expresarla es que por cada aumento de temperatura de 1 ºC, el volumen de un gas
aumenta en una cantidad aproximadamente igual a 1/273 de su volumen a 0 ºC. Por tanto, si se calienta de
3
0 ºC a 273 ºC, duplicaría su volumen. [2]
Cambio de Estado Calor Latente
Cuando una sustancia absorbe cierta cantidad de ordinario la velocidad de sus moléculas aumenta y su
temperatura se eleva . Dependiendo del calor especifico de la sustancia, la elevación de temperaturas es
directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e inversamente proporcional a la masa de la
sustancia. Sin embargo, cuando un sólido se funde o cuando un liquido hierve ocurre algo curioso. En estos
casos, la temperatura permanece constante hasta que todo solido se funde o hasta que todo el liquido hierve.
[1]
Figura : 3
En las condiciones apropiadas de presión y temperatura, todas las sustancias pueden existir en tres fases;
sólida, liquida o gaseosa. En la fase sólida las moléculas se mantienen unidas en una estructura cristalina
rígida, de tal modo que la sustancia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor,
las energías de las partículas del sólido aumentan gradualmente y su temperatura se eleva.. Al cabo del
tiempo, la energía cinética se vuelve tan grande que algunas de la partículas rebasan las fuerzas elásticas
que las mantienen en posiciones fijas. La mayor separación entre ellas les da la libertad de movimiento que
asociamos con la fase liquida. En este punto, la energía absorbida por la sustancia se usa para separar mas
las moléculas que en la fase sólida. La temperatura no aumenta durante tal cambio de estado. El cambio de
estado sólido a liquido se llama fusión, y la temperatura a la cual se produce ese cambio se conoce como
punto de fusión. La cantidad de calor requerido para fundir una unidad de masa de una sustancia en su punto
de fusión se llama calor latente de fusión para esa sustancia. [1]
Figura : 4
El calor latente de fusión Lf de una sustancia es el calor por unidad de área necesario para cambiar la
sustancia de la fase sólida o a la liquida a su temperatura de fusión. [1]
Q = mLf
El calor latente de vaporización LV de una sustancia es el calor por unidad de masa necesario para cambiar
la sustancia de liquida a vapor a su temperatura de ebullición. [1]
Q = mLv
Transferencia de Calor
Transferencia de Calor en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere
mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar
simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el
calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una
cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe
calor del Sol casi exclusivamente por radiación. [2]
Conducción En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un
extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo
más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en
los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía
cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos
4
también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Barón Joseph Fourier
dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor.
Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección
transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). [2]
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro,
la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que
materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores;
conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la
velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura
conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía
con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores
(computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para
cuerpos de geometría complicada. [2]
Convección La segunda forma básica que se estudiara es la transferencia de calor por convección la cual
la cual involucra el intercambio de energía entre un fluido y una superficie o interfase. Hay dos clases de
procesos covectivos, que son la convección forzada en que se forza el movimiento de un fluido por una
superficie debido al efecto de un agente externo tal como un ventilador o bomba y la convección natural o
libre e que los cambios de densidad en el fluido a consecuencia del intercambio de energía que provoca un
movimiento natural en el fluido. [3]
En 1701 Sir Isaac Newton expresó por primera vez la ecuación básica de la relación para la transferencia
convectiva del calor, Esta expresión muy sencilla, conocida como la ecuación de la razón o de la ley de
enfriamiento de Newton es :
q=hA(Tsuperf−Tfluido)
en donde q es la relación de la transferencia convectiva del calor en Btu/hr, A es el área normal de la
dirección del flujo de calor en ft2, Tsuperf−Tfluido es la fuerza motriz de la temperatura en oF y h es el
coeficiente convectivo de transferencia de calor en Btu/hr−ft2−oF [3]
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo
al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse,
su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja
hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por
conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo
cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de
aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior que
está más frío desciende, mientras que al aire cercano al panel interior más caliente asciende, lo que produce
un movimiento de circulación. [2]
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las
corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto
de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar,
los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para
que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del
agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección
también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los
vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol
hasta su superficie. [2]
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Radiación La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las
sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un
vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con
ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas,
pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En
1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto
fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La
naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y
en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica
estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada
distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de
onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un
máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a
la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor. [2]
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del
cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de
tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es
proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina
constante de Stefan−Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en
1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura.
Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior
al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir
radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía
radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una
cantidad de calor mayor de la que emite. [2]
Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates
y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más
energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también
son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los
utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión
mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela. [2]
Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de
radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una
sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite
grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los
rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud
de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La
ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión
matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía,
multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros−Kelvin.
Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento
de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a
través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del
invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se
transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero
sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia
de calor neta hacia su interior. Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen
las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase,
como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen
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diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la
atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma
controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula.
[2]
La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y
no en aumentar la temperatura de la cápsula. [2]
Electrostática
Estructura Atómica y Electrificación
Un peine de plástico duro o una barra de plástico, después de haber sido frotados con una prenda de lana,
adquiere la curiosa capacidad de atraer otros objetos. En algunas ocasiones se siente una sacudida molesta
cuando se toca la manija de la puerta de un automóvil después de que se desliza uno del asiento. Un montón
de hojas de papel ofrecen resistencia cuando se intenta separarlas. Todos estos fenómenos son ejemplos de
electrificación y ocurren con frecuencia como resultado del frotamiento de objetos entre sí. Hace ya mucho
tiempo que este proceso se conoce como cargar, y se decía que el objeto electrificado se había cargado.[1]
Existe una fuerza de repulsión entre dos sustancias que están electrificadas de la misma manera.[1]
Primera ley de la electrostática Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se
atraen.[1]
El electrón ¿Qué ocurre en realidad durante el proceso de frotamiento con el cual se produce el fenómeno de
la electrificación? Benjamin Franklin pensó que todos los cuerpos contenían una determinada de cantidad de
fluido eléctrico que servia para mantenerlos en un estado sin carga (neutro). Él postuló que cuando dos
sustancias diferentes se frotaban entre sí, una de ellas acumulaba exceso de fluido y quedaba cargada
negativamente. Ahora se sabe que esa sustancia transferida no es un fluido sino pequeñas cantidades de
electricidad negativa llamada electrones.[1]
La teoría atómica moderna sobre la materia sostiene que todas las sustancias están formadas por átomos y
molécula. Cada átomo tiene una parte central cargada positivamente llamada núcleo y que esta rodeada por
una nube de electrones cargados negativamente. El núcleo consta de cierto numero de protones, cada uno de
ellos son solo una unidad de carga positiva, y (excepto para el hidrogeno) uno o mas neutrones. Como lo
sugiere su nombre, un neutrón es una partícula eléctricamente neutra. Normalmente, un átomo de materia se
encuentra en un estado neutro o sin carga debido a que contiene el mismo numero de protones en su núcleo
que de electrones alrededor de este.[1]
Un objeto que tiene un exceso de electrones esta cargado negativamente, y un objeto que tiene una
deficiencia de electrones esta cargado positivamente. [1]
Ley de Coulomb
La primera investigación teórica acerca de las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados fue realizada por
Charles Augustin de Coulomb en 1784, El llevo a cabo sus investigaciones con una balanza de torsión para
medir la variación de la fuerza con respecto a la separación y la cantidad de carga. La separación entre dos
objetos cargados se define como la distancia en línea recta entre sus respectivos centros. La cantidad de
carga se puede considerar como el numero de electrones o de protones que hay en exceso en un cuerpo
determinado. [1]
Coulomb encontró que la fuerza de atracción o de repulsión entre dos objetos cargados es inversamente
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proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. En otras palabras, si la distancia entre dos objetos
cargados se reduce a la mitad, la fuerza de atracción o de repulsión entre ellos se cuadruplicará. [1]
El concepto de cantidad de carga no se comprendía con claridad en la época de Coulomb. No se había
establecido aun la unidad de carga y no había forma de medirla, pero en sus experimentos se demostraba
claramente que la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados es directamente proporcional al producto de la
cantidad de carga de cada objeto. Actualmente, estas conclusiones se enuncian en la ley de Coulomb:
La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto
de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.[1]
Ley de Coulomb: La fuerza entre cargas puntuales en reposo q1 y q2 viene dada por:
F1,2 =
1
4ðð0
q1q2(r2−r1)
ðr2−r1ð3
= −F2,1
donde F1,2 es la fuerza que sobre q2 ejerce q1, ri es la posición de la carga qi y ð0 una constante que en el
sistema internacional (S.I.) de unidades (Newton, Metro, Segundo, Coulombio...) vale ð0 = 8.8542×10−12
C2/(Nw·m2). [4]
◊ La fuerza de Coulomb es una fuerza Newtoniana:
⋅ Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
⋅ Dirigida según el radiovector que une las cargas (fuerza central)
⋅ Cumple la ley de acción y reacción: F1,2 = −F2,1
⋅ La interacción entre las cargas es instantánea (fuerza de ``acción a
distancia").
◊ La fuerza de Coulomb es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria. [4]
En unidades del SI, el sistema practico para el estudio de la electricidad, la unidad de carga se expresa en
Coulombs. En este caso, la cantidad de carga no se define por medio de la ley de Coulomb, sino que se
relaciona con el flujo de una carga a través de un conductor. Posteriormente veremos que esta velocidad de
flujo se mide en Amperes. Una definición formal del Coulomb es la siguiente :
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.[1]
1C = 6.25 x 1018 electrones
Campo Eléctrico
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Tanto el campo eléctrico como la fuerza gravitacional son ejemplos de fuerzas de acción a distancia y resulta
extremadamente difíciles de visualizar. Para poder resolver este hecho, los físicos de la antigüedad
postularon la existencia de un material invisible, la cual llamaron éter, que según se suponía llenaba todo el
espacio. La fuerza de atracción gravitacional podía entonces deberse a esfuerzos en el éter causadas por la
presencia de diversas masas. Actualmente, algunos experimentos de óptica han demostrado que la teoría del
éter es insostenible, y esto nos ha obligado a considerar si el espacio en si mismo tiene propiedades de interés
para el físico.[1]
Se puede afirmar que la sola presencia de una masa altera el espacio que la rodea y de ese modo produce
una fuerza gravitacional sobre otra masa cercana. Esta alteración en el espacio se describe mediante la
introducción del concepto de un campo gravitacional que rodea a todas las masas. Se puede decir que ese
tipo de campo existe en cualquier región del espacio, donde una masa de prueba experimentara una fuerza
gravitacional. La intensidad del campo en cualquier punto seria proporcional a la fuerza que experimenta
una masa dada en ese punto. Por ejemplo, en cada punto en la vecindad de la tierra, el campo gravitacional
podrían representarse cuantitativamente con
mg = F
donde g = aceleración debida a la fuerza de gravedad
F = fuerza gravitacional
m = masa de prueba [1]
Se dice que existe un campo eléctrico en una región del espacio en la que una carga eléctrica experimenta
una fuerza eléctrica. [1]
Esta definición proporciona una prueba de la existencia de un campo eléctrico. Tan solo basta con situar una
carga en el punto en cuestión. Si se observa una fuerza eléctrica, existe un campo eléctrico en ese punto.[1]
Del mismo modo que la unidad de masa constituye una definición cuantitativa de un campo gravitacional, la
intensidad de un campo eléctrico se puede representar mediante el concepto de fuerza por unidad de carga.
La intensidad del campo eléctrico en un punto se suele definir en términos de la fuerza que experimenta una
carga positiva pequeña cuando esta colocada precisamente en ese punto. La magnitud de la intensidad del
campo eléctrico esta dada por :
Eq = F
En el sistema métrico, una unidad de intensidad de campo eléctrico es el Newton por el Coulomb. La utilidad
de eta definición radica en el hecho de que, si se conoce el campo en un punto dado, podemos predecir la
fuerza que actuara sobre cualquier carga situada en ese punto.[1]
Potencial Eléctrico
Se llama potencial Ua, en un punto a de un campo eléctrico al trabajo realizado sobre la unidad de carga
eléctrica positiva para desplazarla desde el infinito hasta dicho punto, siendo su expresión matemática:
Ua = K. Q/ra = (9 x 109 / ER) . ( Q/ra)
Donde Q es la carga que crea el campo electruco y ra es la distancia desde la carga Q hasta el punto A. [4]
La unidad de potencial eléctrico según el SI es el voltio (V) y se define como el potencial existente en un
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punto de un campo eléctrico donde una carga de un columbio toma energía potencial eléctrica de un julio. Lo
que quiere decir que para trasladar la carga de 1 coulombio desde el infinito hasta el punto se ha necesitado
el trabajo de 1 julio. [4]
A diferencia de la intensidad de campo que es una magnitud vectorial, es decir, tiene dirección y sentido, el
potencial es una magnitud escalar, que solo tiene modulo. [4]
Se llama diferencial de potencial entre dos puntos A y B de un campo eléctrico al trabajo necesario para
llevar a la unidad de carga eléctrica positiva desde A hasta B:
Ub − Ua = K .Q (1/rb − 1/ra) = (9 x 109 / ER) . Q . (1/rb − 1/ra)
La diferencial de potencial entre dos puntos es la diferencia de sus potenciales respectivos. El potencial en un
punto puede considerarse como la diferencia de potencial entre dicho punto y otro a distancia infinita donde
el potencial se supone de manera arbitraria es cero. [4]
En la práctica se utiliza el término tensión eléctrica o simplemente voltaje, para referirse a la diferencia de
potencial. Por ejemplo la diferencia de potencial entre los polos de una pila son de 1.5V. [4]
Capacitancia
Se define capacidad C de un condensador como la relación entre la magnitud de la carga Q de uno
cualquiera de los conductores y la diferencia de potencial Vab entre ellos.
La capacitancia es la propiedad de un circuito eléctrico, o elemento del circuito, para retardar un cambio en
el voltaje que pasa a través de él. El retardo es causado por la absorción o liberación de energía y está
asociado con un cambio de la carga eléctrica.
En la mayoría de los casos, los conductores suelen tener cargas de igual magnitud y signo opuestos, de modo
que la carga neta del condensador es nula. Entonces el campo eléctrico en la región comprendida entre los
conductores es proporcional a la magnitud de esta carga y por tanto la diferencia de potencial Vab entre los
conductores es también proporcional a la magnitud de carga Q. [4]
De esta definición se deduce que la mitad de capacidad es el coulomb por volt (1C/V). Una capacidad de un
coulomb por volt se denomina farad (1F) en honor de Michael Faraday. Como el farad es una unidad de
capacidad grande se utilizan unidades de tamaño más adecuado, como el microfarad (1F= 10^−6 F) o el
picofarad (1pF=10^−12F).
Cuando se dice que un condensador tiene una carga Q, significa que la carga del conductor de mayor
potencial es Q y la de menor potencial es −Q. [4]
El Condensador
Dos Conductores cualesquiera separados por un aislador se dice que forman un condensador. El parámetro
de circuito de la capacidad se representa con la letra C y se mide en Faradios. [4]
Un Condensador se representa por el símbolo:
De la ecuación de capacidad anterior surgen dos observaciones importantes.
Primero, el voltaje no puede cambiar de forma instantánea en las terminales del condensador. Dicha
ecuación indica que este cambio produciría una corriente infinita, lo que físicamente es imposible.
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Segundo, si el voltaje en las terminales es constante, la corriente en el condensador es cero. Esto se debe a
que no se puede establecer una corriente de conducción en el material dieléctrico del condensador. La
corriente de desplazamiento solo se puede producir con un voltaje que varíe con el tiempo. Por lo tanto un
condensador se comporta como un circuito abierto si el voltaje es constante
Los condensadores tienen muchas aplicaciones en circuitos eléctricos. Se utilizan para sintonizar los
circuitos de radio, para suavizar la corriente rectificada suministrada por una fuente, para eliminar la chispa
que se produce cuando se abre repentinamente un circuito con inductancia. El sistema de encendido de los
motores de un coche tiene un condensador para eliminar chispazos al abrirse y cerrarse los platinos. [4]
Acción de carga
Si dos conductores separados por un material aislante, como el aire, el papel, el caucho, el plástico o el
vidrio, se conectan a un generador de CC o a una batería, los electrones libres en el material conductor se
orienta en la dirección de la tensión de excitación.
La batería que actúa como una bomba de electrones transfiere algunos de estos electrones libres del
conductor A al conductor B. La transferencia de electrones hace que el conductor B sea cada vez más
negativo y el conductor A cada vez más positivo. Así se crea una diferencia de potencial entre los
conductores.
Del material que pierde electrones se dice que está cargado positivamente y del que gana electrones se dice
que está cargado negativamente.
Si el proceso de carga continua, con el tiempo el conductor B llegará a estar lo suficientemente cargado
negativamente como para evitar transferencia adicional de electrones. Cuando esto ocurre, el voltaje medido
del conductor A al conductor B es igual y opuesto a la tensión de excitación. [4]
La rapidez del movimiento de los electrones está limitada por la resistencia de los materiales conductores.
Por lo tanto, el proceso de carga requerirá de más tiempo si se utilizan materiales de resistencias más altas.
[4]
Energía almacenada en un condensador
El proceso de transferencia de carga eléctrica de una placa del condensador a la otra, produce una
acumulación de energía. Esta energía en forma de cargas eléctricas desplazadas, permanece almacenada por
algún tiempo después de que se desconecta la tensión de excitación. La cantidad de energía almacenada en el
condensador depende de la capacitancia y del voltaje a través de él, elevado al cuadrado. Por consiguiente:
En donde Wc = Energía acumulada en el condensador, joules (J)
C = Capacitancia, farads (F)
Vc = Voltaje medido entre placas de polaridad opuesta, volt (V)
La energía almacenada en el condensador no se libera en el instante en que éste se desconecta del generador.
La duración de la carga depende de factores tales como la resistencias del dieléctrico, la constante
dieléctrica, la superficie de dispersión la humedad y la radioactividad del ambiente. [4]
Condensador de placas paralelas
El tipo de condensadores más frecuentes consiste en principio en dos placas conductoras paralelas y
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separadas por una pequeña distancia. Todo el campo del condensador está comprendido entre estas dos
placas, y las cargas sobre estas placas están distribuidas uniformemente sobre sus superficies opuestas. Esta
disposición se conoce como condensador de placas paralelas.
En los circuitos de radio se utilizan con mucha frecuencia condensadores variables capacidad puede variar.
Estos condensadores suelen tener cierto número de placas metálicas paralelas fijas conectadas entre sí que
constituyen una placa del condensador, mientras que un segundo juego de placas móviles (también
conectadas entre sí) forman la otra placa.
Las placas móviles están montadas en un eje y pueden interlaminarse entre las fijas con mayor o menor
extensión. El área efectiva del condensador es la de la porción interlaminada de las placas. Un condensador
variable se representa por el símbolo:
Condensadores en serie y en paralelo
En la figura 1 se ha conectado en serie dos condensadores entre los puntos a y b, que se mantienen a una
diferencia de potencial constante Vab. Inicialmente ambos condensadores están descargados. En esta
conexión, los dos condensadores tienen la misma carga Q. Podría plantearse la cuestión de que la placa
inferior C1 y la superior C2 tuvieran cargas diferentes que las otras placas, pero en ese caso la carga neta de
cada condensador no sería nula y el campo eléctrico resultante en el conductor de unión de los
condensadores ocasionaría un flujo de corriente que circularía hasta reducir a cero la carga total de cada
uno. Por consiguiente, en una conexión en serie la magnitud de la carga de todas las placas es la misma. [4]
Figura 5:
En base a la figura 5 tenemos que:
La Capacidad equivalente C de una combinación en serie se define como la de un solo condensador de carga
Q igual a la de la combinación, cuando la diferencia de potencial V es igual. [4]
En la figura 6 hay dos condensadores conectados en paralelos entre los puntos a y b. En este caso la
diferencia de potencial Vab=V es la misma para ambos, y las cargas
y
no son necesariamente iguales, son:
La carga total suministrada por la fuente es:
La capacidad equivalente c de una combinación en paralelo se define como la de un solo condensador cuya
carga total es igual que la de la figura 6 en su primera parte. [4]
Figura 6 :
Electromagnetismo
Imanes Naturales
Sé tenia conocimiento de que ciertos minerales de hierro (magnética). Poseían la misteriosa propiedad de
atraer otros minerales tales como: acero, limaduras de hierro, níquel, etc. Los imanes pequeños de esta
aleación suficientemente poderosos para levantar ciento de veces su propio peso. [4]
El hierro puro (algunas veces llamado dulce) cuando se imanta, no conservara su magnetismo y por lo tanto,
no sirve para llamados imanes permanentes. Sin embargo el hierro dulce se usa en la construcción de los
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electroimanes. [4]
En la ley de atracción y repulsión se tiene lo siguiente:
• Polos del mismo nombre se rechazan y polos del distinto nombre se atraen.
• También en el magnetismo existente en un polo es igual al que tiene el polo opuesto. [4]
Polo de un Imán
Si una barra imantada se introduce en un recipiente que contenga limaduras de hierro enseguida se retira, se
aprecia que los minúsculos fragmentos de hierro se adhieren mas frecuentemente a las áreas cercanas a los
extremos. Estas regiones donde parece concentrarse la fuerza del Imán se llaman Polos Magnéticos. [1]
No existen polos aislados. No importa cuantas veces se rompa un Imán por la mitad, cada pieza resultante
será un Imán, con un polo norte y uno sur. No se conoce una sola partícula que sea capaz de crear un campo
magnético de una manera similar a como un Protón o Electrón pueden crear un campo eléctrico. [1]
La atracción que ejercen los Imanes sobre el Hierro no magnetizado y las fuerzas de interacción que surgen
entre los polos magnéticos actúan a través de todas las sustancias. En la industria, los materiales ferrosos
que han sido desechados y se arrojan a la basura pueden ser separados después, por medio de Imanes para
su reutilización. [1]
Magnetismo Terrestre
Un imán que pude girar en un plano horizontal, se orienta siempre de modo que marca la dirección
norte−sur. Pero ¿por qué sé orienta así y no de otra manera?[4]
La explicación es sencilla. Sabemos que un imán que se acerque a otro tiende ha orientarse de modo que sus
polos de distinto nombre se coloquen lo más próximos posible. Ahora bien, si nuestros imán, esta lejos de
otros imanes, queda quito en una determinada posición, de manera que uno de sus polos señalen norte
geográfico, es por que la tierra se comporta como un potente imán, cuyo polo sur magnético esta situado
cerca del norte geográfico . [4]
El anterior hecho ah llevado ha llamado polo norte del imán al polo que queda próximo al norte geográfico
decimos próximo, ya que el polo magnético no coincide exactamente con el geográfico. La aguja magnético
forma un cierto ángulo, denominado ángulos de declinación magnética, con el eje de la tierra. [4]
Existen noticias de que los chinos conocían en el siglo primero de nuestra era, el hecho de las agujas
magnéticas (imanes en forma de rombo muy alargado) se orientaban en una posición determinada hacia el
siglo 11 se comprobó que esa dirección era aproximadamente la norte sur, siendo este hecho el origen de la
brújula , instrumento utilizado para orientación. [4]
Materiales Diamagnéticos y Ferromagnéticos
Los materiales magnéticos se clasifican de acuerdo a su permeabilidad, comparada con la que le
corresponde al espacio vacío. La razón de la permeabilidad del material con respecto a la correspondiente al
vació se llama permeabilidad relativa. [1]
Los materiales con una permeabilidad relativa ligeramente menor que la unidad, tienen la propiedad de ser
repelidos por un Imán fuerte. Se dice que tales materiales son diamagnéticos, y la propiedad recibe el nombre
de diamagnetismo. Por otra parte, se dice que los materiales con una permeabilidad ligeramente mayor que
la del vació son paramagnéticos. Estos materiales son atraídos débilmente por un Imán poderoso. [1]
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Solo unos cuantos materiales, como el hierro, cobalto, níquel, Acero y aleaciones de estos metales, tiene
permeabilidades extremadamente altas, que van desde algunos cientos hasta varios miles de veces mayores
que la correspondientes al vacío. De dichos materiales, que son fuertemente atraídos por un Imán, se dice
que son Ferromagnéticos. [1]
Ley de los Polos Magnéticos
La ley de la fuerza magnética establece que : Polos Magnéticos Iguales se repelen y polos magnéticos
diferentes se atraen. [1]
Inducción Magnética
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables
con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una cierta simetría en el
mundo del electromagnetismo. Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre
la electricidad y el magnetismo. Su teoría electromagnética predijo, antes de ser observadas
experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz comprobó su existencia e inició para la
humanidad la era de las telecomunicaciones. [4]
El descubrimiento, debido a Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la
imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas
entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de producir
corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y otros menos conocidos
estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea.
Pero fue Faraday el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno. A las
corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde
entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se
denomina inducción electromagnética. [4]
La inducción electromagnética constituye una pieza destacada en ese sistema de relaciones mutuas entre
electricidad y magnetismo que se conoce con el nombre de electromagnetismo. Pero, además, se han
desarrollado un sin número de aplicaciones prácticas de este fenómeno físico. El transformador que se
emplea para conectar una calculadora a la red, la dinamo de una bicicleta o el alternador de una gran
central hidroeléctrica son sólo algunos ejemplos que muestran la deuda que la sociedad actual tiene
contraída con ese modesto encuadernador convertido, más tarde, en físico experimental que fue Michael
Faraday. [4]
Las experiencias de Faraday
Las experiencias que llevaron a Faraday al descubrimiento de la inducción electromagnética pueden ser
agrupadas en dos categorías: experiencias con corrientes y experiencias con imanes. En primer lugar
preparó dos solenoides, uno arrollado sobre el otro, pero aislados eléctricamente entre sí. Uno de ellos lo
conectó a una pila y el otro a un galvanómetro y observó cómo cuando accionaba el interruptor del primer
circuito la aguja del galvanómetro del segundo circuito se desplazaba, volviendo a cero tras unos instantes.
Sólo al abrir y al cerrar el interruptor el galvanómetro detectaba el paso de una corriente que desaparecía
con el tiempo. Además, la aguja se desplazaba en sentidos opuestos en uno y otro caso. [4]
En el segundo grupo de experiencias Faraday utilizó un imán recto y una bobina conectada a un
galvanómetro. Al introducir bruscamente el imán en la bobina observó una desviación en la aguja,
desviación que desaparecía si el imán permanecía inmóvil en el interior de la bobina. Cuando el imán era
retirado la aguja del galvanómetro se desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. [4]
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Cuando repetía todo el proceso completo la aguja oscilaba de uno a otro lado y su desplazamiento era tanto
mayor cuanto más rápido era el movimiento del imán entrando y saliendo en el interior de la bobina. Lo
mismo sucedía cuando mantenía quieto el imán y movía la bobina sobre él. [4]
La representación del campo magnético en forma de líneas de fuerza permitió a Faraday encontrar una
explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. Para que se produjera una corriente inducida en la bobina
era necesario que las líneas de fuerza producidas por el imán fueran cortadas por el hilo conductor de la
bobina como consecuencia del movimiento de uno u otro cuerpo. En el primer grupo de experiencias, las
líneas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila, producían el mismo tipo
de efectos. [4]
Las experiencias anteriores a las de Faraday, al no tener en cuenta los aspectos dinámicos, o de cambio con
el tiempo, de esta clase de fenómenos, no pudieron detectar este tipo de corrientes que aparecen en un
circuito eléctrico sin que exista dentro del propio circuito ninguna pila que las genere. [4]
Flujo magnético
La representación de la influencia magnética de un imán o de una corriente eléctrica en el espacio que les
rodea mediante líneas de fuerza fue ideada por Faraday y aplicada en la interpretación de la mayor parte de
sus experimentos sobre electromagnetismo. Mediante este tipo de imágenes Faraday compensaba su escasa
preparación matemática, apoyándose así su enorme habilidad gráfica y su no inferior intuición científica. La
noción de flujo magnético recoge esa tradición iniciada por Faraday de representar los campos mediante
líneas de fuerza, pero añade, además, un significado matemático. [4]
Cuando se observa, con la ayuda de limaduras de hierro, el campo magnético creado por un imán recto, se
aprecia que, en los polos, las líneas de fuerza están más próximas y que se separan al alejarse de ellos. Dado
que la intensidad del campo magnético B disminuye con la distancia a los polos, parece razonable relacionar
ambos hechos y establecer por convenio una proporcionalidad directa entre la intensidad del campo B y la
cantidad de líneas de fuerza que atraviesan una superficie de referencia unidad. Cuanto más apretadas están
las líneas en una región, tanto más intenso es el campo en dicha región. [4]
El número de líneas de fuerza del campo B que atraviesa una superficie unidad depende de cómo esté
orientada tal superficie con respectó a la dirección de aquéllas. Así, para un conjunto de líneas de fuerza
dado, el número de puntos de intersección o de corte con la superficie unidad será máximo para una
orientación perpendicular y nulo para una orientación paralela. El número de líneas de fuerza del campo B
que atraviesa perpendicularmente una superficie constituye entonces una forma de expresar el valor de la
intensidad de dicho campo. [4]
La ley de Faraday−Henry
Independientemente de Faraday, Joseph Henry, en los Estados Unidos, había observado que un campo
magnético variable produce en un circuito próximo una corriente eléctrica. Los resultados concordantes de
las experiencias de ambos físicos pueden resumirse en un enunciado que se conoce como ley de
Faraday−Henry:
La fuerza electromotriz inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo
magnético que lo atraviesa.
O en forma matemática:
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Siendo ð la fuerza electromotriz inducida y ðð la variación de flujo magnético que se produce en el intervalo
de tiempo ðt. De acuerdo con esta ecuación, la magnitud de f.e.m. inducida coincide con lo que varía el flujo
magnético por unidad de tiempo. [4]
La presencia de la fuerza electromotriz ð en la ley de Faraday−Henry en lugar de la intensidad de corriente
(ambas son proporcionales entre sí), resalta una característica de la inducción, a saber, su capacidad para
sustituir a un generador, es decir, para producir los mismos efectos que éste en un circuito eléctrico. Por su
parte, el signo negativo recoge el hecho, observado experimentalmente por Faraday y Henry, de que
aumentos (ðð > 0) y disminuciones (ðð < 0) de flujo magnético producen corrientes inducidas de sentidos
opuestos. [4]
Si no hay variación con el tiempo del flujo magnético que atraviesa un circuito, el fenómeno de la inducción
electromagnética no se presenta. Tal circunstancia explica los fracasos de aquellos físicos contemporáneos
de Faraday que pretendieron conseguir corrientes inducidas en situaciones estáticas, o de reposo, del
circuito respecto del imán o viceversa. [4]
Bibliografía
[1] Paul E. Tippens; Física Conceptos Básicos y Aplicaciones; Mc Graw Hill; 349−352, 384−385, 628−632,
638−639, 648−6651, 763−764;1996.
[2] Enciclopedia Microsoft Encarta 99
[3] James R. Welty; Transferencia de Calor Aplicada a la Ingeniería; Limusa; 1−14;1992
[4] http://www.altillo.com/
Calorimetría, Electrostática y Electromagnetismo
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