2011
Electricidad y Magnetismo
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO I.E. NUESTRA SEÑORA DEL ROSARIO DEPARTAMENTO DE FÍSICA RESPONSABLES: CLAUDIA CASTELLANOS LAMAS CINDY MONTENEGRO MORALES GLEYDI MUÑOZ DÁVILA CAROLYNE NÚÑEZ ARISTA MARCIA ORDOÑEZ CARO LISSETH OTOYA GARAY ASESORA: SHIRLEY CÓRDOVA 2011, CHICLAYO
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Con estima para nuestra Maestra Shirley y nuestra gran familia F, por siempre brindarnos su apoyo y cari単o.
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Contenido Electricidad Electromagnetismo Experimentos de Laboratorio Resultados de Laboratorio Laboratorio Virtual Curiosidades y Juegos
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Electricidad y Magnetismo
Presentación Es grato dirigirnos a ustedes lectores y experimentadores de la ciencia. Somos un grupo de alumnas de la Institución educativa Dominica Nuestra Señora del Rosario del Departamento de Lambayeque Perú, con un fin común: aprender y a la misma vez aportar conocimientos y experiencias relacionados con la Física, profundizando en el tema de Electricidad y Magnetismo. Si sólo nos limitáramos a observar viviríamos en una ignorancia voluntaria, sí, voluntaria porque somos nosotros, los hombres, los que decidimos si queremos seguir, anhelar, descubrir, analizar, comprobar, somos nosotros los únicos capaces de experimentar y descubrir cosas nuevas. La experimentación permite el desarrollo de una investigación veraz y subjetiva, y no solo hace veraz y subjetiva al fin al que se quiere llegar a comprobar, sino también al experimentador. Por todo ello, estamos convencidas que con la experimentación sobre los fenómenos de electricidad y magnetismo, se logrará un mejor aprendizaje, uno verdadero y aplicativo a nuestra realidad. Nuestro saludo sea nuevamente dirigido pero esta vez animándole a atreverse a experimentar en el mundo de la ciencia, un mundo que nunca dejará de sorprender.
Con estima, Las Autoras
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Introducción Es difícil imaginar un mundo sin electricidad. En cientos de maneras afecta y influye nuestra vida diaria. Vemos el uso de la electricidad directamente en nuestros hogares para iluminación, para el funcionamiento de los aparatos domésticos, el televisor, el receptor de radio, estufas, etc. Vemos el empleo de la electricidad en los transportes. La electricidad se ha usado en la fabricación de la mayoría de las cosas que empleamos, ya sea directamente, como para operar las máquinas que mano facturaron o procesaron los productos que necesitamos. Sin la electricidad, la mayor parte de las cosas que usamos y de las que disfrutamos hoy en día no serían posibles. Son numerosas las disciplinas que se ocupan del estudio de la electricidad: la electrostática, que estudia las cargas eléctricas en reposo; la electrocinética, que estudia las cargas eléctricas en movimiento a través de un conductor; el electromagnetismo, que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y los cuerpos magnéticos; la electrónica, que estudia el paso de las cargas eléctricas a través de gases, sólidos y el vacío; la electrotecnia, que se ocupa del transporte de la energía eléctrica y de sus aplicaciones, etc. Por nuestra vida, nuestras necesidades, por el avance del hombre es indispensable el estudio de la electricidad y de una de sus grandes ramas, el electromagnetismo.
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La Electricidad
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El campo de la electricidad es muy grande, pero el señor sapo nos enseñará lo más esencial con lo cual podremos realizar nuestros experimentos.
En nuestras casas, la electricidad permite que funcionen las lamparitas eléctricas, la televisión, la tostadora y muchas otras cosas. Es muy difícil imaginar nuestra vida sin ella. Ahora bien, nos damos cuenta de qué es lo que podemos hacer con ella pero, ¿qué es la electricidad? La electricidad es una forma de energía. Energía es poder... el poder de hacer, de hacer por ejemplo que las cosas se muevan y de hacer que las cosas funcionen. Para entender qué es la electricidad debemos comenzar con los átomos. Los átomos son pequeñas partículas que son muy difíciles de ver, y son los elementos con los que está hecho todo a nuestro alrededor. Un átomo está compuesto por protones, electrones y neutrones. El centro de un átomo, al cual se llama núcleo , tiene al menos un protón. Alrededor del núcleo viajan los electrones (en igual cantidad que los protones) a gran velocidad. Los protones y electrones tienen una propiedad llamada carga, la de los protones es de signo positivo y la de los electrones es de signo negativo. Los neutrones no tienen carga. Los protones y electrones se atraen entre sí porque tienen cargas de distinto signo. En cambio las partículas que tienen cargas del mismo signo se repelen. La fuerza que actúa entre ellos es la fuerza eléctrica.
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Los electrones que circulan alrededor del núcleo del átomo, pueden saltar de un átomo a otro cuando se les aplica una diferencia de potencial eléctrico que se llama voltaje y que se mide en voltios. Cuando los electrones saltan de un átomo a otro en una misma dirección se crea una corriente eléctrica. En algunos materiales (por ejemplo los metales) es fácil hacer mover a los electrones de átomo a átomo; en cambio en otros, como por ejemplo el vidrio, no lo es. Si es fácil mover los electrones de un átomo a otro se dice que el material es conductor. Utilizamos materiales conductores para llevar la electricidad de un lugar a otro.
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Los electrones que circulan alrededor del núcleo del átomo, pueden saltar de un átomo a otro cuando se les aplica una diferencia de potencial eléctrico que se llama voltaje y que se mide en voltios. Cuando los electrones saltan de un átomo a otro en una misma dirección se crea una corriente eléctrica. En algunos materiales (por ejemplo los metales) es fácil hacer mover a los electrones de átomo a átomo; en cambio en otros, como por ejemplo el vidrio, no lo es. Si es fácil mover los electrones de un átomo a otro se dice que el material es conductor. Utilizamos materiales conductores para llevar la electricidad de un lugar a otro.
Si se aplica una diferencia de potencial eléctrico suficientemente grande (usualmente llamado voltaje) se genera una fuerza que puede empujar a los electrones de un átomo a otro. Este movimiento de electrones se llama corriente eléctrica. Esto es lo que ocurre en un trozo de alambre que se conecta a los extremos de una pila. Los electrones pasan de un átomo a otro creando la corriente eléctrica.
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Hay corrientes eléctricas de dos tipos: la corriente continua y la corriente alterna. En la corriente continua los electrones se mueven siempre en la misma dirección. Este es el tipo de corriente eléctrica que se obtiene de una pila, como las que se usan en una linterna. En la corriente alterna, como su nombre lo indica, los electrones van primero para un lado y luego en dirección contraria, y así siempre. Este es el tipo de corriente eléctrica que obtenemos en la red eléctrica de nuestras casas y con la que hacemos funcionar la heladera, el televisor, etc.
La electricidad estática es otro tipo de energía eléctrica. A diferencia de al corriente eléctrica, en las que las cargas se mueven, en este caso las cargas eléctricas permanecen en su lugar. Como ejemplo, te proponemos el siguiente experimento: Toma dos globos y frótalos con tu cabello o un pullover, luego átalos de un hilo y sostenlos uno cerca del otro. ¡Verás que se repelen! ¿A qué se debe esto? Al frotar el globo con tu pullover o cabello le hemos transferido cargas negativas y, por lo tanto, están ligeramente cargados. Como ambos tienen el mismo tipo de carga extra, se repelen. La fuerza eléctrica generada aquí se llama electricidad estática.
Los conductores son materiales a través de los cuales la corriente eléctrica viaja con facilidad; por eso decimos que tienen baja resistencia eléctrica.
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Los metales son muy buenos conductores, por eso se usan para construir los cables con los cuales se provee a las casas de corriente eléctrica. También es lo que usamos para conectar los aparatos eléctricos a los enchufes de la red eléctrica de nuestras casas. El metal más usado para construir cables de conducción es el cobre. El agua (como la que sale de la canilla) es otro buen conductor de la electricidad. Es muy importante recordar esto, porque nuestro cuerpo está constituido en gran parte de agua (un 70% aproximadamente), entonces la electricidad puede circular fácilmente a través de nosotros. Pero si la electricidad viaja por nuestro cuerpo puede causarnos mucho daño. Es por eso que los cables eléctricos están recubiertos de algún material de alta resistencia (aislante) como por ejemplo el plástico, para que puedan ser manipulados sin peligro.
Para caracterizar un material es conveniente hablar de resistividad en lugar de resistencia. La resistividad de un material es su resistencia por unidad de área y unidad de longitud, por ejemplo la resistencia de un cubo de 1m de lado. En este caso el área es 1m2 y la longitud es 1m. y se mide en ohmios por metro (ohm m).
En la tabla se muestra algunos ejemplos de buenos conductores. Como las resistividades de estos conductores son muy bajas usaremos como unidad de medida la cien millonésima parte de ohm m (1/ 100 000 000).
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La electricidad no circula fácilmente por los aislantes. A los átomos que constituyen los aislantes no les gusta compartir sus electrones. Algunos materiales aislantes son: Plásticos Vidrios Cerámicas. Al cubrir los metales que forman los eléctricos con aislantes nos aseguramos corriente eléctrica circule por donde cumpliendo su función correctamente riegos para nosotros, que también buenos conductores.
cables que la debe, y sin somos
CURIOSIDAD: ¡El agua que sale de la canilla y el agua de mar son conductores, pero, el agua pura es un aislante!
En el tabla se muestran algunos ejemplos de buenos aislantes usamos como unidad de medida: el billón de ohm m. Un billón es un millón de millones (1.000.000.000.000).
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Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones.
Elementos de un Circuito Son aquellos elementos capaces de mantener una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor. Generador o acumulador.
Generadores primarios: tienen un sólo uso: pilas. Generadores secundarios: pueden recargados: baterías o acumuladores.
ser
Hilo Conductor
Formado por un material conductor, que es aquel que opone poca resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Receptores
Son aquellos elementos capaces de aprovechar el paso de la corriente eléctrica: motores, resistencias, bombillas Son dispositivos que nos permiten abrir o cerrar el circuito cuando lo necesitamos. Pulsador: Permite abrir o cerrar el circuito sólo mientras lo mantenemos pulsado
Elementos de maniobra.
Interruptor: Permite abrir o cerrar un circuito y que este permanezca en la misma posición hasta que volvamos a actuar sobre él. Conmutador: Permite abrir o cerrar un circuito desde distintos puntos del circuito. Un tipo especial es el conmutador de cruce que permite invertir la polaridad del circuito, lo usamos para invertir el giro de motores
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Los circuitos eléctricos se pueden formar de tres maneras: circuitos en serie, circuitos en paralelo y circuitos mixtos. Su nombre depende de cómo se acomoden los elementos con respecto a la fuente.
Se define un circuito serie como aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un solo camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. En el caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente eléctrica es la misma en todos los puntos del circuito.
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Se define un circuito paralelo como aquel circuito en el que la corriente elĂŠctrica se bifurca en cada nodo. Su caracterĂstica mĂĄs importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tiene la misma diferencia de potencial.
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Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a la un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo.
En la vida cotidiana observamos estos circuitos en las instalaciones eléctricas domésticas. La conexión entre los bombillos de una misma habitación está en paralelo, de manera que si un bombillo se "quema", los demás quedan encendidos. Pero entre el interruptor y los bombillos el circuito es en serie, de manera que si se "apaga" la luz se interrumpe el fluido eléctrico y los bombillos se apagan todos juntos.
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El Electromagnetismo
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El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell. El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.
Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad. Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflactaba hasta quedar en una posición perpendicularmente a la dirección
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perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo. Pocos días después de enterarse del hallazgo de Oersted, fue el científico francés Andre-Marie Ampere quien logró formular este importante descubrimiento en términos matemáticos sólidos. Ampere propuso formalmente que una corriente eléctrica produce un campo magnético, e incluso postuló que las sustancias como la magnetita poseen minúsculos circuitos cerrados de corrientes que les dan propiedades magnéticas. La ecuación matemática que describe la relación entre la corriente eléctrica y el campo magnético es conocida como la ley de Ampere.
La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa La inducción electromagnética fue descubierta casi simultáneamente y de forma independiente por Michael Faraday y Joseph Henry en 1830. La inducción electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.
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Supongamos que se coloca un conductor eléctrico en forma de circuito en una región en la que hay un campo magnético. Si el flujo F a través del circuito varía con el tiempo, se puede observar una corriente en el circuito (mientras el flujo está variando). Midiendo la FEM inducida se encuentra que depende de la rapidez de variación del flujo del campo magnético con el tiempo.
Los estudios sobre inducción electromagnética, realizados por Michael Faraday nos indican que en un conductor que se mueva cortando las líneas de fuerza de un campo magnético se produciría una fuerza electromotriz (FEM) inducida y si se tratase de un circuito cerrado se produciría una corriente inducida. Lo mismo sucedería si el flujo magnético que atraviesa al conductor es variable. La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.
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Se usa para determinar el sentido del flujo magnético en un conductor recto. Para la aplicación de esta regla se conviene que la corriente del circuito eléctrico circula de mas (+) a menos (-). Para su aplicación, imagina que empuñas el conductor con el pulgar de la mano derecha apuntando en la dirección del flujo de la corriente es decir de mas (+) a menos (-), resulta pues que los dedos enrollados te darán la dirección del flujo magnético.