INSTITUCION EDUCATIVA LA PRESENTACION NOMBRE ALUMNA: AREA : CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL ASIGNATURA: FISICA NOTA DOCENTE: HUGO HERNAN BEDOYA TIPO DE GUIA: CONCEPTUAL - EJERCITACION PERIODO GRADO GUIA N° FECHA DURACION 4 8° 5 14 DE SEPT/14 6 unidades INDICADORES DE DESEMPEÑO 1. Emplea la ley de Coulomb y el principio de superposición para determinar la fuerza eléctrica resultante sobre cargas puntuales. 2. Aplica la ley de Ohm en la resolución de circuitos eléctricos serie para emplear los diferentes parámetros eléctricos. 3. Resuelve matemáticamente circuitos en paralelo para aplicar algunos conceptos de electricidad. 4. Muestra interés por las prácticas de laboratorio. 5. Realiza los trabajos y consultas que se le asignan. ELECTROSTATICA En el siglo Vll a.C. los antiguos sabían que el ámbar, especie de resina con la cual se hacen joyas, al ser frotado con lana, podía atraer ciertos cuerpos livianos. Más tarde en el siglo XV, este fenómeno fue estudiado por William Gilbert (1544-1603) Medico y físico Ingles, que observo la misma propiedad en otros cuerpos como el vidrio al ser frotado con seda, o una varilla de ámbar con un trozo de piel. Teniendo en cuenta lo anterior podemos concluir que como en el resultado del “frotamiento” estos materiales pueden adquirir una nueva propiedad denominada electrización (electricidad) (del griego elektrón que significa ámbar) Electrización: acción de cargar eléctricamente un cuerpo, para ello existen tres formas más usuales de hacerlo, Frotamiento, contacto, por Inducción y por defecto termoiónico; por efecto fotoelectrónico y por efecto piezoeléctrico. Frotamiento o fricción: ocurre cuando dos cuerpos u objetos no cargados de diferente material, se frotan entre si hasta que al separarlos ambos quedan con cargas opuestas, es decir, para la imagen, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Contacto o conducción: La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que es verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones. Inducción o Influencia (distancia): La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria generando unos polos y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA CARGA: L a carga no se crea ni se destruye, solo se transfiere (Franklin) CONDUCTORES, AISLADORES Y SEMICONDUCTORES Materiales conductores: son aquellos que puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmiten ésta a todos los puntos de su superficie permitiendo el paso de la corriente hasta otros cuerpos. Los mejores conductores son los metales y sus aleaciones, especialmente la plata (el más conductor), el cobre, el aluminio, etc. Sin embargo, existen otros metales no metálicos, que tienen la propiedad de conducir la electricidad como son el grafito, las soluciones salinas y cualquier material en estado de plasma. Es de notar que los conductores ceden más fácilmente los electrones que giran en la última órbita de sus átomos, (la más alejada del núcleo). Sin embargo, no todos los metales son buenos conductores, existen otros que, ofrecen gran resistencia al paso de la corriente y por ello se emplean como resistencia eléctrica para producir calor. Un ejemplo de un metal que se comporta de esa forma es el alambre nicromo (NiCr). Materiales Aislante: son aquellos que no son conductores de electricidad, es decir, que resisten el paso de la corriente a través del elemento que alberga y la mantiene a lo largo del semiconductor; así, sus átomos ni ceden ni captan electrones. En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las bobinas (por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse con una capa delgada de barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico. La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación, en algunos casos seleccionados según la temperatura máxima que deban resistir. Materiales semiconductores: son aquellos que se comportan como conductor o como islante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. El elemento semiconductor más usado es el silicio. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes (Elemento que actúa con valencia 4, es decir, que tiende a unirse mediante cuatro enlaces covalentes con otros átomos; E. covalente: unión que se produce entre 2 átomos al compartir 2 o más electrones de su capa externa con objeto de formar una molécula estable).Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder electrones cuando los atraviesa una corriente eléctrica y su característica principal es dejarla pasar en un solo sentido e impedirlo en sentido contrario. Dieléctricos: son materiales malos conductores de electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes eléctricos, y además si son sometidos a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. En cuanto a los gases se utilizan como dieléctricos sobre todo el aire, el nitrógeno y el hexafluoruro de azufre. LEY DE LAS CARGAS Dos cuerpos con las mismas clases de electrización (positiva o negativa) se repelen, pero si tienen diferente clase de electrización se atraen. ← + +→ +→ ← ← - → - → ← + CARGA ELECTRICA: Del mismo modo que caracterizamos la intensidad de interacción gravitacional asignando a cada cuerpo una masa gravitacional, caracterizamos el estado de electrización de un cuerpo definiendo una “masa eléctrica”, llamada más comúnmente carga eléctrica, representada por q, y relacionada en el modelo propuesto por Benjamín Franklin que luego dará origen a la llamada ley de Colulomb que permite hallar la Fuerza de atracción o repulsión según el signo de las cargas y plantea “la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas q1 ,q2 es directamente proporcional al producto de sus cargas y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. q .q 1 q1q2 , con m2 9 Simbólicamente,  0 : permitividad del vacio F k 122  k  9  10 N 4 0 r 2 C2 r C  0  8,85  1012 Nm2

Protón carga positiva 1.6 x 10 -19 C masa 1.67 x 10-24 g

Neutrón carga 0 ó Neutra masa 1.68 x 10-24 g Electrón carga negativa - 1.6 x 10-19 C q ( e  ) = q( p  ) masa 9.1 x 10-28g Cuando un cuerpo no queda cargado, decimos su carga eléctrica Neta es igual a cero o que es Neutro, un cuerpo con carga eléctrica diferente de cero se denomina Ión. Además, la carga del electrón (e) se toma como la unidad fundamental, dado “que es la más pequeña que se ha observado en la naturaleza”. Pero, la unidad estándar para la carga es el Coulomb (C). 1C = 6,3 x 1018 electrones Ejemplos: Coulomb (C). 1. Se tienen dos esferas cargadas eléctricamente con 4x10-8 C y 2.3x10-7 C respectivamente y están separadas 35 cm en el aire. Calcular la fuerza eléctrica entre ellas y decir que tipo de fuerza es. R/: se repelen con una fuerza de F = 6,76x10-4N 2. Sobre los extremos de un segmento AB de 1m de longitud, se fijan dos cargas una q1 = 4x10-6C sobre el punto A y la otra q2 = 1x10-6C sobre el punto B; ubicar una tercera carga q3 = 2x10-6C sobre AB, de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultanea de las dos cargas dadas. R/: 0,66m de uno de los extremos. 3. Se tienen tres cargas como se muestra en la figura q1 = 1x10-3C, q2 = 3x10-4C y q3 = 16x10-4C; calcular cada fuerza ejercida sobre q1 y la fuerza neta o resultante sobre dicha carga. F12 =300N; F13 =400N F = 500N CORRIENTE (I): La corriente describe un flujo de carga. Si la carga. Si la carga q fluye pasando por un punto determinado (digamos, de un alambre metálico), en un intervalo de tiempo t , la corriente (media) está dada por la expresión I  q , la unidad de corriente es el ampere (A = C/s). t

Es de notar que la carga que aparece en esta definición no es la carga neta del alambre, sino que es la que se transporta pasando por un punto dado. Aunque la corriente es un escalar, puede asignársele un sentido, el del movimiento de las cargas positivas (si ellas forman la corriente), u opuesto al movimiento de las cargas negativas (si ellas forman la corriente). Corriente alterna (CA) es la corriente en la que la dirección del flujo de electrones va y viene a intervalos regulares o en ciclos. La corriente que fluye por las líneas eléctricas y es la electricidad disponible normalmente en las casas procedente de los enchufes. Corriente continua (CC) es la corriente eléctrica que fluye de forma constante en una dirección, como la que fluye en una linterna o en cualquier otro aparato con baterías. Ejemplo: Corriente 1. a. b. c.

Un haz de electrones constituye una corriente de 5 A , después de una hora ¿Cuál fue la carga transportada por el haz? R/: 1,8 10 2 C ¿ cuántos electrones fueron transportados? (N = q.e); R/: 1,13 1017 electrones ¿ cuál es la masa total de todos los electrones? (M = N.me); R/: 1,03 10 13 Kg CAMPO ELÉCTRICO

Las fuerzas eléctricas y las fuerzas gravitacionales son fuerzas de acción a distancia que se manifiestan sin que existan ningún contacto entre los cuerpos. Este hecho se interpretara admitiendo que cada carga modifica las propiedades del medio que la rodea estableciendo un campo eléctrico (análogo al campo gravitacional producido por cada masa); si se coloca una carga dentro de este ejercerá sobre q una fuerza de atracción o repulsión. Ahora matemáticamente el campo eléctrico se define: Si una carga colocada en un punto del espacio experimenta una fuerza de origen eléctrico, se dice que en  este punto existe un campo eléctrico producido por todas las otras cargas q1, q2… y que su intensidad  F E es: q

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Como F es un vector y q un escalar, el campo eléctrico es también un vector que tendrá la dirección de F si q es positivo y la dirección contraria si q es negativa. La carga q que sirvió para la definición del campo se denomina generalmente carga de prueba. Así si en un punto del espacio existe un campo E y colocamos una carga q en este punto, esta se someterá   a una fuerza. F  Eq Por ejemplo: la aceleración de un electrón de carga e y de masa m, situado dentro de un campo eléctrico E, aplicando la segunda ley de newton seria: F= ma = Ee; a = eE m Ejemplos: Campo eléctrico 1. Calcular la intensidad de un campo eléctrico, si al colocar una carga de prueba igual a 48 C , actúa con una fuerza de 1,6N. R/: 33 333,3N/C. 2. Encontrar la carga eléctrica fuente del helio, sabiendo que el valor de la intensidad del campo eléctrico Producido por él es 2,88x109 N/C, en un punto situado en el aire a 1nm. R/:3,2x10-19 C CÁLCULOS DE ALGUNOS CAMPOS ELÉCTRICOS Campo eléctrico producido por una carga puntual: de la definición de campo, se deduce que la Q , magnitud del campo producido por la carga Q en un punto situado a la distancia r es: E  F ; EK q

r2

luego el campo es independiente de la carga de prueba q y su dirección es tal que se aleja de la carga Q si esta es positiva, y se acerca a Q si esta es negativa. Si varias cargas puntuales producen en un punto los campos E1, E2, E3, el campo que resulta será: E  E1  E2  E3 ,como es una suma vectorial, su cálculo es semejante al de las fuerzas eléctricas. Campo en el interior de un conductor: Cuando a un sólido conductor con una cierta carga q, se le deja evolucionar la suficiente cantidad de tiempo, alcanza una condición de equilibrio electrostático, en la que ya no hay movimiento de las cargas; ya en equilibrio, dentro de un conductor cargado, el campo eléctrico es cero o nulo, de lo contrario los electrones libres experimentarían una fuerza y se moverían. Como no hay campo, tampoco habrá líneas de fuerza en el interior del conductor (ni cargas); empezaran a partir de la superficie exterior; en consecuencia, el exceso de cargas eléctricas se situara sobre la superficie exterior concentrándose en las zonas de menos radio de curvatura (más puntiagudas). Se debe observar que las líneas de fuerza salen o entran perpendicularmente en la superficie del conductor. En efecto, si el campo eléctrico en un punto cerca de la superficie tuviera una componente paralela a la superficie, las cargas se moverían sobre la superficie violando la condición de equilibrio. Por tanto, el campo eléctrico es normal a la superficie. Lo anterior implica que la superficie del conductor es equipotencial, puesto que la fuerza paralela al campo no realiza trabajo. . Nota: En todos los problemas de partículas elementales, el peso de la partícula es despreciable delante de la fuerza eléctrica. LÍNEAS DE FUERZA Este concepto, introducido por Faraday, permite visualizar la dirección de un campo eléctrico y en cierto sentido su magnitud. Se dibujan líneas continuas dirigidas, llamadas líneas de fuerzas tangentes en la dirección del campo eléctrico en cada punto.  La tangente a esta línea en un punto, da la dirección del campo eléctrico en ese punto.  Las líneas de fuerza empiezan sobre las cargas positivas y terminan sobre las cargas negativas. (si tenemos solamente cargas de un solo signo, se supondrá que las cargas de otro signo están en el infinito). La distancia entre dos líneas de

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fuerza es inversamente proporcional al campo eléctrico medio comprendido entre las dos líneas. Es importante anotar que las líneas de fuerza no pueden cruzarse, debido a que cada punto del espacio existe solamente un campo eléctrico, suma de todos los campos eléctricos. Campo eléctrico creado por un conductor rectilíneo:

EB

I 2 r

con : E = B el campo magnético en un punto determinado. µ = Permeabilidad del medio que rodea al conductor, en Tm/A. esta es una constante que su valor es : 4Πx10-7Tm/A. (permeabilidad de vació) I = intensidad de la corriente que circula por el conductor, en Ampére (A). r = d : Distancia perpendicular entre el conductor y el punto considerado, en metros (m). Una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor. Esto dice que entre más lejos el campo magnético Campo eléctrico entre dos laminas paralelas infinitas con cargas opuestas: Las líneas de fuerza serán paralelas entre si y perpendiculares a las láminas por razones de simetría; como la distancia entre dos líneas es constante, el campo eléctrico será constante. Por tanto entre dos láminas paralelas infinitas con cargas opuestas se tiene un campo uniforme. Este dispositivo de producción de campos uniformes se denomina condensador plano. La capacitancia C de cualquier condensador se define con V la diferencia de potencial entre las placas (“trabajo por unidad de carga para llevar una carga de prueba de una placa a la otra”) y q es la magnitud de la carga en cualquiera de las placas; q no debe considerarse como la carga neta del condensador, la cual es cero. La capacitancia de un condensador depende de la forma geométrica de cada placa, de la relación espacial entre ellas, y del medio en el cual están sumergidas. De momento, se considera a este medio como el vacío. La unidad de capacitancia C/V que en el sistema SI es el faradio, en honor a Michael Faraday: 1F = 1C/1V Como el faradio es una unidad de capacitancia muy grande, en la práctica son unidades más convenientes los submúltiplos del faradio, el microfaradio 1F  10  6 F ( ) y picofaradio 1 pF  10 12 F . Un condensador se representa por el símbolo

.

El campo es E  q , con A: el área de una de las láminas y  0 .A  0  8,85  10 12 F .m 1  8,85 pF .m 1  0  Permitividad eléctrica del vacío : Así, la capacitancia también puede calcularse mediante la expresión

C

 0 .A d

CIRCUITO, RESISTENCIA Y LEY DE OHM Circuito eléctrico: Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.

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Resistencia (R): Es una medida de la oposición que ejerce un material al flujo de carga a través de él y esta relacionada con la diferencia de potencial o voltaje y la corriente, mediante la expresión V V  R    I A   Uno de los equivalentes de la ley de OHM “El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada”. V  I .R Materiales Óhmicos: son aquellos en los cuales se verifica la relación de proporcionalidad de la ley de OHM. Para los materiales que no se cumple dicha relación, decimos que son No Óhmicos. RESISTIVIDAD: Expresa la relación entre la resistencia de un conductor y su tamaño.

unidades

 : .m

CONDUCTIVIDAD: Es la medida de la capacidad

(o de

la aptitud) de un material para dejar pasar (o dejar circular) libremente la corriente eléctrica. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material, y de la temperatura. La conductividad es la inversa de la resistividad; por tanto, −1

, y su unidad es

−1

el S/m (siemens por metro) o Ω ·m . Usualmente, la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico E y la densidad de corriente de conducción (J) ACTIVIDAD 1. Definir los principales elementos de un circuito. 2. Que son resistencias en serie y en paralelo y como se calcula la resistencia equivalente en cada caso. 3. Cuatro cargas punto forman un rectángulo como se indica en la figura. Calcule la fuerza electrostática ejercida por todas las cargas sobre q1, si q1 = q2 = 2 x 10-9 y q3 = q4 = -3 x 10-9

4. Tres cargas punto se encuentran colocadas sobre una línea recta como se indica. ¿Cuál debe ser q3 para que la fuerza total electrostática ejercida sobre q2 sea de 1x 10 -8 N hacia la derecha? Tómese a q1 = -4 x 10-9C y q2 = 2 x 10-9C. R/: q3 = -4 x 10-8C. 5. En un punto P del espacio existe un campo eléctrico de 5x104N/C. Si una carga positiva de 1,5 C , se coloca en el punto P. ¿Cuál será el valor de la fuerza eléctrica que actúa sobre ella?

R/: 0, 075N

6. Las placas de un condensador de placas paralelas están separadas una distancia d =1.0mm. ¿Cuál 3 2 debe ser el área de cada placa si la capacitancia es de 26,55 F ?. R/: 3  10 m R/: 3x 10-3 m2 7. Determina el valor de la intensidad del campo magnético a una distancia de 15 cm de un conductor recto muy largo por el que fluye una corriente de 25 A. R/: E = 3,33x10-5T con ( T  N .s ) m.C

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8. ¿Qué longitud de alambre de resistividad   5x108   m y de sección 1 mm2 se necesita, si queremos que la corriente sea 4Amp cuando se conecta a un voltaje de 200V? R/: 1000m 9. Una lámpara de 100  de resistencia, está conectada a 120V. ¿Cuál es la intensidad que atraviesa la lámpara? R/: 1,2 Amp 10.En la siguiente figura, ¿cuál es la resistencia entre a y b del circuito? R/: R1 = 20 

y R2 = 5 

11. Se consideran las resistencias de la figura

Si Vab = 10V y la potencia es de 5 Watt; además Vac = 10V y la potencia es de 4 Watt. ¿Cuáles son los valores de R1 y R2 ? 12. Sobre una plancha eléctrica se lee “ 120V – 1440Watios” .¿ Cuál es la resistencia de esta plancha? R/: R = 10  13. Si se conecta la plancha del punto anterior a un voltaje de 150V, ¿Qué resistencia debe conectarse en serie con la plancha, para que funcione sin inconveniente? R/: 2,5  14. Un alambre tiene una resistencia de R. se corta en cuatro partes iguales y se juntan para hacer un alambre cuatro veces más grueso. La resistencia del conjunto es: R/: R/16 15. Cuál debe ser el valor de la resistencia R para que la resistencia equivalente entre a y b sea R, en el circuito de la figura.? R/: 8 

Quizá esté yo equivocado y tú en lo cierto, quizá con un esfuerzo a la verdad nos acerquemos. Karl Popper

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