introducción a la ingenieria cap2

Curso

Introducción

a la Ingeniería

EIE 140

Francisco Apablaza M. 2014

famapablaza@hotmail.com

Programa: contenidos

CAPITULO 2 CORRIENTE Y TENSIÓN

2.1 El átomo y su estructura.

2.2 Formas de representar la estructura atómica.

2.3 Ionización, electrones de valencia.

2.4 Electrón, protón, carga eléctrica.

2.5 Fuerzas de origen eléctrico.

2.6 Ley de Coulomb.

2.7 Campo eléctrico y analogía campo gravitacional.

2.8 Diferencia de potencial gravitacional y diferencia de potencial eléctrico.

2.9 Formas de producir Fuerza Electro Motriz (FEM).

2.10 Fuentes fijas de Corriente Continua (pilas, acumuladores).

2.11 Corriente electrónica y corriente convencional.

2.12 Circuito eléctrico.

2.13 Analogía hidromecánica. 2

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CAPITULO 2 CORRIENTE Y TENSIÓN 2.1 El átomo y su estructura. 2.2 Formas de representar la estructura atómica. 2.3 Ionización, electrones de valencia. 2.4 Electrón, protón, carga eléctrica.

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http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/modelos.htm http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/13-estructura-del-atomo

Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia. Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.

Materia > Molécula > Átomo

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En el universo todo se compone de materia que puede estar en estado sólido, líquido, o gaseoso, ésta a su vez se compone de elementos que son sustancias que tienen propiedades y características únicas, la parte más pequeña en la que se puede dividir un elemento sin que pierda sus propiedades es llamada átomo.

Átomo

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El tamaño o volumen exacto de un átomo es difícil de calcular, ya que las nubes de electrones no cuentan con bordes definidos, pero puede estimarse razonablemente en 1,0586 × 10–10 m, el doble del radio de Bohr para el átomo de hidrógeno. Si esto se compara con el tamaño de un protón, que es la única partícula que compone el núcleo del hidrógeno, que es aproximadamente 1 × 10–15 se ve que el núcleo de un átomo es cerca de 100.000 veces menor que el átomo mismo, y sin embargo, concentra prácticamente el 100% de su masa.

Dimensiones Átomo

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Radio Átomo

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http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/modelos.htm http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/13-estructura-del-atomo

La evolución de los modelos físicos del átomo se vio impulsada por los datos experimentales. El modelo de Rutherford, en el que los electrones se mueven alrededor de un núcleo positivo muy denso, Bohr partió del modelo de Rutherford pero postuló además que los electrones sólo pueden moverse en determinadas órbitas; El modelo de Schrödinger, que no fija trayectorias determinadas para los electrones sino sólo la probabilidad de que se hallen en una zona, explica parcialmente los espectros de emisión de todos los elementos; sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenómenos espectrales.

MODELOS ATÓMICOS

Ver animación:

http://nea.educastur.princast.es/repositorio/VIDEOS/2_1_nea_colab08_BACH_05%20La%20estructura%20de%20la%20materia%20A.swf

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Los electrones tienen carga eléctrica negativa (-e), los protones la misma, pero positiva (+e), y los neutrones no tienen carga. Los núcleos son por consiguiente positivos. La fuerza fundamental que mantiene a los electrones unidos a su respectivo núcleo es la eléctrica; sabemos que cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se repelen. Los átomos normalmente son eléctricamente neutros, pues el número de electrones orbitales es igual al número de protones en el núcleo.

Cargas del Átomo

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A este número se le denomina número atómico (Z) y distingue a los elementos químicos. Ahora bien, los electrones orbitales se encuentran colocados en capas. La capa más cercana al núcleo es la capa K; le siguen la capa L, la M, la N, etc. Una clasificación de los elementos la constituye la tabla periódica, en que a cada elemento se le asocia su correspondiente Z

Número Atómico

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Elemento Z Número de electrones en la capa

K L M

H (hidrógeno) 1 1

He (helio) 2 2

Li (litio) 3 2 1

Be (berilio) 4 2 2

B (boro) 5 2 3

C (carbono) 6 2 4

N (nitrógeno) 7 2 5

O (oxígeno) 8 2 6

F (flúor) 9 2 7

Ne (neón) 10 2 8

Na (sodio) 11 2 8 1

Mg (magnesio) 12 2 8 2

Al (alumino) 13 2 8 3

Datos Átomo

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Si por algún proceso físico un electrón se separa de su átomo correspondiente, se dice que sucede una ionización. El átomo resultante, ahora con una carga neta positiva, se llama ion positivo, o átomo ionizado. La ionización puede tener lugar en cualquiera de las capas atómicas, denominándose ionización K, L, M, etc. Cuando sucede una ionización de capa interna, como la K, queda un espacio vacante en la capa. El átomo tiene la tendencia entonces a llenar esta vacancia con un electrón de una capa externa. Al suceder esto, hay una emisión de radiación electromagnética (luz visible, rayos ultravioleta, o rayos X)

Ionización Átomo

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Si sucede una ionización en la capa K, un electrón de la capa L llena la vacancia, emitiéndose un fotón.

Ionización Átomo

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Los átomos no se encuentran aislados en la naturaleza, sino que están agrupados formando infinidad de moléculas. Los átomos se unen entre sí por medio de: enlace covalente y enlace iónico. Son los electrones de valencia, aquellos que están localizados en la última capa o nivel de energía de un átomo, los que se enlazan con otros. Se denomina valencia, a la cantidad de electrones que un átomo gana, pierde o comparte cuando se une o enlaza con otros átomos.

Enlaces del Átomo

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La corteza, la que está localizada fuera del núcleo o rodeando a éste, es la que contiene a los electrones. Éstos están dispuestos, organizados o distribuidos en capas, mejor conocidas como niveles de energía, pudiendo haber desde una hasta siete de ellas en los átomos, según sea su clase o tipo de átomo. Las capas difieren en su capacidad para albergar electrones, esto es que, en la primera capa pueden encontrarse uno y hasta dos electrones a lo máximo, en la segunda capa habrán desde uno hasta ocho electrones a lo sumo, etc.

Valencia del Átomo

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Valencia del Átomo

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Isótopos del Átomo

El número de masa A de los núcleos es igual al número total de nucleones (así se llama genéricamente a los neutrones y protones). En otras palabras, A = N + Z, con lo cual se define totalmente de qué núcleo se trata.

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Masa del Átomo

Se define la unidad atómica de masa (u.a.m) como 1/12 de la masa del átomo de 12C, que tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. En estas unidades las masas de las partículas fundamentales resultan ser:

masa del protón = mp = 1.007277 u.a.m. masa del neutrón = mn = 1.008665 u.a.m. masa del electrón = me = 0.000549 u.a.m.

Como se puede ver, la parte importante de la masa de un átomo se debe a los nucleones; los electrones contribuyen poco, siendo la masa del electrón aproximadamente igual a 1/ 1835 de la masa del protón.

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Un mol de una substancia es igual a su peso molecular expresado en gramos. Se sabe que un mol de cualquier material tiene el mismo número de moléculas, a saber, 6.023 X 1023, llamado número de Avogadro. Una u.a.m. equivale a 1.66043 X 10-24 gr, que es precisamente el recíproco del número de Avogadro.

Masa del Átomo

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La masa (m) se puede transformar en energía (E), y viceversa, según la muy conocida ecuación de Einstein:

E = mc², donde c es la velocidad de la luz, 3 X 1010 cm/ seg. Si la masa del isótopo es menor que la suma de las masas de sus componentes, la diferencia de las masas es la energía de amarre del isótopo. Ésta es la energía que se requiere para romper al isótopo en sus componentes.

Energía del Átomo

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La unidad conveniente de energía es el eléctrón-volt (eV), que es la energía adquirida por una partícula con una carga electrónica (e) al ser acelerada en una diferencia de potencial de 1 volt. De acuerdo con la ecuación de Einstein, se puede calcular que 1 u.a.m: (la masa de un nucleón aproximadamente) equivale a 931 MeV, o bien a 1.49 X l0-3 ergs. Si se piensa en el gran número de núcleos que contiene la materia, ésta es una cantidad enorme de energía.

Energía del Átomo

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La carga eléctrica es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga eléctrica. La electricidad estática es una carga eléctrica que se mantiene en estado estacionario (en reposo) sobre un objeto, causada por la pérdida o ganancia de electrones.

Carga eléctrica

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Ley de conservación de cargas , según la cual la suma de las cargas eléctricas positivas menos la de las cargas negativas se mantiene constante. La unidad con que se mide la carga eléctrica es el coulomb (C), en honor a Charles Coulomb, y que corresponde a lo siguiente:

1 Coulomb = 6,25x1018 electrones. Por lo que la carga del electrón es de 1,6x10-19 C. Un cuerpo se carga eléctricamente por un exceso de uno de los dos tipos de carga (+ o – ), lo cual se logra haciendo uso de diferentes procesos, como, el contacto y la inducción.

Carga eléctrica

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CAPITULO 2 CORRIENTE Y TENSIÓN 2.5 Fuerzas de origen eléctrico. 2.6 Ley de Coulomb. 2.7 Campo eléctrico y analogía campo gravitacional. 2.8 Diferencia de potencial gravitacional y diferencia de potencial eléctrico.

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Fuerza eléctrica

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende de el valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

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“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.

Ley de Coulomb

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

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Ley de Coulomb

La fuerza entre dos cargas se calcula como: q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2 d = Distancia de separación entre las cargas Fe = Fuerza eléctrica La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

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Campo Eléctrico

El campo eléctrico es aquella región del espacio en la que cualquier carga situada en un punto de dicha región experimenta una acción o fuerza eléctrica.

Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

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Analogías: Ambos campos son centrales, ya que están dirigidos

hacia el punto donde se encuentra la masa o la carga que los crea.

Son conservativos porque la fuerza central solamente depende de la distancia.

La fuerza central que define ambos campos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Ley de Newton: Dos cuerpos cualesquiera del Universo se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

campo eléctrico y campo gravitatorio

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campo eléctrico y campo gravitatorio

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CAPITULO 2 CORRIENTE Y TENSIÓN 2.9 Formas de producir Fuerza Electro Motriz (FEM). 2.10 Fuentes fijas de Corriente Continua (pilas, acumuladores). 2.11 Corriente electrónica y corriente convencional. 2.12 Circuito eléctrico. 2.13 Analogía hidromecánica.

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El fenómeno de la electrización consiste, en una pérdida o ganancia de electrones. Para que se produzca, los electrones han de tener movilidad. Existen algunos materiales, como los metales, que tienen la propiedad de permitir el movimiento de cargas eléctricas, y por ello reciben el nombre de conductores eléctricos. En cambio, hay otros, como el vidrio, el plástico, la seda, etc., que impiden el movimiento de cargas eléctricas a través de ellos, y por esto reciben el nombre de aisladores o aislantes eléctricos.

Conductores y aisladores

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Un conductor eléctrico es un material que ofrece poca resistencia al paso de la electricidad. Generalmente son aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas.

En mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad.

Conductores

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Los electrones, al moverse a través de un conductor, deben vencer una resistencia; en los conductores metálicos, esta resistencia proviene de las colisiones entre los electrones. La resistencia eléctrica de un conductor se define como la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente a través de él.

Resistencia

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Resistencia

La resistencia eléctrica de un conductor depende de su naturaleza, de su longitud y de su sección. A mayor longitud, mayor resistencia. A mayor sección, menos resistencia.

R = ρ • L/S ρ es una constante que depende del material, llamada resistividad.

Siendo: la resistividad [Ω•mm²/m]; la longitud [m]; sección de la muestra [mm²]

(Ω)

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Las cargas eléctricas en movimiento en un conductor constituyen una corriente eléctrica. La corriente eléctrica es producida por una diferencia de potencial entre dos puntos. Se produce una diferencia de potencial entre dos puntos cuando éstos tienen cargas de diferente signo.

Corriente eléctrica

Conductor

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Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor por unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A). Corresponde al paso de un coulomb de carga cada segundo. C/s (culombios sobre segundo) El instrumento que mide la intensidad es el amperímetro. Se conecta en serie en el circuito a medir.

La intensidad de corriente

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La diferencia de potencial (o tensión) entre dos puntos es la energía que hay que dar a una carga positiva para desplazarla desde un punto al otro. La unidad de medida es el voltio o volt (V). Del mismo modo que se necesita una presión para que circule agua por una tubería, se necesita tensión (fuerza) para que circule la corriente eléctrica por un conductor. El instrumento para medir la diferencia de potencial, tensión o voltaje es el voltímetro. Este se conecta en paralelo en el circuito a medir

Diferencia de potencial

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Par termoeélectrico, Termocuplas. También Efecto piezoeléctrico, etc.

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Material 2

Energía ionizante Energía ionizante

Material 1

+ + + + -

- - -

De electricidad estática a f.e.m

Diferencia de potencial acumulada

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La unidad de resistencia es el ohm (Ω): resistencia que ofrece un conductor cuando por él circula un amper y entre sus extremos hay una diferencia de potencial de un volt.

Ley de OHM

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analogías

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FEM: fuerza electro motriz

El término fuerza electromotriz se utiliza para referirse a la capacidad que tienen algunos dispositivos para movilizar la carga eléctrica. Por ejemplo, las pilas, los acumuladores o baterías de automóvil, el generador o alternador de un automóvil o de una represa hidroeléctrica o de una planta termoeléctrica, las celdas solares, etc.

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Los dispositivos que generan una fem tienen la capacidad de establecer una diferencia de tensión o potencial. Se define también como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga positiva del polo negativo o cátodo al positivo o ánodo, dividido por el valor en Culombios de dicha carga. La fuerza electromotriz(FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado.

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Se relaciona con la diferencia de potencial V, entre los bornes y la resistencia interna r, del generador

mediante la fórmula E=V+Ixr, (el producto Ixr, es la caída de potencial que se produce en el interior del generador a causa de la resistencia óhmica que ofrece al paso de la corriente). La FEM de un generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto.

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Fuentes de energía

Inducción magnética: Ley de Faraday

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http://www.bigs.de/BLH/en/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=65&Itemid=233

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Fuentes de energía

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Fuentes de energía

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Fuentes de energía

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Preguntas

FIN

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