cuaderno fisicaii

Cuaderno de procedimiento para el aprendizaje Física II

Unidad IHidráulica

Propósito:

El estudiante resolverá problemas relacionados con la hidráulica, por medio del uso correcto de sus conceptos y sus modelos matemáticos, aplicados en diversos fenómenos físicos observables en su vida cotidiana, mostrando actitudes de interés científico en un ambiente de cooperación, responsabilidad y respeto hacia sus compañeros.

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1.1Hidrostática.

Objetivo temáticoResolverá problemas de hidrostática, tales como densidad, peso específico, presión, Principio de Pascal y principio de Arquímedes mediante el razonamiento analógico de sus conceptos y modelos matemáticos, y la experimentación aplicada a los principios y leyes de la física

que estudia la

Por medio de la

que estudia que estudia

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HIDRAULICA

HIDROSTÁTICA HIDRODINÁMICA

Los líquidos en reposo

Los líquidos en movimiento

MECANICA DE FLUIDOS


1.1.1 Concepto e importancia del estudio de la hidráulica y su división.

Mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.

La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos o hidrodinámica, que trata de los fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.

Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.

La hidrostática

La hidrostática tiene por objeto, estudiar a los líquidos en reposo. Sus principios se aplican generalmente también a los gases. El término fluido se aplica a los líquidos y gases por que ambos tienen propiedades comunes. No obstante, conviene recordar que un gas puede comprimirse con facilidad, mientras que un líquido es casi incompresible

Actividad 1.1.1

Elabora el siguiente cuestionario en tu cuaderno sobre los conceptos que se verán en este tema, investigado en bibliografía o en Internet y al final compara tus respuestas con las de tus compañeros y coméntalas.

Explique qué estudia la hidrostática.

1. ¿Qué se entiende por fluido?

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2. Explique las siguientes características de los fluidos: viscosidad, tensión superficial, cohesión, adherencia y capilaridad.

3. Defina el concepto, la fórmula y las unidades de: densidad y peso especifico

4. Explique cómo se determina la densidad de un líquido usando un densímetro

5. ¿Cuál es el concepto de presión? Escriba también su fórmula y unidades

6. Explique qué origina la presión hidrostática y cómo se calcula su magnitud.

7. ¿Qué ocasiona la presión atmosférica y cómo varía respecto a la altura

8. Defina los siguientes conceptos: presión manométrica y presión absoluta

9. Enuncie el principio de pascal.

1.1.2 Características de los líquidos

Las características de los líquidos son las siguientes:

Viscosidad. Es una medida de resistencia que opone un líquido a fluir.

Tensión superficial. Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre las moléculas de un líquido.

Cohesión. Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.

Adherencia. Es la fuerza de atracción que se manifiesta entre una molécula de dos sustancias diferentes cuando se ponen en contacto. Comúnmente las sustancias líquidas se adhieren a los cuerpos sólidos.

Capilaridad. Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si son tubos muy delgados llamados capilares.

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Actividad 1.1.2 (créditos)Identificando el fenómeno de tensión superficial.

Necesitaras el siguiente material:

Botellas de boca pequeñaColadorAguaAceiteAlcohol de caña

En tu casa realiza la siguiente actividad:

1. Llena una botella de boca pequeña con agua corriente hasta tres cuartas partes de su capacidad.

2. Inviértela sobre un colador3. Observa que sucede con el agua4. Repite la actividad usando caña de alcohol y aceite y otras botellas de

diferentes formas.

Anota las observaciones para cada caso indicado:

Sustancia ObservacionesAgua

Aceite

Alcohol

Botellas de diferentes formas

Responde el cuestionario

1. ¿Como se llama la fuerza que origina la tensión superficial?

2. ¿Se puede apreciar que sustancias tienen mayor tensión superficial?

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3. Si varias el tamaño del colador, ¿habrá diferencias en el resultado de las observaciones?

4. Menciona 5 fenómenos en los que se observe la tensión superficial.

5. Como se puede romper la tensión superficial en el agua?

1.1.3 Densidad y peso específico.

Densidad de una sustanciaLa densidad de una sustancia (ρ), expresa la masa contenida en la unidad de volumen. Su valor se determina dividiendo la masa de la sustancia entre el volumen que ocupa:

. en kg/m3

El peso específicoEl peso específico de una sustancia se determina dividiendo su peso entre el volumen que ocupa:

en N/m3

La ecuación que relaciona a la densidad con el peso específico es:

Actividad 1.1.3 (clases)Resuelve en tu cuaderno los problemas que se presentan

1. 0.5 kg de alcohol etílico ocupan un volumen de 0.000633 m3. Calcular: a) ¿Cuál es su densidad?, b) ¿Cuál es su peso específico?

2. calcular la masa y el peso de 15,000 litros de gasolina. Densidad de la gasolina = 700 kg/m3

3. Cual es la densidad de un aceite, cuyo peso específico es de 8967 N/m3

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4. ¿Cuál es el volumen, en metros cúbicos y en litros, de 3000 N de aceite de oliva, cuyo peso específico es de 9016 N/m3

1.1.4 Presión, presión hidrostática, presión atmosférica y presión manométrica

Actividad 1.1.4.1 Puntos para reflexionar (clases)Resuelve las siguientes preguntas y coméntalas con tus compañeros.

¿Por qué los elefantes, a pesar de ser pesados dejan huellas apenas perceptibles en un terreno seco?

¿Qué harías para ejercer presiones pequeñas, por ejemplo para caminar sobre la nieve y no hundirse?

¿Qué hacen los constructores en los cimientos para disminuir la presión sobre el suelo?

Presión.

Cuando un objeto se coloca encima de otros se produce una presión debido al peso del cuerpo que este sobre el área de un objeto que se encuentra en la parte inferior. Una misma fuerza podrá producir diferentes presiones, según el área sobre la cual actué. Por ello el cuchillo y las tijeras deben estar bien afilados para cortar, ya que el área sobre la cual se aplicara la fuerza será muy pequeña, logrando una presión muy intensa.

La presión indica la relación que hay entre una fuerza aplicada y el área sobre la que actúa:

Presión hidrostática (Ph).

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Es la que ejerce todo líquido contenido en un recipiente sobre el fondo y las paredes del mismo. Ello debido a la fuerza que el peso de las moléculas ejerce sobre un área determinada. La presión hidrostática en cualquier punto puede ser calculada multiplicando el peso específico del líquido por la altura que hay desde la superficie libre del líquido al punto considerado:

ó Presión hidrostática

Densidad del líquido en kg/m3

Peso específico del líquido en N/m3

Aceleración de la gravedad en m/s2

Altura de la superficie libre al punto en metros (m)

La presión hidrostática en cualquier punto de un recipiente no depende de la forma de éste ni de la cantidad de líquido que contiene, sino únicamente, del peso específico y de la altura que hay del punto considerado a la superficie libre del líquido.

Presión atmosférica

La Tierra está rodeada por una capa de aire llamada atmósfera, que por su peso ejerce una presión sobre todos los cuerpos que están en contacto con ella, llamada presión atmosférica. Dicha presión varía con la altura, por lo que, al nivel del mar se tiene el máximo valor de ella llamada presión normal y que equivale a:

1 atmósfera = 760 mm de Hg = 1.013 X 105 N/m2.

A medida que es mayor la altura sobre el nivel del mar, la presión atmosférica disminuye. En la ciudad de México su valor es de 586 mm de Hg equivalente a: 0.78 x 105 N/m2

La presión atmosférica no puede calcularse fácilmente, pero si medirse utilizando un barómetro, instrumento que sirve para determinar experimentalmente la presión atmosférica.

Presión manométrica.

Un líquido contenido en un recipiente abierto, además de la presión originada por su peso, soporta la presión atmosférica, la cual se trasmite uniformemente por todo el volumen del líquido. La presión diferente a la atmosférica recibe el nombre de presión manométrica. De donde la presión absoluta soportada por el fluido encerrado es igual a la suma entre las presiones manométrica y atmosférica.

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La presión manométrica es igual a la diferencia entre la presión absoluta del interior del recipiente y la presión atmosférica.

Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica

Presión manométrica = presión absoluta – presión atmosférica

Actividad 1.4.1.2 (clases)Resuelve en tu cuaderno los problemas siguientes y compáralos con los de tus compañeros

1. Sobre un líquido encerrado en un recipiente se aplica una fuerza de 60 N mediante un pistón de área igual a 0.01 m2, ¿Cuál es el valor de la presión?

2. Calcular la fuerza que debe aplicarse sobre un área de 0.3 m2 para que exista una presión de 420 N/m2

3. Calcular la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 5 m de profundidad, si la densidad del agua es de 1000 kg/m3

4. Calcular la profundidad a la que se encuentra sumergido un submarino en el mar, cuando soporta una presión hidrostática de 8 x 106 N/m2. la densidad del agua de mar es de 1020 kg/m3.

5. Se bombea agua con una presión de 25 x 104 N/m2. ¿Cuál será la altura máxima a la que se puede subir el agua por la tubería si se desprecian las pérdidas de presión?

6. Para medir la presión atmosférica del interior de un cilindro con gas se utilizó un manómetro de tubo abierto. Al medir la diferencia entre los dos niveles de mercurio se encontró un valor de 15 cm de Hg. Determinar la presión absoluta que hay dentro del cilindro en: a) mm de Hg, b) cm de Hg, c) N/m2.

Ejercicios extraclases (créditos)

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1. 1500 kg de plomo ocupan un volumen de 0.13274 m3. ¿cuanto vale su densidad?

2. Cual es la presión que se aplica sobre un líquido encerrado en un tanque, por medio de un pistón que tiene un área de 0.02 m2 y aplica una fuerza de 100 N.

3. Determine la presión hidrostática que existirá en una prensa hidráulica a una profundidad de 3 y 6 m, respectivamente.

4. Al medir la presión manométrica con un manómetro de tubo abierto se registro una diferencia de alturas de 7 cm de Hg. ¿Cuál es el valor de la presión absoluta?

1.1.5 Principio de Pascal

Las leyes de la mecánica de fluidos pueden observarse en muchas situaciones cotidianas. Por ejemplo, la presión ejercida por el agua en el fondo de un estanque es igual que la ejercida por el agua en el fondo de un tubo estrecho, siempre que la profundidad sea la misma (ver figura 1.5.1.1). Si se inclina un tubo más largo lleno de agua de forma que su altura máxima sea de 15 m, la presión será la misma que en los otros casos (izquierda).

Fig. 1.1.5.1

El Principio de Pascal establece que: Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente, se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que los contiene.

La prensa hidráulica es una de las aplicaciones del principio de pascal. Consta esencialmente de dos cilindros de diferentes diámetros, cada uno con su respectivo embolo, unidos por medio de un tubo de comunicación. En una prensa hidráulica, una fuerza pequeña actuando sobre el émbolo menor, produce una gran fuerza sobre el émbolo mayor. Su expresión matemática es:

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Donde F = Fuerza obtenida en el embolo mayor en newtonF = Fuerza obtenida en el embolo menor en newtonA = Área en el embolo mayor en metros cuadradosA = Área en el embolo menor en metros cuadrados

La prensa hidráulica que se utiliza para levantar cuerpos pesados, para comprimir algodón o tabaco y para extraer aceites y jugos de semillas y frutas. Los frenos hidráulicos de los automóviles también se basan en el principio de Pascal.

Fig. 1.1.5.2 prensa hidráulica, usadaen las estaciones de servicio, paralevantar automóviles

Actividad 1.1.5.1 Ejercicios (clases)Resolver los problemas planteados en tu cuaderno

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1. ¿Que fuerza se obtendrá en el embolo mayor de una prensa hidráulica cuya área es de 100 cm2, cuando en el émbolo menor de área igual a 15 cm2 se aplica una fuerza de 200 N?

2. Calcular la fuerza que se obtendrá en el émbolo mayor de una prensa hidráulica de un diámetro de 20 cm, si en el embolo menor de 8 cm de diámetro se ejerce una fuerza de 150 N

3. Calcular el diámetro que debe tener el embolo mayor de una prensa hidráulica para obtener una fuerza de 2000 N, cuando el embolo menor tiene un diámetro de 10 cm y se aplica una fuerza de 100 N

1.1.6 Principio de Arquímedes

Al sumergirse parcial o totalmente en un fluido, un objeto es sometido a una fuerza hacia arriba, o empuje. El empuje es igual al peso del fluido desplazado. Esta ley se denomina principio de Arquímedes, por el científico griego que la descubrió en el siglo III antes de nuestra era

El principio de Arquímedes dice:

"Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado".

Para que un cuerpo flote en cualquier fluido, su densidad promedio debe ser menor a la densidad del fluido. El empuje que recibe un cuerpo sumergido en un líquido se determina multiplicando el peso específico (Pe) del líquido por el volumen de éste, que ha sido desalojado:

E = Pe V

Algunas aplicaciones del principio de Arquírnedes son flotación de: barcos, submarinos, salvavidas, densímetros o en los flotadores de las cajas de los inodoros.

Actividad 1.6.1.1 Ejercicios (clases)

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1Un cubo de acero de 20 cm de arista se sumerge totalmente en agua. Si tiene un peso de 564.48 N, calcular:

a) el empuje que recibe.b) el peso aparente del cubo

2Un prisma rectangular de cobre, de base igual a 35 cm2 y una altura de 10 cm, se sumerge hasta la mitad, por medio de un alambre, en un recipiente que contiene alcohol (densidad = 790 kg/m3).

a) ¿Qué volumen de alcohol desaloja?b) ¿Qué empuje recibe?c) Cual es el peso aparente del prisma debido al empuje, si su peso

real es de 31.36 N?

Ejercicios extractases (créditos)

1. Calcular la fuerza que debe aplicarse en el embolo menor de una prensa hidráulica de 10 cm2 de área, si en el embolo mayor con un área de 150 cm2 se produce una fuerza de 10 500 N.

2. ¿Cuál será la fuerza que se producirá en el embolo mayor de una prensa hidráulica, cuyo diámetro es de 40 cm, si en el embolo menor de 12 cm de diámetro se ejerce una fuerza de 250 N.

3. Calcular el diámetro del embolo menor de una prensa hidráulica, para que con una fuerza de 400 N se produzcas en el embolo mayor, cuyo diámetro es de 50 cm, una fuerza de 4 500 N.

4. Un cubo de madera de 8 cm de arista flota en el agua con el 80 % de su volumen sumergido. Determina el empuje que recibe.

1.3Hidrodinámica

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Objetivo temático:Resolverá problemas de aplicación práctica de hidrodinámica, como es el caso de: gasto, flujo, ecuación de continuidad y teorema de Bernoulli, mediante el análisis y razonamiento inductivo de sus conceptos, principios,

1.3.1 Concepto de hidrodinámica y sus aplicaciones

La hidrodinámica es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento. Para ello considera entre otras cosas la velocidad, el flujo, la viscosidad y el gasto de un líquido. La hidrodinámica investiga de manera fundamental los fluidos incompresibles, es decir, los líquidos, pues su densidad prácticamente no varía cuando cambia la presión que se ejerce sobre ellos.

la hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos.

Sus aplicaciones se observan en el diseño de canales, puertos, presas, cascos de los barcos, hélices, turbinas y ductos en general.

Para facilitar el estudio de los líquidos en movimiento, generalmente se hacen las siguientes suposiciones:

1. Los líquidos son completamente incompresibles2. Se considera despreciable su viscosidad es decir supone que los liquidos

son ideales y por ello no presentan resistencia al flujo.3. Se supone que el flujo de los líquidos es estacionario o de régimen

estable.

Actividad 1.3.2 Valoración inicial (clases)

¿Qué sabes acerca del gasto y como lo sabes? Resuelve el siguiente cuestionario en tu cuaderno

1. ¿Cómo podrías medir el gasto de agua de una de las llaves que suministra agua en tu casa? Explica.

2. ¿Cual es el consumo o gasto de combustible (gas) en tu casa? Explica.

3. ¿A que se debe que las regaderas tengan muchos orificios pequeños y no solo un orificio grande? Explica.

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4. Las arterias de personas con alto nivel de colesterol se obstruyen. ¿Qué sucede con el flujo de sangre en su cuerpo y como repercute en su salud? Explica.

1.3.4 Gasto flujo y ecuación de continuidad

GastoEl gasto de un líquido se define como la relación entre el volumen de un líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir:

Donde: tiempo que tarda en fluir el líquido en segundos

El gasto también se calcula multiplicando la velocidad que lleva el líquido por el área de la sección transversal de la tubería:

Donde: área de la sección transversal del tubo en m2

velocidad del líquido en m/s

FlujoEl flujo de un líquido se define como la cantidad de masa de líquido que fluye a través de una tubería en un segundo.

Donde: flujo del líquido en kg/smasa del líquido que fluye en kg

tiempo que tarda en fluir el líquido en segundos

La relación entre el flujo y el gasto se tiene con la expresión

Ecuación de continuidad.La ecuación de continuidad establece que la cantidad de líquido que pasa por un punto de una tubería, es la misma que pasa por cualquier punto de la misma:

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G1 = G2 o bien, Alvl = A2v2

Actividad 1.3.2 Ejercicios (clases)Resolver los ejercicios siguientes en tu cuaderno.

1. Calcular el gasto de agua por una tubería al circular 1.5 m3 en ¼ de minuto

2. Calcular el tiempo que tardará en llenarse un tanque cuya capacidad es de 10 m3 al suministrarse un gasto de 40 l/s

3. Calcular el gasto de agua por una tubería de diámetro igual a 5.08cm, cuando la velocidad del líquido es de 4 m/s

4. Determinar el diámetro que debe tener una tubería, para que el gasto de agua sea de 0.3 m3/s a una velocidad de 8 m/s

5. Por una tubería fluyen 1 800 litros de agua en un minuto calcular el gasto y el flujo.

6. Por una tubería de 3.81 cm de diámetro circula agua a una velocidad de 3 m/s. en una parte de la tubería hay un estrechamiento y el diámetro es de 2.54 cm, ¿qué velocidad llevará el agua en ese punto?

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7. Determine el gasto del petróleo crudo que circula por una tubería de área igual a 0.05 m2 de su sección transversal y la velocidad del líquido es de 2 m/s

8. A un tanque lleno de agua de 3 m de alto se le ha instalado un tubo de 38 mm de diámetro en la parte inferior. ¿Cuál es la velocidad del agua que fluye por el? ¿Cuál es el gasto? Si al tubo se le instala una reducción de 13 mm, ¿Cuál es la velocidad del agua en la reducción?

1.3.3 Teorema de Bernoulli y sus aplicaciones.

Daniel Bernoulli estudió el comportamiento de los líquidos y descubrió que la presión de un líquido que fluye por una tubería es baja si su velocidad es alta y la presión es alta si su velocidad es baja. Con ello demostró que la Ley de la Conservación de la Energía también se cumple cuando los líquidos están en movimiento. Con base en sus estudios, Bernoulli enuncio el teorema:

“En un líquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión que tiene el líquido en un punto, es igual a la suma de estas energías en otro punto cualquiera”.

Aplicaciones del teorema de Bernoulli

Teorema de Torricelli.Una aplicación del teorema de Bernoulli es la hecha por el físico italiano Evangelista Torricelli, quien encontró una ecuación que permite calcular velocidad de salida de un líquido a través de un orificio en un recipiente:

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http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=teorema+de+torricelli&source=images&cd=&docid=mGk4FuWWWgQe7M&tbnid=ToEJYDVj77WcNM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fbachifisik.blogspot.com%2F2011%2F07%2Fflujo-turbulento-y-flujo-laminar-el.html&ei=AkI2UaPqCdO1qQH9m4H4Dg&bvm=bv.43148975,d.aWc&psig=AFQjCNElMJJ0sdYzWmoTyOcRXNKipe5LXQ&ust=1362596407730897%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


Torricelli enunció su teorema en los siguientes términos:

“La velocidad con la que sale un líquido por el orificio de un recipiente, es igual a la que adquiriría un cuerpo que se dejara caer libremente desde la superficie libre del líquido hasta el nivel del orificio”.

Tubo de pitotPara medir la velocidad de la corriente de un río se usa el llamado tubo de Pitot, cuya forma es la de una L. Para ello, el tubo se introduce en la corriente y según la altura que alcanza el agua, la velocidad se calcula con la expresión:

Tubo de VenturiOtra aplicación del teorema de Bernoulli se tiene en el llamado tubo de Venturi; dicho dispositivo se emplea para medir la velocidad de un líquido que circula a presión dentro de una tubería. Su funcionamiento se basa también en el teorema de Bernoulli. Dicho tubo tiene un estrechamiento y cuando el agua pasa por esta sección aumenta su velocidad pero disminuye su presión.

Sustento de vuelo de aviones

Otra aplicación interesante del teorema de Bernoulli se tiene en la fuerza de sustentación que permite el vuelo de los aviones. Las alas de los aviones están diseñadas para que obliguen al aire a fluir con mayor velocidad sobre la

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http://www.google.com.mx/imgres?q=tubo+de+pitot&start=178&hl=es-419&biw=1188&bih=585&tbm=isch&tbnid=NdCKQsTaT1Q1HM:&imgrefurl=http://www.spare.it/pr_tfl_a.htm&docid=g4x0I9t6HhIzxM&imgurl=http://www.spare.it/pitot_f2.gif&w=456&h=310&ei=5kI2UYHpJOnVyQHw0IGQAg&zoom=1&ved=1t:3588,r:83,s:100,i:253&iact=rc&dur=2226&sig=103155763635173004035&page=12&tbnh=168&tbnw=247&ndsp=23&tx=116.86962890625&ty=90.73915100097656%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://www.google.com.mx/imgres?q=tubo+de+pitot&start=178&hl=es-419&biw=1188&bih=585&tbm=isch&tbnid=YHtQWj1Q0dvdqM:&imgrefurl=http://www.wirgilio.it/blog/2010/03/15/un-rudimentale-tubo-di-pitot/&docid=rP46aH-l5A8MPM&imgurl=http://www.wirgilio.it/blog/wp-content/uploads/2010/03/pitottube.jpg&w=640&h=480&ei=5kI2UYHpJOnVyQHw0IGQAg&zoom=1&ved=1t:3588,r:84,s:100,i:256&iact=rc&dur=1306&sig=103155763635173004035&page=12&tbnh=177&tbnw=201&ndsp=23&tx=90.60870361328125&ty=61.913055419921875%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://www.google.com.mx/imgres?q=tubo+de+venturi&hl=es-419&biw=1188&bih=585&tbm=isch&tbnid=XDpJFvJG3jw4VM:&imgrefurl=http://musikadisco.com/videos/ver/Venturi-y-Bernoulli%3BNKZYSlc8eok&docid=Pvq6QuvB6qCE2M&imgurl=http://i3.ytimg.com/vi/drsRsQQtsms/0.jpg&w=480&h=360&ei=nx42UdyCPMjkywGl4YG4AQ&zoom=1&ved=1t:3588,r:53,s:0,i:311&iact=rc&dur=1669&sig=103155763635173004035&page=5&tbnh=166&tbnw=246&start=51&ndsp=18&tx=143.391357421875&ty=48.2174072265625%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


superficie superior que sobre la inferior, por lo que la presión sobre esta última es mayor que sobre la superior (fig. 1.2.3.1) Esta diferencia de presión proporciona la fuerza de sustentación que mantiene al avión en vuelo.

Fig. 1.2.3.1 Perfil aerodinámico de un avión.

Actividad 1.2.3.1 Demostración del Teorema de Bernoulli

Tome una tira de papel como se observa la figura, sople fuertemente sobre esta y observe que al soplar sobre la hoja se forma una corriente de aire, por lo que al aumentar la velocidad de este, disminuye la presión sobre la tira de papel y la presión atmosférica empuja la tira de papel hacia arriba.

Ejercicios extractase (créditos)

1. Calcular el gasto de agua por una tubería, así como el flujo, al circular 4 m3 en 0.5 minutos

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2. Para llenar un tanque de almacenamiento de gasolina se envió un gasto de 0.1 m3/s durante un tiempo de 200 segundos. ¿Qué volumen tiene el tanque?

3. Calcular el tiempo que tardará en llenarse una alberca, cuya capacidad es de 400 m3 si se alimenta recibiendo un gasto de 10 l/s.

4. Cual es el gasto de agua de una tubería que tiene un diámetro de 3.81 cm, cuando la velocidad del líquido es de 2 m/s.

5. Calcular el diámetro que debe tener una tubería, para que el gasto sea de 0.02 m3/s a una velocidad de 1.5 m/s

6. Por una tubería de 5.08 cm de diámetro, circula agua a una velocidad de 1.6 m/s. calcular la velocidad que llevará el agua, al pasar por un estrechamiento de la tubería donde el diámetro es de 4 cm.

7. Determinar la velocidad con la que sale un líquido por un orificio localizado a una profundidad de 2.6 m en un tanque de almacenamiento.

8. para medir la velocidad de la corriente en un río, se introduce en el un tubo de Pitot, la altura a la que llega el agua dentro del tubo es de 0.2 m. ¿A que velocidad va la corriente.

Autoevaluación de la unidad I

1. Parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos.

______________________________________

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2. La hidrostática se fundamenta en principios de físicos como:

_______________________ y ______________________

3. Están constituidos por gran cantidad de minúsculas partículas de materia, estas se deslizan unas sobre otras en los líquidos y en los gases se mueven sueltas.

___________________________________________________________

4. Esta característica de los fluidos hace que la superficie de un líquido se comporte como una finísima membrana elástica, y se presenta debido a la atracción de las moléculas del líquido.

___________________________________________________________

5. ___________________, es la fuerza que mantiene unida a las moléculas de una misma sustancia, mientras que _________________, es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancia diferentes.

6. Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si son tubos muy delgados llamados capilares.

___________________________________________________________

7. Propiedad que expresa la masa de una sustancia contenida en la unidad de volumen.

___________________________________________________________

8. Propiedad que se determina al dividir el peso de una sustancia entre el volumen que ocupa.

___________________________________________________________

9. Indica la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa

___________________________________________________________10.Es aquella que origina todo líquido sobre el fondo y las paredes del

recipiente que los contiene.

___________________________________________________________

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11.Tipo de presión que ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos que están en contacto con ella y que para medirse se utiliza un aparato llamado barómetro.

___________________________________________________________

12.Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado. El principio corresponde a:

___________________________________________________________

13.Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento.

___________________________________________________________

14.De acuerdo al estudio de los líquidos en movimiento conteste falso o verdadero las siguientes suposiciones

I Los líquidos son completamente incompresibles. ( )II Se considera despreciable la viscosidad de estos, es decir, se supone

que los líquidos son ideales. ( )III El flujo de los líquidos se supone estacionario o de régimen estable.

( )

15.Es la cantidad de masa del líquido que fluye a través de una tubería en un segundo.

___________________________________________________________

16.El siguiente enunciado: “en un liquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión que tiene el liquido en un punto, es igual a la suma de estas energías en otro punto cualquiera”, corresponde al:

___________________________________________________________

17.El teorema de Torricelli y el tubo de Venturi son aplicaciones del teorema de:

__________________________________________________________

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Unidad IICalor y temperatura

Propósito:

El estudiante diferencia entre el calor y la temperatura, los efectos del calor sobre los cuerpos, por medio del razonamiento inductivo-deductivo de sus conceptos y aplicaciones de técnicas y/o métodos experimentales y leyes, mostrando interés científico y respondiendo en aplicaciones de dichos conocimientos, en un ambiente de respeto y armonía con sus compañeros y el medio ambiente.

Diferencia entre calor y temperatura

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La sensación de calor o frío está estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana; sin embargo, ¿qué es calor? En el siglo XVII los físicos lo consideraban un fluido invisible sin sabor, olor ni peso; lo llamaban calórico y de él solo conocían sus efectos: cuanto más caliente estaba un objeto, más fluido o calórico tenía. Cuando el calórico fluía a una sustancia, ésta se expandía debido a que ocupaba un lugar en el espacio, y cuando el calórico salía la sustancia se enfriaba y se contraía. Finalmente, considerando que el calórico no podía ser creado ni destruido, razón por la cual no era posible formarlo a partir de alguna cosa ni podía ser destruido por otra.

A fines del siglo XVIII Benjamin Thompson descubrió que al barrenar un cañón, la fricción produce calor. Luego, Joule demostró que cuando se proporciona energía, ya sea por fricción, corriente eléctrica o radiación o cualquier otro medio, para producir trabajo mecánico, éste puede ser transformado en una cantidad equivalente de calor. Actualmente se interpreta el calor como una energía en tránsito que fluye de objetos a mayor temperatura, a objetos de menor temperatura.

Cuando tocamos un objeto lo podemos sentir caliente o frío según la temperatura que tenga, así como de la capacidad que tenga para conducir calor. Nuestro organismo no detecta la temperatura sino pérdidas o ganancias de calor. Si sentimos que un objeto está muy frío es porque nuestro organismo le está trasmitiendo mucho calor.

La temperatura es una magnitud física que nos indica que tan caliente o fría esta una sustancia y se mide con un termómetro.

La temperatura y el calor están muy ligados, pero no son lo mismo. Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frío según la temperatura que tenga así como de su capacidad para conducir calor. Es por ello que, si se coloca sobre una mesa un bloque de madera y una placa de metal, al tocar la placa de metal la siente más fría por que conduce mejor el calor de su cuerpo que la madera, no obstante, los dos tienen la misma temperatura. La magnitud física que indica que tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón es la temperatura.

La temperatura de un cuerpo o sistema es una propiedad intensiva, ya que no depende de la cantidad de materia ni de su naturaleza, sino del ambiente en el que se encuentre. Por tanto, una piedra, o trozo de madera o metal, etc,; que se localizan en un mismo lugar, por ejemplo en una habitación, tendrán la misma temperatura.

Sin embargo la temperatura si depende del estado de agitación o movimiento desordenado de las moléculas, o sea, del valor de la energía cinética media o promedio de las moléculas del cuerpo o sistema. Por ello se considera que sus moléculas no tendrían energía cinética trasnacional a la temperatura denominada “cero absoluto” y que corresponde –273 0C.

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Medición de la temperatura.

Para medir la temperatura se utiliza el termómetro. Su funcionamiento se basa en el hecho que se presenta cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura, es decir después de cierto tiempo alcanzan la misma temperatura, es decir, están en equilibrio térmico. Un termómetro es un instrumento común que mide la temperatura por medio de la dilatación y contracción de una sustancia, producidas por un cambio de temperatura. Por lo general, esta sustancia es mercurio, pero existen termómetros con otro tipo de sustancia.357 0C a -39 0C Mercurio-390C a -130 0C AlcoholMenos de -130 0C Tolueno o éteres de petróleo.

Escalas de temperatura

Escala Celsius.

Es la más ampliamente utilizada en trabajos científicos y se basa en la escala establecido por el astrónomo sueco Andrés Celsius (1701-1744). Ésta la ideó tomando dos puntos como referencia, la fusión del hielo como punto fijo inferior y a la cual le dio el número cero y otro punto fijo superior al cual le dio valor de 100. Celsius relacionó estos dos puntos y los dividió en 100 partes iguales, de ahí que también reciban el nombre de centígrados.

Escala Fahrenheit.

Esta fue desarrollada en 1714 por Gabriel Daniel Fahrenheit. El desarrollo de esta escala se basó en la elección de ciertos puntos fijos. Fahrenheit escogió la temperatura de una solución congelada de agua con sal de amonio como su punto fijo inferior y se le asigno el número 0 (0 0F). El punto fijo superior lo escogió tomando como base la temperatura del cuerpo humano y le asigno 96 ( 96 0F). Entre ambos puntos marco 96 divisiones iguales. Si se

relaciona la escala Fahrenheit con los puntos fijos aceptados universalmente de la escala Celsius se observa que 0 0C y 100 0C corresponden a 32 0F y 212 0F respectivamente.

Escala Kelvin (Absoluta).

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Otra escala fue ideada por el gran físico inglés Lord Kelvin, dicha escala surgió de la discusión relacionada con las temperaturas mínimas que puede alcanzar un cuerpo. Las escalas Celsius y Fahrenheit tienen una limitación. Ni 0°C ni 0°F representan una temperatura real de cero. En consecuencia, para temperaturas mucho más baja que las del punto de congelación resulta una temperatura negativa. Kelvin utilizó la escala Celsius y le asignó -273°C a la temperatura, donde en teoría se supone,

que no existe movimiento alguno de partículas y le asigno cero grados absolutos y por consiguiente 0°C equivale a 273° K (Kelvin), también llamados así en honor de su creador.

Escala Rankine.

La escala de temperatura Rankine, es una escala de temperatura absoluta propuesta en 1859 por William Rankine y que en la actualidad prácticamente no se utiliza. Su símbolo es “°R”. Tiene su punto cero absoluto en -460 °F y los intervalos de grados son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit, por lo que 1 °F es igual a 1 °R.

Conversión de temperaturas de una escala a otra

Aunque la escala kelvin es la usada por el SI para medir temperatura, aún se emplea la escala Celsius o centígrada y la escala Fahrenheit, y como ya señalamos, de manera limitada, la Rankine, por tanto, es conveniente manejar sus equivalencias de acuerdo a las siguientes expresiones:

1. Para transformar de grados Celsius a Kelvin

0K = 0C + 273

2. Para transformar de grados Kelvin a Celsius

0C = 0K - 273

3. Para transformar de grados Celsius a Fahrenheit

0F = 1.8 0C + 32

4. Para transformar de grados Fahrenheit a Celsius

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5. Para transformar de grados Fahrenheit a grados Rankine:

OR = OF + 460

Actividad. Ejercicios (clases)

Transformar las temperaturas siguientes, como se indica:

a) 50 0C a 0K

b) 380 0K a 0C

d) 130 0F a 0C

e) 0 0K a 0F

f)) -250 0F a 0K

g) 0 0C a 0F

i) 85 0F a 0R

j) 320 0R a 0F

Actividad 2.

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Resolver:

1. Un riel de acero cambia de temperatura de 20 0F por la noche a 70 0F al mediodía. Exprese este rango de temperatura en 0C

2. Una muestra de gas se enfría de -120 0C a -180 0C exprese la variación de temperatura en grados Kelvin y en grados Fahrenheit.

3. Un trozo de carbón vegetal que estaba inicialmente a 180 0F experimenta una disminución de temperatura de 120 0F. Exprese este cambio de temperatura en grado Celsius. Cuál es la temperatura final en la escala Celsius?

4. A que temperatura la escala Celsius y la escala Fahrenheit coinciden en una misma lectura numérica.

Calor y unidades

Hemos visto que al calor se le denomina como la transferencia de energía de una parte a otra o de un cuerpo o entre distintos cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas. El calor es una energía en tránsito y siempre fluye de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura.

Actualmente, los físicos señalan que un cuerpo no posee calor, sino que tiene energía interna, de tal manera que el calor es esa energía calorífica que se transfiere de los cuerpos que están a mayor temperatura a los de menor temperatura, hasta que los cuerpos tienen la misma temperatura. Después de que la transferencia de calor a un cuerpo o sustancia cesa, ya no se le denomina calor y se le interpreta como la energía interna del cuerpo o sustancia de la que se trate.

La energía interna de un cuerpo o sustancia, se define como la suma de las energías cinética y potencial de todas las moléculas individuales que lo constituyen.

El calor es la magnitud física o parámetro que describe las interacciones de un sistema con otro, dado que corresponde a la cantidad de energía que se transfiere de un sistema a otro.

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El calor es una forma de energía llamada energía calorífica. Por tanto, las unidades para medir el calor son las mismas del trabajo mecánico y la energía:

El Joule (J). 1J = 1 x 107 erg

Aunque existen las unidades anteriores, aun se utilizan unidades como las calorías y el Btu que a continuación describiremos.

Caloría. Es la cantidad de calor aplicada a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado centígrado. Una kilocaloría es igual a 1000 calorías

1 kcal = 1000 cal

Btu (Unidad Térmica Británica). Es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua para que eleve su temperatura un grado Fahrenheit.

1 Btu = 252 cal = 0.252 Kcal

Equivalencias Joule - calorías

1 J = 0.24 cal 1 cal = 4.2 J

Actividad 2.Manejo del concepto de calor y temperatura (clases)

Lee el siguiente relato y subraya la información que consideres relevante

Al regresar del colegio, Luis le dijo a su mamá que se sentía “mal”. Ella, al tocarle la frente, se dio cuenta que tenía fiebre. Colocó un termómetro debajo de la axila de su hijo para medir su temperatura y al retirarlo leyó 39.5 0C. Luis decidió acostarse y su mamá encender el vaporizador. Al quitarse los calcetines, Luis colocó un pie sobre el tapete y el otro sobre el mosaico; sintió el piso mas frío que el tapete. Antes de llamar al médico su mamá le dio una “friega de alcohol”.

Marca el código V = verdadero o F = falso en la columna de la derecha, según corresponda a la respuesta adecuada en la columna de la izquierda.

a) Si Luis se toca la frente no puede percibir si tiene fiebre

b) Su mama pudo percibir que tenia fiebre por que tienen temperaturas diferentesc) El termómetro es un instrumento para medir la temperatura

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d) Durante el tiempo que el termómetro estuvo debajo de la axila de Luis, algo de energía se transfirió del termómetro a Luise) La temperatura del piso y del tapete es la misma

f) El piso del mosaico condujo mejor el calor que el tapete

g) El alcohol tiene la temperatura del medio

h) El vaporizador genera corrientes de convección en la habitación.

i) El cuerpo de Luis sede energía al alcohol

j)La evaporación del alcohol es un proceso de enfriamiento

Mecanismos de transferencia de calor

Si dos cuerpos se ponen en contacto y no manifiesta tendencia a calentarse o enfriarse, es por que su temperatura y, por tanto la energía cinética media de sus moléculas es igual; pero cuando diversas partes de un mismo cuerpo, o varios cuerpos en contacto, están mas calientes, todos tenderán a alcanzar la misma temperatura y el calor se propagará de un punto a otro.Este calor que se propaga de los cuerpos mas calientes a los mas fríos, puede hacerlo de tres maneras:

a) Conducción. Es la forma de propagación del calor a través de un cuerpo sólido, debido al choque entre sus moléculas; por ejemplo, cuando se somete el extremo de una varilla al fuego, al cabo de cierto tiempo el otro extremo también se calienta, debido a que las moléculas vibran con mayor intensidad, es decir con mayor energía cinética.

b) Convección. Es la propagación de calor ocasionada por el movimiento de la sustancia caliente. El calentamiento en líquidos y gases es por convección.

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c) Radiación. Es la propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas esparcidas, incluso en el vacío a una velocidad de 300 000 km/s

Dilatación térmica de los cuerpos

Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los objetos, pues la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. El agua y el hule manifiestan un comportamiento contrario. Los gases se dilatan mucho mas que los líquidos y estos más que los sólidos.

Cuando se incrementa la temperatura de una sustancia, las moléculas se mueven más aprisa. Los choques de mayor energía entre las moléculas las fuerzan a alejarse más entre sí, dando por resultado una dilatación de la sustancia. En general, todas las formas de la materia – sólidos, líquidos, gases y plasmas – se dilatan cuando se les calienta y se contraen cuando se les enfría.

En muchos casos los cambios en tamaño de los objetos no son muy notorios, pero suelen ser detectados con una cuidadosa observación. Los alambres telefónicos son más largos y cuelgan más en los días calurosos del verano que en el frío del invierno. Las tapas metálicas de los frascos de vidrio para conserva a menudo se pueden aflojar con agua caliente.Los líquidos se dilatan en forma apreciable con los incrementos de temperatura, en mayor medida que los sólidos; y los gases mucho más que los líquidos.

Dilatación lineal.Una barra de cualquier metal al ser calentada sufre un aumento en sus tres dimensiones: largo, alto y ancho, por lo que su dilatación es cúbica. Sin embargo, en los cuerpos sólidos, como alambres, varillas o barras, lo más importante es el aumento de longitud que aumentan al elevarse su temperatura, es decir, su dilatación lineal.

Coeficiente de dilatación lineal.

Es el incremento de la longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado Celsius. Por ejemplo: una varilla de aluminio de un metro de longitud aumenta 0.0000224 m al elevar su temperatura 1 0C. A este incremento se le llama coeficiente de dilatación lineal del aluminio y se representa con la letra griega alfa (α )

Para calcular el coeficiente de dilatación lineal se emplea la siguiente ecuación:

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Donde: α = Coeficiente de dilatación lineal en 1/0CΔL = Incremento de longitud medida en metros (longitud final –

longitud inicial)L0 = Longitud inicialTf = Temperatura final en 0CT0 = Temperatura inicial en 0C

Si conocemos el coeficiente de dilatación lineal y queremos calcular el incremento de longitud de un material tendremos:

ΔL = α L0 (Tf - T0)

La longitud final de cualquier material estará dada por:

Lf = L0 + ΔL

Coeficientes de dilatación linealSustancia α (1/0C)

Plata 18.3 x 10-6

Oro 15.1 x 10-6

Plomo 27.3 x 10-6

Zinc 35.4 x 10-6

Aluminio 22.4 x 10-6

Latón 18.1 x 10-6

Cobre 16.7 x 10-6

Vidrio 7.3 x 10-6

Hierro 11.7 x 10-6

Acero 12.1 x 10-6

Dilatación de área o superficie

La dilatación de lineal no se restringe a la dilatación de un sólido. Si se aplica calor a cuerpos que tienen dos dimensiones predominantes, es decir, largo y ancho, como por ejemplo planchas o láminas de cualquier material, se produce en ellas una dilatación significativa en dichas dimensiones predominantes, lo que implica un aumento en el área de su superficie. Este aumento lo podemos calcular de manera similar a la dilatación lineal con la siguiente formula:

Donde:ΔA = Incremento de área del material en m

= Coeficiente de dilatación de área

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A0 = Área inicial del materialΔt = Cambio de temperatura en 0C

El coeficiente de dilatación de área es aproximadamente el doble del coeficiente de dilatación lineal.

Por ejemplo: el coeficiente de dilatación lineal del vidrio es de 7.3 x 10-6 por lo tanto el coeficiente de dilatación de área del vidrio será de 2(7.3 x 10-6) = 14.6 x 10-6

Dilatación cúbica

Implica el aumento en sus tres dimensiones del cuerpo: largo ancho y alto, lo que significa un incremento de volumen. La dilatación cúbica se diferencia de la dilatación lineal por que además implica un incremento de volumen.

Coeficiente de dilatación cúbicaEs el incremento de volumen que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de volumen igual a la unidad, al elevar su temperatura un grado Celsius. Este coeficiente se representa con la letra griega beta (β). Por lo general este coeficiente se emplea para los líquidos. Sin embargo si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación cúbica será tres veces mayor:

β = 3α

La ecuación para calcular el incremento de volumen sería:

ΔV = V0 β(Tf - T0)β = Coeficiente de dilatación lineal en 1/0C

ΔV = Incremento de volumen medido en metros cúbicos (m3)V0 = Volumen inicial en metros cúbicos (m3)Tf = Temperatura final en 0CT0 = Temperatura inicial en 0C

El volumen final de cualquier material estará dado por:

Vf = V0 + ΔV

Actividad Ejercicios (clases)

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Resolver los problemas planteados

1. A una temperatura de 15 0C una varilla de hierro tiene una longitud de 5 m. ¿Cuál será su longitud al aumentar su temperatura a 250C

2. ¿Cual es la longitud de un cable de cobre al disminuir la temperatura a 14 0C si con una temperatura de 42 0C mide 416 m?

3. Se tiene un disco de cobre de 8 cm de radio, a una temperatura de 5°C ¿En cuánto aumentará la superficie del disco si se eleva la temperatura a 30°C?

4. Una barra de aluminio de 0.01 m3 a 16 °C se calienta a 44 °C, calcular: a) Su dilatación cúbica., b) Su volumen final

5. Una barra de plata tiene 1 ft de longitud a 70 OF ¿Cuánto se incrementa su longitud cuando se introduce en agua hirviendo (212 OF). Considere el coeficiente de dilatación lineal de la plata de 2 x10-5 /OF

6. El diámetro de un orificio de una placa de acero es de 9 mm cuando la temperatura es de 20 OC. ¿Cuál será el diámetro del orifico a 200 OC

Calor específico de la sustancia

Se ha definido la cantidad de calor como la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una masa dada. No obstante, la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de una sustancia varía para diferentes materiales. Cada material debe de tener alguna propiedad que se relacione con la cantidad de calor absorbido o liberado durante un cambio en la temperatura. Como un paso para establecer esta propiedad, definamos primero capacidad calorífica.

La capacidad calorífica de un cuerpo es la relación del calor suministrado con respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo.

La masa de un objeto no se incluye en la definición de capacidad calorífica. Por lo tanto, la capacidad calorífica es una propiedad del objeto. Para que sea una

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propiedad del material, se define la capacidad calorífica por unidad de masa. A esta propiedad se le llama calor específico y se simboliza por c.

El calor específico de un material es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa.

La unidad del SI para el calor específico designa al joule para el calor, al kilogramo para la masa, y el kelvin para la temperatura.Los calores específicos c de alguna sustancia se proporcionan en la siguiente tabla.

Sustancia J/kg oC cal/g oCAluminio 920 0.220Latón 390 0.094Cobre 390 0.093Vidrio 840 0.200Plomo 130 0.031Mercurio 140 0.033

Calor cedido y ganado por los cuerpos

Con frecuencia hemos destacado la importancia de distinguir entre energía térmica y temperatura. El calor se ha presentado como la energía térmica absorbida o liberada durante un cambio de temperatura.

El principio del equilibrio térmico nos dice que siempre que los objetos se coloquen juntos en un ambiente aislado, finalmente alcanzarán la misma temperatura, esto es el resultado de una transferencia de energía térmica de los cuerpos más calientes a los más fríos. Si la energía debe conservarse, decimos que el calor perdido por los cuerpos calientes debe ser igual al calor ganado por los cuerpos fríos.

calor perdido = calor ganado

Esta ecuación expresa el resultado neto de la transferencia de calor dentro de un sistema. Al aplicar la ecuación general de la conservación de la energía térmica, la cantidad de calor ganado y calor perdido por cada objeto se calcula a partir de la ecuación.

ó

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Actividad Ejercicios (clases)Resolver los problemas planteados

1. ¿Cuánto calor es necesario parra elevar la temperatura de 200 g de mercurio de 20 oC a 100 oC

2. Que cantidad de calor cede a sus alrededores, 50 gr. de agua si se enfrían de 90 oC a 20 oC

3. Cierto proceso requiere 500 J de calor. Exprese esta energía en calorías y Btu.

4. Que cantidad de calor se liberará cuando 40 lb de cobre se enfríen de 78 a 32oF.

5. Un horno aplica 400 kJ de calor a 4 kg de una sustancia, haciendo que su temperatura se eleve en 80oC.¿Cuál es la capacidad calorífica específica?

6. Se calientan perdigones de cobre a 90oC y luego se dejan caer en 80 gr de agua a 10oC la temperatura final de la mezcla es 18oC. ¿Cuál es la masa del cobre?

7. Un bloque de cobre de 1.3 kg se calienta a 200oC y luego se introduce a un recipiente aislado que se ha llenado parcialmente con 2 kg de agua a 20oC. ¿Cuál es su temperatura de equilibrio?

Actividad 2.1.7 Ejercicios (clases)Resuelve los problemas que se presentan

1. Se calientan perdigones de cobre a 90 0C y luego se dejan caer en 80 g de agua a 10 0C. La temperatura final de la mezcla es de 18 0C. ¿Cuál era la masa de cobre?

2. ¿Qué masa de agua que inicialmente estaba a 20 oC debió mezclarse con 2 kg de hierro para hacer que la temperatura del hierro bajara de 250 oC a una temperatura de equilibrio de25 oC

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3. Un bloque de cobre de 1.3 kg se calienta a 200 oC y luego se introduce a un recipiente aislado que se ha llenado parcialmente con 2 kg de agua a 20 oC. ¿Cuál es su temperatura de equilibrio?

Cambio de fase

Cuando un sólido se funde o un líquido hierve, la temperatura deja de aumentar y se mantiene constante hasta que todo el sólido se funde o todo el líquido hierve. Sin embargo es necesario seguir proporcionando calor por que se requiere de energía para separar las moléculas de la sustancias y estas cambien de fase. El cambio de fase de sólido a líquido 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.

El calor latente de fusión Lf de una sustancia es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su temperatura de fusión.

El cambio de fase de un líquido a vapor se llama vaporización, y la temperatura asociada con este cambio se llama punto de ebullición de la sustancia.La cantidad de calor necesaria para evaporar una unidad de masa se llama calor latente de vaporizaciónEl calor latente de vaporización Lv de una sustancia se el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.

El calor latente de fusión Lf y el calor latente de vaporización Lv se expresa en joules por kilogramo (J/kg), calorías por gramo (cal/g), o Btu por libra (Btu/lb).

El término latente surge del hecho de que la temperatura permanece constante durante los procesos de fusión y vaporización.

El Lf del agua es de: 3.34 X 105 J/kg, 80 cal/g o bien 144 Btu/lb

El Lv del agua es de : 2.26 X 106 J/kg, 540 cal/kg o bien970 Btu/lb

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Ejercicios extractase (créditos)Resolver los problemas planteados

1. ¿Que cantidad de calor se requiere para transformar 20 lb de hielo a 12 0F a vapor a 212 0F?

2. ¿Que cantidad de calor se requiere para convertir 2 kg de hielo de -25 oC en vapor a 100 oC?

3. un horno aplica 400 kJ de calor a 4 kg de una sustancia haciendo que su temperatura se eleve 80 oC ¿Cuál es la capacidad calorífica específica?

4. ¿Cuanto hiero a 212 oF se deberá mezclar con 10 lb de agua a 68 oF a fin de tener una temperatura de equilibrio de 100 oF

Autoevaluación de la unidad II

1. Magnitud física que depende de la energía cinética promedio de las moléculas de una sustancia para indicar que tan fría o caliente puede estar dicha sustancia.

2. Se define como la transferencia de energía de una parte a otra en un cuerpo o entre distintos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura.

3. Suponga que se tiene dos recipientes de diferente tamaño, sea uno de 1 lt y el otro de medio lt, se llenan con agua y se someten a la acción del fuego. Conteste falso o verdadero los siguientes casos.

I. El recipiente pequeño alcanza una temperatura de 90º y el grande 20º c, entonces el recipiente mayor le transfiere calor al recipiente mas pequeño porque este es mas grande: ( )

II. Si en los recipientes la energía cinética media de cada molécula es la misma, entonces la temperatura también será la misma para ambos recipientes sin importar el tamaño que tengan estos: ( )

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III. dos recipientes de volúmenes diferentes pueden tener la misma temperatura, pero no el mismo calor, ya que a mayor volumen mayor cantidad de moléculas y por consiguiente mayor cantidad de calor: ( )

4. 100 0C equivale en la escala absoluta (K) a:

5. Un termómetro marca 158 0F, determine su equivalencia en la escala centígrada o Celsius

6. El calor o energía térmica siempre se propaga de los cuerpos calientes a los mas fríos de tres maneras, las cuales son:

7. En el sistema internacional la unidad para medir calor es el joule, sin embargo también se utilizan unidades como la caloría, kilocaloría y btu, de acuerdo a sus definiciones relacione las siguientes columnas que muestran por un lado a las unidades de medida y por otra sus definiciones y elija la opción correcta.unidades de medida

Definición

I- CaloríaII- KilocaloríaIII.- Btu

a. Cantidad de calor aplicada a una libra de agua para que eleve su tempera 1º f.

b. Equivale a mil calorías.c. Cantidad de calor aplicada a un gramo de agua para

elevar su temperatura 1º c.

9. Se define como el aumento de longitud que experimentan los sólidos al elevarse su temperatura.

10.El incremento de loas dimensiones de un cuerpo: largo, alto y ancho, implica una dilatación de que tipo:

11.De los enunciados siguientes, referente a la transferencia de calor, ¿cuales resultan verdaderos?

I. En la convección utilizando aire, este se expande motivo por el cual asciende al disminuir su densidad.

II. La conducción solo se presenta en sólidos líquidos y gasesIII. Todos los cuerpos calientes emiten radiación térmica, es decir, ondas

electromagnéticas.

13.De los enunciados que se presentan indique cuales resultan verdaderos en cuanto al fenómeno de dilatación.

I. El fenómeno de la dilatación solo se presenta en los sólidosII. La dilatación se explica por el hecho de que las moléculas de los cuerpos

vibran alejándose de sus posiciones fijas conforme aumenta la temperatura

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III. Dos cuerpos de diferentes materiales, con las mismas dimensiones y a la misma temperatura, se dilatan en las mismas proporciones

14.En relación con la dilatación irregular del agua ¿Qué enunciados resultan verdaderos?

I. El agua presenta su menor densidad a los 4 0CII. Partiendo de los 4 0C al incrementar su temperatura el agua se dilataIII. Partiendo de los 0 0C, al incrementar su temperatura hasta los 4 0C, el agua

se contrae.I

15.Dos esferas de masas iguales una de cobre y otra de plomo se someten a la acción del calor hasta que ambos alcancen los 100 0C; la de cobre empleo para esto 80 segundos mientras que la de plomo lo hizo en 35 s. En relación a esto, ¿Qué enunciados resultan verdaderos?

I. Se suministro la misma cantidad de calor para cada una de las esferasII. El calor específico del cobre es menor que la del plomoIII. El cobre libera mayor cantidad de plomo

16.Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura una unidad de masa.

17.Cuanto calor se necesita para elevar la temperatura de 200 g de Mercurio de 20 a100 0C. El calor específico del mercurio es de 140 J/kg.

18.Que cantidad de calor se libera cuando 40 lb de cobre se enfrían de 78 a 32 4 0F. el calor específico del cobre es de 0.093 Btu/lb 0F

19.Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar una sustancia de la fase sólida a la líquida a una temperatura determinada

20.Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar una sustancia de líquido a vapor a una temperatura determinada.

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Unidad IIIElectricidad y electromagnetismo

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Propósito:

Resolverá problemas relacionados con los fenómenos eléctricos, magnéticos y su interrelación por medio del empleo correcto, critico y el razonamiento analógico de sus conceptos, principios, teorías, leyes y modelos matemáticos, mostrando Interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos en un ambiente de cooperación y respeto hacia sí mismo sus compañeros y su entorno.

Electrostática y electrodinámica

Objetivo temático.Describirá la importancia de los conocimientos científicos en el desarrollo de la electrostática y la electrodinámica a la tecnología, por medio del estudio de sus conceptos teorías, y leyes; mediante la construcción de circuitos eléctricos y la resolución de problemas prácticos de su entorno.

3.1.1 Antecedentes históricos de la electricidad

En la cultura actual nos encontramos rodeados de aparatos eléctricos de todas clases, desde lámparas, relojes de baterías, motores, aparatos de sonido estereofónico hasta computadoras y mucho mas. El uso de la electricidad como fuente de energía para el funcionamiento de todos estos instrumentos es un rasgo tan característico de la vida moderna que lo damos por sentado. No obstante, ha habido que esperar a comienzos del siglo xx para lograr una plena comprensión de la naturaleza de la electricidad.Para comprender los aparatos que se han convertido en parte de nuestra vida cotidiana, en primer lugar debe entenderse que es la electricidad.

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La palabra electricidad proviene del vocablo griego elektrón, que significa ámbar. El ámbar es una resina fósil transparente de color amarillo, producidos en tiempos muy remotos por árboles (coníferas) que actualmente son carbón fósil.La electricidad es una manifestación de la energía y para su estudio se ha dividido en varias partes:

A) Electrostática, estudia las cargas eléctricas en reposo.B) Electrodinámica, estudia las cargas eléctricas en movimiento C) Electromagnetismo, estudia la relación entre las corrientes eléctricas y el campo magnético.

Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales de Mileto, quien vivió aproximadamente en el año 600 a.C. El señalaba que al frotar el ámbar con una piel de gato, podía atraer algunos cuerpos ligeros como polvos, cabellos o paja. Sin embargo, el primer estudio científico de los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C., cuando se publicaron las investigaciones del médico británico William Gilbert, quien aplicó el término “eléctrico” (del griego electrón) a la fuerza que ejercen esas sustancias después de ser frotadas. También distinguió entre las acciones magnética y eléctrica.

La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el químico británico Joseph Priestley alrededor de 1766. Priestley también demostró que una carga eléctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera metálica hueca, y que en el interior de una esfera así no existen cargas ni campos eléctricos. Charles de Coulomb inventó una balanza de torsión para medir con precisión la fuerza que se ejerce entre las cargas eléctricas. Con ese aparato confirmó las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre dos cargas también es proporcional al producto de las cargas individuales. Faraday, que realizó numerosas contribuciones al estudio de la electricidad a principios del siglo XIX, también desarrolló la teoría de las líneas de fuerza eléctricas.

Carga eléctrica, unidad de medida en el Sistema Internacional, interacción entre cargas y formas de electrizar a cuerpos.

Toda materia es decir cualquier clase de cuerpo, se compone de átomos y estos de partículas elementales como los electrones, protones y neutrones. Los electrones y los protones tienen una propiedad llamada carga eléctrica.

Los neutrones son eléctricamente neutros por que carecen de carga. Los electrones poseen una carga negativa, mientras que los protones la tienen positiva.

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El átomo está constituido por un núcleo, en él se encuentran los protones y los neutrones, y a su alrededor giran los electrones. Un átomo normal es neutro ya que tiene el mismo numero de protones o cargas positivas y de electrones o cargas negativas. Sin embargo, un átomo puede ganar electrones y quedar con carga negativa, o bien perderlos y adquirir carga positiva. La masa del protón es casi dos mil veces mayor a la del electrón, pero la magnitud de sus cargas eléctrica es la misma. Por tanto, la carga de un electrón neutraliza la de un protón. Esto permite comprender la Ley de la Conservación de la Carga que dice: Es imposible producir o destruir una carga positiva sin producir al mismo tiempo una carga negativa de idéntica magnitud; por tanto, la carga total eléctrica del Universo es una magnitud constante, no se crea ni se destruye.

Si los cuerpos pueden electrizarse al perder o ganar electrones, entonces esto pueden hacerlo de cualquiera de las siguientes formas:

Frotamiento.- Los cuerpos electrizados por frotamiento producen pequeñas chispas eléctricas, como sucede cuando después de caminar por una alfombra se toca un objeto metálico o a otra persona, o bien, al quitarse un suéter o un traje de lana, si el cuarto es oscuro las chispas se verían además de oírse.

Contacto.- este fenómeno de electrización se origina cuando un cuerpo saturado de electrones cede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto.

Inducción.- Esta forma de electrización se presenta cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado.

Materiales conductores y aislantes

Los materiales conductores de electricidad son aquellos que se electrifican en toda su superficie, aunque solo de frote en un punto de la misma. En cambio, los materiales aislantes o malos conductores de electricidad, también llamados dieléctricos, sólo se electrizan en los puntos donde hacen contacto con un cuerpo cargado, o bien, en la parte frotada..

Algunos ejemplos de materiales aislantes son la madera, el vidrio, el caucho, las resinas y los plásticos, la porcelana, la mica y el papel. Como conductores tenemos a todos los metales, soluciones de ácidos, bases y sales disueltas en agua, así como el cuerpo humano. Cabe mencionar que no hay un material cien por ciento conductor ni un material cien por ciento aislante: en realidad todos los cuerpos son conductores eléctricos, pero unos lo son más que otros; por eso es posible hacer, en términos prácticos, una clasificación como la anterior. Aún más entre conductores y aislantes existen otros materiales intermedios, como el carbón, germanio y silicio contaminado con otros elementos, y los gases húmedos.

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Electroscopio.

El electroscopio es un aparato que posibilita detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo e identificar el signo de la misma. Consta de un recipiente de vidrio y un tapón aislado atravesado por una varilla metálica rematada en su parte superior por una esferilla también metálica; en su parte inferior tiene dos laminillas, las cuales pueden ser de oro, aluminio o de cualquier otro metal. Si se acerca a la esferilla un cuerpo con carga, la varilla y las laminillas se cargaran por inducción y ya que dos cuerpos con carga de igual signo se rechazan, se separaran una de la otra. Para conocer el signo de la electricidad de un cuerpo, primero se electriza el electroscopio con cargas de signo conocido; entonces se acerca ala esferilla el cuerpo del cual se quiere identificar el signo de la carga, y si ésta es igual, las laminillas se separan aún más, pero se juntan si son de signo contrario.

Ley de Coulomb

Ya se ha dicho que la electrostática es la ciencia que estudia las cargas eléctricas en reposo. Su base cuantitativa es la Ley de Coulomb, así llamada en honor del científico francés Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), quien publicó el resultado en 1785. Empleando una balanza de torsión parecida a la que empleó Cavendish para llevar a cabo el cálculo de la constante de la fórmula de Newton, el físico francés Coulomb demostró que al colocar dos fuerzas eléctricas una en presencia de otra, ejercen entre si una fuerza de atracción o repulsión, dependiendo de los signos de dichas cargas, esta fuerza de atracción o de repulsión que se ejerce entre dos cuerpos electrizados es: directamente proporcional a las cargas q y q' de los dos cuerpos electrizantes; e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d que separa a los dos cuerpos electrizados.Estas afirmaciones constituyen la ley de Coulomb, que se representará, pues, por una expresión análoga a la de la ley de Newton:

F es la fuerza de atracción o de repulsión en Newtonq1 y q2 son las cargas en Coulomb (C)k es la constante de proporcionalidad y en el S.I. k = 9 x 109 N m2/C2

r es la distancia a la que se encuentran separadas las cargas en metros (m)

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Resolución de problemas de la ley de coulombAntes de iniciar con la resolución de problemas vamos a ver las unidades que utilizaremos para los cálculos.

Si la fuerza se expresa en Newton (N), la distancia en metros (m) y se utiliza el Valor de K (9 x 109 Nm2/C2 ), la unidad de carga es el coulomb, que se define como “la carga que, puesta en el vacío frente a otra igual y a la distancia de 1 metro, la atrae o la repele con la fuerza de 9 x109 Newton”

1 Coulomb (1 C) = 6.24 x 1018 electrones. 1 estatcoulomb (1 ues) = 2.08 x 109 electrones1 C = 3 x 109 ues 1 electrón = -1.6 x 10-19 C 1 protón = 1.6 x 10-19 C1mC = 1 x 10-3 C 1 μC = 1 x 10-6 C 1 nC = 1 x 10-9 C 1 pC = 1 x 10-12 C

Actividad 3.1.4 Problemas (clases)

1. Calcular la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyo valor son q1 = 2 mC, q2 = 4 mC, al estar separadas en el vacío por una distancia de 30 cm.

2. Determinar la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1 = -3 μC y q2 = 4 μC, al estar separadas en el vacío por una distancia de 50 cm.

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3. Una carga eléctrica de 2 μC se encuentra en el aire a 60 cm de otra carga. La fuerza con la cual se rechazan es de 0.3 N. ¿Cuánto vale la carga desconocida?

4. Dos monedas reposan sobre una mesa, con separación de 1.5 m. Contienen cargas idénticas. ¿ de que magnitud es la carga en cada una , si una de las monedas experimenta una fuerza de 2 N ?

5. Determínese la distancia a la que se encuentran dos cargas eléctricas idénticas de 7 x 10-8 C al rechazarse con una fuerza de 4.41 x 10-3 N.

Diferencia de potencial o voltaje. Corriente eléctrica, resistencia y ley de Ohm.

Campo eléctricoUna carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferente signo se atraen y las de igual signo se rechazan, aun cuando se encuentran separadas. Esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor; la región de influencia recibe el nombre de campo eléctrico. El campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ello es fácil detectar su presencia y medir su intensidad.

El electrón y todos los cuerpos electrizados tienen a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influencia. De esta manera podemos establecer lo siguiente:

Se dice que un campo eléctrico existe en una región del espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza eléctrica.

Como el campo eléctrico no se puede ver, el físico inglés Michael Faraday introdujo el concepto de líneas de fuerza para poder representarlo gráficamente.

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Las líneas de fuerza que representan al campo eléctrico de una carga positiva salen radialmente de la carga, mientras que en una carga negativa las líneas de fuerza llegan de modo radial

Representación del campo eléctrico.

Intensidad del campo eléctrico

Para poder interpretar cómo es la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva de valor muy pequeño (por convención), la cual es llama da carga de prueba; de esta manera sus efectos, debido al campo eléctrico, se puede despreciar. Esa pequeña carga de prueba se coloca un punto donde queremos investigar si existe un campo eléctrico y, si la carga de prueba q recibe una fuerza de origen eléctrico, entonces diremos que efectivamente en ese espacio existe un campo eléctrico, cuya intensidad E es igual ala relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha carga de prueba q. Por tanto:

donde:E = magnitud del campo eléctrico en N/CF = fuerza que recibe la carga de prueba en newton (N)q = valor de la carga de prueba en coulombs (C)

Como se observa la intensidad del campo eléctrico E es una magnitud vectorial, toda vez que la fuerza F también lo es, por ello, los campos eléctricos se pueden sumar vectorialmente. Así pues, la dirección y sentido del vector representativo de la intensidad del campo eléctrico en un punto será igual a la de la fuerza que actúa en ese punto sobre la carga de prueba, la cual como señalamos es positiva por convención. El valor de la intensidad del campo eléctrico no es constante, sino que disminuye a medida que aumenta la distancia. Sin embargo el valor de dicho campo es el mismo para todos los puntos con igual distancia del centro de una carga.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Cargas_Puntuales.PNG%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


También se puede calcular la intensidad del campo eléctrico E a una determinada distancia r de una carga q con la siguiente fórmula, resultado de la asociación con la ley de Coulomb:

Esta ecuación nos permitirá calcular el valor de E en cualquier punto de una carga eléctrica. El valor de k, como sabemos es de 9 x 109 Nm2/C2

Actividad 3.1.5.1.1 Resolución de problemas (clases)

1. Una carga de prueba de 3 x 10-7 C recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 2 x 10-4 N. ¿cuál es el valor de la intensidad de campo eléctrico en el punto que está colocada la carga de prueba?

2. Una carga de prueba de 2 μC se sitúa en un punto en el que la intensidad de campo eléctrico tiene un valor de 5 x 102 N/C. ¿cuál es el valor de la fuerza que actúa sobre ella?

3. Calcular la intensidad de campo eléctrico a una distancia de 50 cm de una carga de 4 μC

4. La intensidad del campo eléctrico producido por una carga de 3 μC en un punto determinado es de 6 x 106 N/C. ¿A que distancia del punto considerado se encuentra la carga?

Potencial eléctricoUn objeto puede tener energía potencial gravitatoria debido a su ubicación en un campo gravitatorio y la cual puede convertirse en energía cinética. De manera similar, un objeto cargado puede tener energía potencial en virtud de su ubicación en un campo eléctrico y que también puede ser interconvertible. Así como se requiere trabajo para levantar un objeto masivo contra el campo gravitatorio de la Tierra, se requiere trabajo para empujar una partícula cargada contra el campo eléctrico de un cuerpo cargado; este trabajo incrementa la energía potencial eléctrica de esa partícula.Un campo eléctrico difiere de un campo gravitatorio en que en este todas sus fuerzas son atractivas, mientras que en aquel pueden ser atractivas o repulsivas.

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Considérese una pequeña carga positiva ubicada a cierta distancia de una esfera cargada positivamente. Si se desea acercar la pequeña carga a la esfera se consumirá energía con el fin de vencer la repulsión eléctrica; es decir, se realizará trabajo al empujar la carga contra el campo eléctrico de la esfera. Este trabajo realizado al mover la pequeña carga hasta su nueva ubicación en el campo lo gana esa carga. Esa energía que ahora posee la carga en virtud de su ubicación se denomina energía potencial eléctrica. Si se libera la carga, se acelera en una dirección que la aleja de la esfera, y su energía potencial eléctrica cambia a energía cinética.

La energía potencial eléctrica es igual al trabajo realizado en contra de las fuerzas eléctricas cuando se mueve una carga q desde el infinito hasta un punto determinado: para calcular esta energía entre una carga Q y otra q separadas por una distancia r, se emplea la expresión:

Donde:

Ep = energía potencial en Joules (J)K = constante de proporcionalidad = 9 x 109 N m2/C2

r = distancia a la que se encuentran las cargas, en metros (m)Q y q = Valor de las cargas eléctricas en coulombs (C)

El concepto de energía potencial por carga recibe el nombre de potencial eléctrico. Por definición: el potencial eléctrico V en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo T que se necesita para transportar a la unidad de carga positiva q desde el potencial cero hasta el punto considerado.

También se define como la energía potencial que pose la unidad de carga eléctrica positiva en un punto determinado

Donde :

V = Potencial eléctrico en volts (V)T y Ep = Trabajo realizado o energía potencial requerida en joules (J)q = carga transportada en coulombs (C)

Para calcular el potencial eléctrico V en cualquier punto que se encuentre a una distancia r de una carga Q, tendremos:

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Diferencia de potencial

En electricidad práctica, es escaso el interés por el trabajo por unidad de carga positivo realizado por fuerzas eléctricas para trasladar una carga al infinito. Con mayor frecuencia, lo que se desea saber es la cantidad de trabajo necesario para mover carga entre dos puntos. Esto lleva al concepto de diferencia de potencial:“La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera A y B es igual al trabajo por unidad de carga positiva realizado por fuerzas eléctricas para mover una carga de prueba desde el punto A al punto B”.

Donde: VAB = diferencia de potencial entre los puntos A y B determinada en Volts (V)

TAB = trabajo sobre una carga de prueba q para desplazarla de A a B en joules (J)

q = carga de prueba desplazada de A a B, medida en coulombs (C)

La diferencia de potencial recibe también el nombre de Voltaje o Tensión, y es una magnitud escalar.

La diferencia de potencial también se puede determinar si se conoce los potenciales en cada punto, obteniendo su diferencia:

VAB = VA - VB

Por ejemplo el potencial en el punto A es de 110 V y en el punto B es de 60 V, entonces:

VAB = VA - VB = 110 V – 60V = 50 V

Recordando que 1 V = 1 J/C, tendremos que para este campo eléctrico se necesitan 50 joules de energía por cada coulomb de carga positiva, para moverla del punto A al punto B.

Si se requiere saber cual es el trabajo realizado por el campo eléctrico para mover la carga desde A hasta B, tendremos:

TA→B = q(VA – VB)Actividad 1.5.1.2 Resolución de problemas (créditos)

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1. Para transportar una carga de 5 μC desde el suelo hasta la superficie de una esfera cargada se realiza un trabajo de 60 x 10 -6 J ¿Cuál es el valor del potencial eléctrico en la esfera

2. Una carga de + 2 nC está separada 20 cm de otra carga de + 4 μC. ¿Cuál es la energía potencial del sistema?

3. Calcúlese el potencial en un punto A, el cual se encuentra a 30 cm de una carga de -2 μC

4. Una carga de prueba se mueve del punto A al punto B como se ve en la figura.

a) Calcular la diferencia de potencial VAB, si la distancia del punto A a la carga Q de 4 μC es de 20 cm y la distancia del punto B a la carga Q es de 40 cm.b) El valor del trabajo realizado por el campo eléctrico de la carga Q al mover la carga de prueba cuyo valor es de 9 nC desde el punto A al B

20 cm

A B

Intensidad de la corriente eléctricaHemos mencionado que si se mantiene una diferencia de potencial entre dos cuerpos cargados eléctricamente habrá un flujo de electrones continuos, o mejor dicho un flujo de carga eléctrica, esta carga eléctrica estará en función de la cantidad de electrones que pasen en un tiempo determinado por un conductor, por lo tanto mientras mas electrones circulen en un tiempo determinado mayor será la intensidad de la corriente. La unidad utilizada para medir la cantidad de carga es el coulomb, el cual equivale a una cantidad de 6.24 x 10 18 electrones. De aquí que podemos definir que:

La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo.

Por lo tanto:

donde:I = Intensidad de la corriente eléctrica en amperes (A) A = C/sq = carga eléctrica en coulombs (C)

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+q+Q

40 cm


t = tiempo que tarda en pasar la cantidad de carga en segundos (s)

La unidad empleada en el SI. para medir la intensidad de la corriente es el ampere (A).Por definición un ampere equivale al paso de una carga de un coulomb a través de una sección de un conductor en un segundo,. De uso muy frecuente en la práctica es el mili ampere (mA)

Resistencia eléctricaTodos los materiales presentan cierta oposición al flujo de electrones o corriente eléctrica, pero unos obstruyen la circulación mas que otro. Esto se debe a que en los átomos de algunos materiales los electrones externos son cedidos con relativa facilidad, disminuyendo la resistencia al paso de la corriente. Por definición:

La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o al flujo de electrones.

La unidad empleada para medir la resistencia es el Ohm en honor al físico alemán George Simon Ohm, quien en 1841 recibió la medalla Copley de la Sociedad Real de Londres por la publicación de un trabajo sobre corriente eléctrica. El Ohm se representa con el símbolo de la letra omega (Ω)

Ley de OhmGeorge Simon Ohm (1787-1854), físico y profesor alemán utilizó en sus experimentos instrumentos de medición bastantes confiables y observo que si aumenta la diferencia de potencial en un circuito, mayor es la intensidad de la corriente eléctrica; también comprobó que al aumentar la resistencia del conductor, disminuye la intensidad de la corriente eléctrica. Con base en sus observaciones, en 1827 anunció la siguiente ley que lleva su nombre.

La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor

Matemáticamente esta ley se expresa de la siguiente manera:

Donde:

V = diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor en volts

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(V)R = resistencia del conductor en Homs (Ω)I = intensidad de la corriente que circula por el conductor en amperes (A)

Cabe señalar que la ley de Ohm presenta algunas limitaciones, como son:

Se puede aplicar a los metales, pero no al carbón o a los materiales utilizados en los transistores.

Al utilizarse esta ley debe recordarse que la resistencia cambia con la temperatura, pues todos los materiales se calientan por el paso de la corriente

Algunas aleaciones conducen mejor las cargas en una dirección que en otra.

Actividad 1.5.1.3 Aplicación de la ley de Ohm (clases)

1. Determine la intensidad de la corriente eléctrica a través de una resistencia de 30 Ω al aplicarle una diferencia de potencial de 90 V.

2. Un alambre conductor deja pasar 6 A al aplicarle una diferencia de potencial de 110 V. ¿cuál es el valor de su resistencia?

3. Calcular la diferencia de potencial aplicada a una resistencia de 10 Ω, si por ella fluyen 5 A.

Ejercicios extraclase (créditos)

1. Calcular la intensidad de la corriente que pasará por una resistencia de 20 al conectarse a un acumulador de 12 V

2. Determinar la resistencia del filamento de una lámpara que deja pasar 0.6 A al aplicarle una diferencia de potencial de 120 V

3. Por una resistencia de 10 circula una corriente de 2A ¿Cual es el valor de la diferencia de potencial a que están conectados sus extremos?

4. Calcular la resistencia de un conductor que al conectarse a una diferencia de potencial de 12 V deja pasar una corriente de 90 mA

5. Calcular la intensidad de la corriente en amperes y en miliamperes, si por una sección de un conductor circulan 65 coulombs en 30 minutos.

Concepto de pila, circuitos eléctricos con pilas y resistencias conectadas en serie y en paralelo.

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Pila eléctrica, dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente eléctrica

Conexión de las pilas en serie para formar baterías Bajo ciertas circunstancias, el voltaje que produce una sola pila es suficiente, tal como sucede en algunas linternas. En otras ocasiones se necesita mayor voltaje. Esto puede lograrse conectando varias pilas (primarias o secundarias) en serie, en número tal como para lograr el voltaje necesario. Esta agrupación de pilas se llama batería.

Conexión de las pilas en paralelo para formar baterías También se puede formar baterías conectando pilas en paralelo. Esto solamente puede hacerse con pilas que tengan el mismo voltaje de salida. El propósito de una conexión en paralelo es aumentar la capacidad de corriente. La conexión en paralelo crea el equivalente de un aumento en el tamaño físico de los electrodos y de la cantidad de electrolito, e incrementa por lo tanto la corriente disponible.

Circuitos eléctricos

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La manera más simple de conectar componentes eléctricos es disponerlos de forma lineal, uno detrás del otro. Este tipo de circuito se denomina “circuito en serie”, como el que aparece a la izquierda de la ilustración. Si una de las bombillas del circuito deja de funcionar, la otra también lo hará debido a que se interrumpe el paso de corriente por el circuito. Otra manera de conectarlo sería que cada bombilla tuviera su propio suministro eléctrico, de forma totalmente independiente, y así, si una de ellas se funde, la otra puede continuar funcionando. Este circuito se denomina “circuito en paralelo”, y se muestra a la derecha de la ilustración.

Conexión de resistencias en serie.Cuando las resistencias se conectan en serie, se unen a sus extremos una a continuación de la otra.

La resistencia equivalente cuando se conectan en serie se calcula con la expresión:

Conexión de resistencias en paraleloCuando las resistencias se conectan en paralelo se unen en dos bornes comunes que se enlazan a la fuente de energía o voltaje.

La resistencia equivalente cuando se conectan en paralelo se calcula con la expresión:

Actividad 3.1.6 resuelve el problema de conexión de resistencias.

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6. Calcular la resistencia equivalente de tres resistencias cuyos valores son 2, 5 y 7 Homs, conectadas primero en: a) serie, b) Paralelo

7. Calcular el valor de la resistencia que se debe conectar en paralelo con una resistencia de 10 homs para que la resistencia equivalente del circuito se reduzca a 6 ohms.

Potencia eléctrica y efecto joule.

PotenciaEs la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

Formulas `para el calculo de la potencia eléctrica

Efecto jouleCuando circula corriente eléctrica en un conductor, parte de la energía eléctrica de los electrones se transforma en calor y eleva la temperatura de éste con lo cual se origina el fenómeno que recibe el nombre de efecto Joule.

El enunciado de esta ley es el siguiente: “el calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente”. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

1 Joule de trabajo = 0.24 calorías de energía térmica.

Existen varios aparatos y dispositivos eléctricos que producen calor como consecuencia del efecto Joule; por ejemplo: planchas, radiadores, tostadores, calentadores o parillas eléctricas.Actividad 3.1.7 Ejercicios (clases)Resolver los problemas de potencia eléctrica

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1. ¿Cuál será la potencia o consumo en watt de una bombilla conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la corriente que circula por el circuito de la bombilla es de 0,45 ampere.

2. Obtener la potencia eléctrica de un tostador de pan cuya resistencia es de 40 ohms y por ella circula una corriente de 3 Amperes.

3. calcular la potencia eléctrica de un foco que recibe una diferencia de potencial de 120 V, si por su filamento circula una corriente de 0.5 A

4. Por una resistencia de 30 Homs de una plancha eléctrica circula una corriente de 4 Amperes al estar conectada a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué cantidad de calor produce en 5 minutos.

5. Por el embobinado de un cautín eléctrico circula una corriente de 5 Amperes al estar conectado a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué calor genera en un minuto?

3.2. Magnetismo

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Objetivo temático.Explicara la importancia del magnetismo en el desarrollo de la ciencia y su aplicación en la tecnología, mediante la observación de sus efectos y características que permitan comprender el empleo de dicho fenómeno en diversos aparatos y dispositivos de uso común

Concepto de magnetismo.

Los primeros fenómenos magnéticos observados estaban asociados con fragmentos de piedras encontrados en Magnesia (antigua ciudad de Turquía) hace alrededor de 2000 años, cuya propiedad era de atraer ciertos trozos de hierro. Hoy esta roca recibe el nombre de piedra imán o imán magnetita; químicamente es un mineral de óxido de hierro cuya fórmula es Fe3O4.

Esta atracción que ejercía la piedra sobre el metal fue llamada magnetismo y en general al dispositivo que ejerce una fuerza magnética se le llama imán.

Si un imán de barra se introduce en un recipiente que contenga limaduras de hierro y se retira, puede observarse que los trozos pequeños de hierro se adhieren con mayor intensidad en las áreas pequeñas cercanas a los extremos. Estas regiones en donde se aprecia que la intensidad del imán se concentra se llaman polos magnéticos.

William Gilbert descubrió cómo interactúan los polos de los imanes y demostró que polos iguales se rechazan y polos distintos se atraen. Realizó experimentos con trozos de hierro sin imantar y encontró que eran atraídos indistintamente por los polos norte o sur. Finalmente observó que la fuerza de atracción o de repulsión entre imanes es mucho mayor que en los polos.

Campos magnéticos.

Desde hace más de un siglo el inglés Michael Faraday estudió los efectos producidos por los imanes. Observo que un imán permanente ejerce una fuerza sobre un trozo de hierro o sobre cualquier imán cercano a el, debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos efectos se hacen sentir alrededor de este. Esta región donde el imán hace sentir sus efectos se le denomina campo magnético, el cual se define como:

Un campo magnético es la región que rodea a un imán y en el cual su influencia pude detectarse mediante sus efectos.

Al igual que las líneas de campo eléctrico fueron útiles para describir campos eléctricos, líneas de campo magnético, resultan útiles en la visualización de campos magnéticos. Faraday imaginó que de un imán salían hilos o líneas que

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se esparcían, a estas las llamó líneas de fuerza magnética, también conocidas como líneas de flujo.

3.2.2. Magnetismo terrestre

Nuestro globo terrestre se comporta como un enorme imán que produce un campo magnético cuyos polos no coinciden con los polos geográficos. Existen varias teorías que tratan de explicar la causa del magnetismo terrestre. Una de ellas señala lo siguiente: la tierra contiene una gran cantidad de depósito de mineral de hierro, los cuales en tiempo remoto se magnetizaron en forma gradual. Otra teoría explica que el magnetismo terrestre se debe a las corrientes eléctricas que circulan alrededor de la tierra, tanto en la corteza terrestre como en la atmósfera.

Declinación magnética. Angulo que forma la componente horizontal del campo magnético terrestre (meridiano magnético) con el meridiano geográfico.

Inclinación magnética. Es el ángulo que forma la aguja magnética con el plano horizontal

Fig. 3.2.2 Magnetismo terrestre

3.3. Electromagnetismo

Objetivo temático

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Explicará la relevancia del electromagnetismo en el desarrollo de la ciencia y de su aplicación en la tecnología a partir de estudio de sus principios y leyes que han reflejado la construcción de diversos aparatos, la electrificación del mundo y con ello el progreso y mejor nivel de vida para humanidad

3.3.1. Concepto de electromagnetismo y su desarrollo histórico.

Hasta comienzos del siglo XVIII, la electricidad y el magnetismo fueron estudiados independientemente. El primero en establecer una conexión entre ambos fenómenos fue Christian Oersted (1777-1851), quien en 1820 descubrió que un conductor por el que circula una corriente eléctrica está rodeado por un campo magnético. El descubrimiento de que los campos magnéticos son producidos por cargas eléctricas en movimiento constituye el fundamento del electroimán. Muy poco tiempo después del descubrimiento de Oersted, André Ampére (1775-1836) formuló la primera relación cuantitativa entre magnetismo y corriente eléctrica. Este físico francés postuló que todos los campos magnéticos son creados por corrientes eléctricas, un punto de vista que ha resultado ser correcto. Mas adelante pudo demostrarse que el caso inverso también puede ser posible; un campo magnético puede producir una corriente eléctrica, a la cual se le conoce como inducción electromagnética

Descripción cualitativa del campo magnético producido por una corriente eléctrica en un conductor recto, una espira y un solenoide.

Solenoide

Espira

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3.3.3. Inducción electromagnética y su relevancia en la electrificación.

Ley de Faraday

Con base en sus experimentos, Faraday enunció la ley del electromagnetismo: La fem inducida en un circuito formado por un conductor o una bobina es directamente proporcional al número de líneas de fuerza magnética cortadas en un segundo. La ley anterior, en términos de la corriente inducida, se expresa de la siguiente manera: La intensidad de la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético.

En base a los experimentos de Faraday se puede establecer lo siguiente:

1. El movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce una fem en el conductor.

2. La dirección de la fem inducida depende de la dirección del movimiento del conductor con respecto al campo.

3. La magnitud de la fem es directamente proporcional a la rapidez con la cual las líneas del campo magnético son cortadas por el conductor.

4. La magnitud de la fem es directamente proporcional al número de vueltas del conductor que corta las líneas de flujo.

La ley de Faraday se expresa matemáticamente como:

donde: = fem media inducida expresada en volts (V)

f = flujo magnético final en webers (Wb)i = flujo magnético inicial calculado en webers (Wb)t = tiempo en que se realiza la variación del flujo medido en segundos (s)

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El signo (-) de la ecuación se debe a la oposición entre la fem inducida y la variación del flujo que la produce (ley de Lenz).

Ley de Lenz

El físico ruso Heinrich Lenz (1804-1865) enuncio una ley sobre inducción magnética que lleva su nombre:

Siempre que se induce una fem, la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a oponerse al campo magnético que la produce.

De acuerdo con la Ley de Lenz, el sentido de la corriente inducida es contrario al de la corriente requerida para provocar el movimiento del campo magnético que la ha engendrado. En estas condiciones podríamos expresar la Ley de Lenz en los siguientes términos: la corriente inducida en la bobina es tal que el campo magnético producido por ella se opone al cambio magnético del imán que la genera.

3.3.4. Características de la corriente directa y alterna.

La corriente eléctrica puede ser cd o ca. Con cd denotamos la corriente directa, que implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola dirección. Una batería produce corriente directa en un circuito porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven siempre en el circuito en la misma dirección: del borne negativo que los repele al borne positivo que los atrae. Aún si la corriente se mueve en pulsaciones irregulares, en tanto lo haga en una sola dirección es cd.

La corriente alterna (ca) se comporta como su nombre lo indica. Los electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido opuesto, con un movimiento de vaivén en torno a posiciones relativamente fijas. Esto se consigue alternando la polaridad del voltaje del generador o de otra fuente.

La popularidad de que goza la ca proviene del hecho de que la energía eléctrica en forma de ca se puede transmitir a grandes distancias por medio de fáciles elevaciones de voltaje que reducen las pérdidas de calor en los cables.La aplicación principal de la corriente eléctrica, ya sea cd o ca, es la transmisión de energía en forma silenciosa, flexible y conveniente de un lugar a otro.

Motor eléctrico

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Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica rotativa. Existen varios tipos de motores eléctricos y todos ellos dependen del principio según el cual un conductor por el que circula una corriente sufre una fuerza al ser sometido a un campo magnético. Los motores eléctricos suelen constar de una parte inmóvil (estator) y otra giratoria (rotor).

En un motor simple de corriente continua (cc), el estator es un imán permanente, y el rotor es un arrollamiento conductor (bobina), formado por espiras a través del cual pasa la corriente.

Transformador eléctrico.Funciona por inducción magnética. Eleva o baja el voltaje, mediante inducción. La inducción ocurre solamente cuando el conductor se mueve en ángulo recto con respecto a la dirección del campo magnético. Este movimiento es necesario para que se produzca la inducción, pero es un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. De esta forma, un campo magnético en expansión y compresión puede crearse con una corriente a través de un cable o un electroimán. Un transformador consta normalmente de dos bobinas de hilo conductor adyacentes, enrolladas alrededor de un solo núcleo de material magnético. Se utiliza para acoplar dos o más circuitos de corriente alterna empleando la inducción existente entre las bobinas.

Generador eléctricoEs un aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor hecho a base de electroimanes o imanes permanentes, productores de un campo magnético, y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se le enrolla alambre conductor previamente aislado. En cualquier generador eléctrico, el origen de la fem inducida se debe al movimiento existente entre el campo magnético creado por el inductor y los alambres conductores del inducido, lo cual provoca un flujo magnético variable.

Actividad 3.3.4.1 Investigación.

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Fig. 3.3.4.1 Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua.


Investiga como es la producción de electricidad a nivel mundial y cómo se ubica México en ese rubro.

Ventajas y desventajas del uso de centrales núcleo eléctricas en el mundo.

El medio ambiente y el uso de material radiactivo en las centrales núcleo eléctricas.

Autoevaluación de la unidad III

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1. La palabra electricidad proviene del vocablo griego elektrón que significa: ______________________________________________

2. Son las formas comunes en la que los cuerpos pueden electrizarse.__________________________________________________________________

3. Cual es la unidad para medir las cargas eléctricas en el sistema internacional____________________________________

4. El principio: cargas de diferentes signos se atraen y cargas del mismo signo se repelen, puede demostrarse mediante el empleo de: ___________________________________________________

5. Estos materiales son llamados _______________________ por que solo se electrizan en los puntos donde hacen contacto con un cuerpo cargado, por lo que los ________________________ tienen una propiedad intermedia entre conductores y aislantes.

6. Que aparato nos posibilita detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo e identificar el signo de la misma

7. Científico que diseño una caja metálica con electricidad en el exterior._______________________________

8. Científico que demostró que en un cuerpo electrizado, las cargas siempre se acumulan en su superficie.________________________________

9. Ley cuyo enunciado dice: “la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”._________________________

10. Se le llama así a la región de influencia que se encuentra el rededor de una carga eléctrica._____________________________________

11. Las líneas de fuerza que representan al campo eléctrico de una carga ______________ salen radialmente de la carga, mientras en una carga _______________ las líneas de fuerza llegan de modo radial a la carga.

12. Nombre que se le da a una carga positiva de valor muy pequeño.____________________________

13. Por definición _________________________ en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo que se necesita realizar para transportar a la unidad de carga positiva desde el potencial cero hasta el punto considerado, mientras que ________________________________ entre dos puntos cuales quiera a y b es igual al trabajo por unidad de carga positiva que realizan fuerzas eléctricas al mover una carga de prueba desde el punto a al b.

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14. Relaciona en las siguientes columnas los conceptos dados con su correspondiente definición.

conceptos Definición:1) Electrodinámica2) Corriente eléctrica3) Voltaje4) Resistencia

a. Es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o flujo de electrones.

b. Estudia las cargas eléctricas en movimiento.c. Es el movimiento de las cargas negativas a través de

un conductor, es decir es un flujo de electrones.d. Se le conoce también con los nombres de diferencia

de potencial o tensión.

15. Los factores que influyen en la resistencia eléctrica de un conductor son: la naturaleza del conductor, la longitud del conductor, ___________________ y __________________.

16. El siguiente enunciado: “la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”, corresponde a la ley de: ____________

17. Un circuito eléctrico se conecta en ________________, cuando los elementos conductores están unidos uno a continuación del otro, mientras que en los circuitos en ___________________ los elementos conductores se hallan separados en varios ramales y la corriente eléctrica se divide entre cada uno de ellos.

18. Se le da el nombre de _______________ a la sustancia o dispositivo que ejerce una fuerza de atracción sobre objetos metálicos, y recibe el nombre de _____________________ a la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, níquel y al cobalto, por otro lado se le llama ____________________________ a la zona que rodea a un imán.

19. Relaciona las siguientes columnas que muestran por un lado los términos usados en el magnetismo y por otro sus conceptos

Términos ConceptosI. imán natural

II. magnetismo terrestre

III. imán artificialIV. campo magnético

a. zona que rodea a un imán.b. magnetita (fe3o4)c. se debe a las corrientes eléctricas que circulan

alrededor de la tierra o a la gran cantidad de depósitos de hierro que existen ene ella.

d. permanente y temporal.______________________

20. Gráficamente la representación del campo magnético en imanes de barra o de herradura muestra a las líneas de fuerza que se esparcen desde el polo _________________ y se curvan para entrar al ____________________________.

21. Científico que de forma accidental, mientras impartía una clase de física descubrió lo que hoy se conoce como electromagnetismo._______________________________________

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22. De acuerdo con el campo magnético producido por una corriente cuando circula por un conductor recto, una espira y solenoide, contesta falso o verdadero los siguientes casos.

Casos:I. en un conductor recto la dirección del campo magnético depende del sentido de

la corriente, por lo tanto se toma al conductor con la mano izquierda con el pulgar extendido, el cual señala el sentido en el que circula la corriente y los dedos restantes indicaran el sentido del campo magnético: ________

II. en el interior de un solenoide las líneas de fuerza del campo magnético producido son paralelos y el campo magnético es uniforme: _______

III. en el campo magnético producido por una espira la dirección de la inducción magnética es perpendicular al plano en el cual se encuentra la espira: _______

26. Fenómeno que se produce debido a que los meridianos magnéticos y terrestres no coinciden, es decir es el ángulo de desviación formado entre el norte geográfico real y el norte que señala la brújula______________________________________

27. Es el ángulo que forma la aguja magnética, es decir, las líneas de fuerza del campo magnético con el plano horizontal._______________________________________

28. Cuando una corriente circula a a través de un solenoide, las líneas de fuerza del campo magnético generado se asemejan al campo producido por un imán en forma de ______________, en su interior las líneas de fuerza son ___________________ y el campo magnético es uniforme.

29. El espectro del campo magnético creado por una espira se origina por líneas ____________ que rodean a la corriente y por una línea __________ que es el eje central del círculo.

30. De acuerdo a la ley de Faraday mencione que enunciados resultan verdaderos.I) En una fem inducida mientras mayor número de vueltas tenga la bobina

menor será la fem. ______II) Mientras mas rápido se corten las líneas de fuerza magnéticas por el

conductor, mayor será la fem. ______III) Para cortar las líneas de flujo se puede mover el campo magnético (imán) o

también la bobina (conductor). ______

32. Es aquella que se produce cuando se mueve un conductor en sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético._________________________________

33. La Ley de _______________ dice: siempre que se induce una fem, la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce, mientras que la Ley de __________ dice: la fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético

34. De acuerdo a la ley e Faraday, menciona que resultados resultan verdaderos:

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I. En una fem inducida mientras mayor numero de vueltas tenga la bobina, menor será la fem obtenida ______

II. Mientras mas rápido se corten las líneas de fuerza magnética por el conductor mayor será la fem obtenida ______

III. Para cortar las líneas de flujo se puede mover el campo magnético (imán) o también la bobina (conductor) ______

35. Cual de los siguientes enunciados resultan verdaderos, acerca de la corriente alterna:I) La corriente alterna presenta entre 100 y 120 ciclos/segundo ______II) En la corriente alterna el flujo electrónico es en un solo sentido _____III) Esta corriente es la que comúnmente se usa en los hogares e

industrias_____IV) El voltaje de este tipo de corriente puede aumentarse con un

transformador_____

36. Relaciona las columnas correspondientes

I) Transformador a) Dispositivo que transforma la energía mecánica en

energía eléctricaII) Generador eléctrico b) Sirve para aumentar o disminuir el voltaje

III) Motor eléctrico c) Dispositivo que convierte la energía eléctrica en

energía mecánica__________________________

37. Principio en el que se basa el funcionamiento de un transformador___________________________________

38. Dispositivo del motor eléctrico que convierte la corriente alterna en corriente directa___________________________________

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Evaluación general

I Contesta lo siguiente

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1. Estudiar a los líquidos en reposo es el objetivo de la:

2. Es una característica propia de los fluidos que se pueden definir como una medida de la resistencia que opone un líquido a fluir.

3. Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente, se trasmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que los contiene. Este principio enunciado corresponde a:

4. Es la relación existente entre el volumen del líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir.

5. Es la propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas esparcidas incluso en el vacío a 200,000 km/s

6. Es la relación de calor suministrado a un cuerpo con respecto al correspondiente incremento de temperatura de dicho cuerpo.

7. Rama en la que se divide la electricidad para su estudio, y esta se encarga de estudiar las cargas eléctricas en reposo.

8. Parte de la física que se encarga de estudiar al conjunto de fenómenos que resultan de las acciones mutuas entre la corriente eléctrica y el magnetismo

9. Se define como la rapidez con que se realiza un trabajo, o también como la energía que consume una maquina o cualquier dispositivo eléctrico en un segundo.

10.El calor que produce una corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente. Este enunciado corresponde:

II. Resuelve los siguientes problemas

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1. Calcular la masa y el peso de 1800 lt de gasolina. Densidad de la gasolina 700 kg/m3

2. Calcular la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 5 m de profundidad, si la densidad del agua es de 1000 kg/m3

3. ¿Cuál será el área de un pistón, cuando existe una fuerza de 126 N y una presión de 6000 N/m2

4. Un cubo de acero de 16 cm de arista se sumerge en agua. Si tiene un peso de 223 N, ¿cuál será el empuje que recibe el cubo? PEagua = 9800 N/m3

5. Calcular el gasto y el flujo si por una tubería fluyen 1800 L de agua en 1 minuto.

6. ¿Con que velocidad sale el líquido por un orificio que se encuentra a una profundidad de 0.9 m?

7. Cual es el la longitud final de un riel de hierro de 100 m de longitud al cambiar su temperatura de 25 0C a 65 0C; el coeficiente de dilatación del hierro es de 11.7 x 10-6

8. Una fundidora tiene un horno eléctrico que puede fundir totalmente 5 kg de cobre. Si la temperatura del cobre inicialmente es de 50 0C, ¿Cuánto calor se requiere? Punto de fusión del cobre = 1080 0C. Lf = 13400 J/Kg. Calor específico del cobre = 390 J/kg

9. La intensidad de la corriente eléctrica en un circuito es de 13 miliamperes ¿Cuánto tiempo se requiere para que circulen por el circuito 120 coulombs? Expresa tu resultado en horas.

10.Obtener la potencia eléctrica de un tostador de pan cuya resistencia es de 40 ohms y por ella circula una corriente de 3 Amperes

Bibliografía

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1. Física General. Héctor Perez Montiel. Publicaciones culturales. Tercera reimpresión. México, 2003

2. Física, conceptos y aplicaciones. Tippens, Paul E. Mc Graw-Hill. 6a Edición. México, 1996

3. Actividades de apoyo para la enseñanza de física II. Jiménez Cisneros Emma. Limusa. México 2004

4. Enciclopedia Encarta 2005. Microsoft Corporation.

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cuaderno fisicaii

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