CAPACITACIN DE MANEJO DEL KIT DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO (2007)

ContenidoCarga Elctrica Corriente Elctrica Condensadores y circuitos RC Campo Magntico

Carga ElctricaEn fsica, es la electrosttica la encargada de estudiar las propiedades y accin recproca de las cargas elctricas en reposo.

Las explicaciones cientficas vigentes, afirman que existen en la naturaleza dos tipos de cargas elctricas.

Por convenio se miden unas con nmeros positivos y las otras con nmeros negativos.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de carga es el Culombio (C). Las partculas elctricamente cargadas llevan una carga igual en valor absoluto a una cantidad llamada carga elemental, e; as, el protn posee una carga +e y el electrn lleva una carga e, esta carga elemental equivale a 1.6x10-19 C Un tomo normal que no haya sido perturbado, es llamado tomo neutro, es decir posee el mismo nmero de cargas positivas y negativas

Produccin de carga estticaProduccin de carga por friccin; por ejemplo, una barra de mbar y un pao de franela, los electrones externos del tomo del pao de la franela son liberados y cedidos a la barra de mbar, con la cual esta queda cargada negativamente y aquel positivamente.

Produccin de carga por Contacto; es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes tomos poseen un defecto de electrones, que se vera en parte compensado por la aportacin del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto.

Produccin de carga por induccin; es un efecto de las fuerzas elctricas; debido a que stas se ejercen a distancia, a un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraer hacia si las cargas negativas, con lo que la regin prxima queda cargada negativamente.

Serie Triboelectrica tpicaPOSITIVO (+) Piel de conejo Vidrio Mica Cabello humano Nylon Lana Plomo Aluminio Papel algodn acero madera Ambar cera Nickel, cobre, plata Oro, platino Azufre Rayon Polyester Celuloide Silicona NEGATIVO (-) Tefln

Ley de conservacin de las cargas y Ley de Coulomb

Coulomb encontr que la fuerza de atraccin o repulsin entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. El valor de las constante de proporcionalidad K, depende de las unidades en las que se exprese F, q1, q2 y r. En el S. I. vale 9.0x109 Nm2/C2 La ley de Conservacin de las cargas establece que: La suma algebraica de las cargas elctricas de un sistema aislado es constante; es decir, en un cuerpo neutral (sin carga) hay cargas de signos contrarios, pero de igual magnitud absoluta, por lo que se anulan mutuamente.

Instrumento para medir la carga (El Electroscopio)El electroscopio consta de dos laminas delgadas de oro o de aluminio que estn fijas en el extremo de un a varilla metlica que pasa a travs de un soporte de ebonita, mbar o azufre, en general un material aislante; cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido.

Corriente elctricaEl termino corriente elctrica, o simplemente corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que pasa por alguna regin de espacio. La mayor parte de las aplicaciones prcticas de la electricidad tienen que ver con corrientes elctricas. Por ejemplo, la batera de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta.

La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si Q es la cantidad de carga que pasa por esta rea en un intervalo de tiempo t, la corriente promedio, I, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo, es decir: La unidad de corriente del Sistema Internacional es el ampere (A).

Esto significa que 1A de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el rea de la superficie en 1s.

Corriente contina y alternaLa corriente continua (CD o DC), implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola direccin. Una batera produce corriente continua en un circuito porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven siempre en el circuito en la misma direccin: del borne negativo que los repele al borne positivo que los atrae.

En la corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan de un polo a otro, sino que a partir de su posicin fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (nmero de oscilaciones por segundo). Sentido real de movimiento de los electrones.

Ley de OHMLa diferencia de potencial aplicada a un conductor es directamente proporcional al producto de su resistencia y la corriente que circula por el. Esta relacin conocida como Ley de OHM se escribe comnmente como:

Donde R, es la resistencia del conductor, V el potencial aplicado en Voltios e i la intensidad de corriente; para el caso de un conductor cilndrico, esta dada por:Donde L, es su longitud y A su rea de seccin transversal.Una diferencia de potencial de 1V que pasa a travs de un conductor produce una corriente de 1A, cuando la resistencia del conductor es 1.

Leyes de KirchhoffLas redes de resistencias y generadores de f.e.m. en las que no hay agrupaciones sencillas, presentan problemas complejos que se resuelven por medio de las reglas de Kirchhoff.

Nudo: Punto de la red donde se unen tres mas conductores.Malla: Sucesin de ramas que forman un conductor cerrado.Rama: Es el conjunto de aparatos situados entre dos nudos consecutivos.En la figura se identifica a los puntos C y F como nudos; luego, el nmero de mallas es dos y se pueden representar en este caso particular por las letras ABCFA y FCDEF.

Regla de los nudos. La suma de las intensidades de las corrientes que llegan a un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen de el.

Regla de las mallas. La suma algebraica de las elevaciones y las cadas de potencial en cualquier recorrido cerrado (malla) en un circuito es cero.Donde , simboliza las fuentes electromotrices en el circuito.

Agrupamiento de resistenciasResistencias en serie. Cuando varios conductores de resistencias R1, R2,......, Rn, estn conectados en serie, ellos estn recorridos por la misma corriente I.

Pero la diferencia de potencial V en los bornes del conjunto es la suma de la diferencia de potencial entre las extremidades de cada conductor, sea:

Como V=RI, entonces:

Resistencias en paralelo. Para el caso donde n resistencias R1, R2, R3,., Rn se encuentran conectadas en paralelo entre dos puntos A y B tal como se muestra en la figura. De acuerdo al carcter conservativo de la corriente, la intensidad I que llega al punto A por el hilo principal es igual a la suma de las intensidades I1, I2, I3,.., In que parten de A en las diferentes derivaciones, es decir: I = I1 + I2 + I3 +.+ In

Como las resistencias se encuentran sometidas a la misma diferencia de potencial V = VA VB, entonces:

I1 = V/R1, I2 = V/R2, I3 = V/R3,., In = V/Rn Luego, es posible decir que:

Instrumentos para medicin de voltaje, corriente y resistenciaUn ampermetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que est circulando por un circuito elctrico, estn constituidos por un galvanmetro cuya escala ha sido graduada en amperios. Para efectuar la medida de la intensidad de la corriente circulante el ampermetro ha de colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha corriente.

Un voltmetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito elctrico. La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el circuito puede medirse uniendo simplemente las terminales del voltmetro entre estos puntos sin romper el circuito. En este caso, es necesario observar la polaridad del instrumento.

El multmetro. El multmetro posee un instrumento de bobina mvil comn para todos los casos, est formado por un arrollamiento en forma de cuadro que puede girar alrededor de un eje vertical que pasa por su centro; dicha bobina est situada entre los polos norte y sur de un imn permanente en forma de herradura.

Al circular corriente por la bobina, aparece un par de fuerzas que tiende a hacer girar a la bobina en sentido horario, y junto con ella tambin gira una aguja que se desplaza sobre una escala graduada que es donde se realiza la lectura.

Condensadores y circuitos RC

Condensador de placas planas paralelas Si dos conductores aislados (placas A y B) se conectan a una f.e.m. se produce una diferencia de potencial entre ellos; para producir esta diferencia de potencial se requiere llevar carga de un conductor al otro y por consiguiente realizar un trabajo, el cual es hecho por la f.e.m. Todo el sistema tiene una carga neta cero ya que los conductores tienen igual carga pero signo contrario.La carga que tienen los conductores depende de la fem. que los conecta y de otros factores tales como la distancia entre ellos, su tamao y su forma geomtrica. La carga es directamente proporcional a la diferencia de potencial producida por la fem. entre los conductores, esto es:

La unidad de la capacitancia es el Faradio en honor de Michael Faraday; un condensador tiene una capacitancia de 1 Faradio cuando la carga es de 1 culombio y su diferencia de potencial es de 1 Voltio, as:

1 Faradio = 1 Culombio / 1 Voltio

La ecuacin que determina la capacitancia de un condensador plano es:

Donde 0 es la permitividad del vaco, numricamente igual a: 8,8542x10-12 C2/Nm2

Circuitos RCUn circuito simple que contiene resistencias y condensadores, nos permitirn obtener corrientes variable sen el tiempo tal como se muestra en la figura, un condensador y una resistencia estn conectadas en serie a una fuente fem. .Proceso de CargaEl condensador se empieza a cargar producindose una diferencia de potencial en el conductor que tiende a ser de igual magnitud al de la fuente a medida que el tiempo transcurre y el flujo de carga tiende a ser cero.

Proceso de descarga. Si el interruptor pasa a la posicin b luego de haber estado en a un tiempo > > C entonces el condensador actuara como una fuente y la corriente circulara en la direccin opuesta disminuyendo su magnitud, entonces:

Considerando que para t = 0 el condensador almacena una carga C y para un tiempo t la carga es q, se tiene que:

Campo Magntico Un campo magntico es el espacio alrededor de un cuerpo en el cual se manifiesta su influencia magntica. El detector ms comn de los campos magnticos es una brjula aguja magntica.

El campo magntico se representa por las lneas de induccin, las cuales son tiles en el anlisis cuantitativo.La tangente a la lneas de induccin en cualquier punto es paralela al campo en ese punto. El nmero de lneas de induccin por unidad de rea seccin transversal en una regin esta en relacin directa a la magnitud del campo magntico.

Campo magntico en una bobinaLa bobina es un arreglo geomtrico de conductores con corriente que nos pueden generar un campo magntico uniforme. Si hacemos pasar corriente por una espira esta nos da un campo magntico como se muestra en la figura, en el cual podemos dibujar de acuerdo a la direccin del campo B, el polo norte y el polo sur.Si juntamos varias espiras, conectadas entre si, de un mismo radio y colocadas como se muestra en la figura siguiente formaremos una bobina que tiene una longitud grande comparada con el radio de las espiras que la forman, este arreglo se conoce como solenoide.

El campo magntico dentro del solenoide es:

Donde n = N/l, es el numero de vueltas en el solenoide N entre su longitud total l; i es la corriente que circula por el solenoide y 0 es la permeabilidad del vaco numricamente igual a: 1.26x10-6 mkgC-2

La ecuacin anterior se puede utilizar para calcular la intensidad de campos magnticos en puntos internos cerca del centro, para bobinas reales con una aproximacin muy buena.

Ley de FaradayEn 1831 Faraday observo que cuando en una bobina que tiene conectado un galvanmetro como se muestra en la figura, se introduce un imn, se produce una desviacin en el galvanmetro lo que es equivalente a producirse una corriente en la bobina, pero este fenmeno sucede nicamente cuando el imn esta en movimiento.De esto se puede concluir que se induce una f.e.m. en la bobina donde esta conectado el galvanmetro y su magnitud va a depender de la variacin del flujo magntico con respecto al tiempo, lo cual se expresa matemticamente como:Donde:, es la fem. inducida.B, es el flujo magntico, rea bajo la grfica campo magntico - tiempo.

A esta ecuacin se le conoce como Ley de Faraday.

Cuando tenemos una bobina con N vueltas, donde cada vuelta pasa por el mismo flujo, entonces tenemos que el flujo total es igual al flujo de una espira multiplicado por el nmero de espiras que tambin se conoce; la rapidez del cambio de flujo con respecto al tiempo tendr relacin directa con la magnitud de la f.e.m.

Donde:N, es el nmero de espiras en la bobina de prueba.

Circuito que contiene bobina y resistencia (RL)Una resistencia inductiva por la cual circula una corriente que aumenta de intensidad, se convierte en un generador de f.e.m. cuyo sentido es opuesto al de la corriente. Como consecuencia de esta fuerza contraelectromotriz, la intensidad de la corriente en un circuito inductivo no alcanzara su valor final en el instante mismo de cerrar el circuito, sino que aumentara a un ritmo que depende de su autoinduccin y resistencia. A la constante L/R se le conoce con el nombre de constante de tiempo inductivo y se representa por L = L/R y su significado fsico es que corresponde al tiempo necesario para que la corriente alcance 63% de su valor final

Cuando el interruptor cambia de a hacia la posicin b, el inductor acta como fuente de voltaje hasta que se disipa en la resistencia, la energa que tena almacenada; aplicando la segunda ley de Kirchhoff a este circuito de descarga obtenemos:Las condiciones para resolver la ecuacin son que para t = 0, i = /R y para un tiempo t la corriente es i, sustituyendo el valor dado por la Ley de Faraday para , tenemos: