unidad circiutos electricos

Cuarta unidad.-Interacciones Eléctricas y magnéticas. Fenómenos

luminosos

Del curso de Física III

Propuesta de Modificación

EL COLEGIO DE FÍSICA TURNO

MATUTINO

Tema desarrollado por:

Abr. 2009Física III, cuarta unidad

INDICE

4.1.- Estructura de la materia y electrones en los metales

4.2.- Circuitos eléctricos resistivos

4.3.- Potencia eléctrica y perdida de calor

4.4.- Inducción electromagnética

4.5.- Inducción de campos

4.6.- Síntesis de Maxwell

4.7.- Identificar propiedades de las ondas

4.8.- Ondas electromagnéticas

4.9.- La luz como onda electromagnética

NOTA: Después de cada de tema se realizarán prácticas de Laboratorio

del manual de Física III

Física III, cuarta unidad Abr. 2009

4.1. Estructura de la Materia y Electrones en los metales.

El modelo atómico de Bohr que es la base de la estructura de la materia. La evidencia experimental de las líneas espectrales, la radiación de cuerpos negros y el efecto fotoeléctrico propiciaron pistas para una comprensión más profunda de la naturaleza y el comportamiento de los átomos. En 1911 Rutherford agregó una contribución crucial al proponer que el átomo tenía un diminuto núcleo cargado positivamente el cual contenía la mayor parte de la masa del átomo, esta descripción entraba en conflicto con la teoría electromagnética clásica, pero si se consideraban en reposo a los electrones, no podía encontrarse alguna configuración estable posible; el electrón se precipitaría irremediablemente hacia el núcleo. Por otra parte si daban vueltas en una órbita circulara alrededor del núcleo, deberían experimentar una aceleración constante hacia el centro y entonces salió esta pregunta ¿Qué es lo que evita que el átomo se colapse?

1.- Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas no radiactivas y estacionarias, o estables que corresponden a estados de energía fijos.

2.- El átomo emite luz sólo cuando el electrón efectúa un cambio repentino de un estado de energía a otro estado menor de energía.

A partir de estos postulados Bohr pudo calcular los niveles de energía del átomo de hidrógeno.

Basándose en la estructura de la materia, analizaremos el comportamiento de los electrones en los metales. Suponga que un trozo de materia está compuesto de muchos átomos dispuestos de una manera peculiar de acuerdo al material. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres, que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la habilidad de transferir carga de un objeto a otro, y se les llama conductores.

Un conductor es un material a través del cual se transfiere fácilmente la carga.


4.2. Circuitos eléctricos resistivos.

En este tema hay que definir corriente eléctrica, voltaje y resistencia eléctrica.

Corriente eléctrica:

Consideramos un alambre o conductor metálico en el cual se establece un campo eléctrico E, sabemos que en el alambre existe un gran número de electrones libres, tales electrones quedan sujetos a la acción de una fuerza eléctrica debida al campo, y puesto que son libres, entran inmediatamente en movimiento. Como los electrones poseen carga negativa (-), su desplazamiento tendrá sentido contrario al del campo aplicado, por lo tanto podemos definir “que” cuando un campo eléctrico se establece en un conductor cualquiera, las cargas libres ahí presentes entran en movimiento debido a la acción de este campo, a este fenómeno se le llama, corriente eléctrica (I).

I = _____Q_____ = _C_ = 1 Ampere

t S

La corriente eléctrica se divide en dos: corriente continua (cc) y corriente alterna (ca):

Corriente continua (C.C.).- Se explicó anteriormente que en la aplicación de un campo eléctrico E a un conductor, se establece en él una corriente eléctrica cuyo sentido convencional es el mismo que en el del vector E. Entonces si el sentido del campo eléctrico aplicado permanece constante, el sentido de la corriente, también se mantendrá inalterado, es decir, las cargas se desplazaran continuamente en un mismo sentido en el conductor. Una corriente de esta clase recibe le nombre de corriente continua (cc). Por ejemplo la cc es proporcionada por la batería o acumuladores de carros, pilas secas, etc.


Corriente alterna (C.A.).- La corriente eléctrica que suministran las empresas públicas de electricidad en casi todas las ciudades del mundo es corriente alterna, el campo eléctrico E establecido en un conductor cambia periódicamente de sentido, por consiguiente las cargas eléctricas en el conductor oscilarán desplazándose unas veces en un sentido y otras en sentido contrario, dando como consecuencia que la corriente que circula así como el campo cambie de sentido periódicamente, por lo cual se le llama corriente alterna (C.A.), es decir en estas corrientes las cargas eléctricas que existan en el conductor, ejecutan 60 oscilaciones completas por segundo (60 hertz), esta corriente se representa en forma de onda “sinusoidal o senoidal” por su generación.

Voltaje o tensión eléctrica:

En el estudio de los fenómenos eléctricos hay una cantidad muy importante que se relaciona con este trabajo. Dicha cantidad se denomina “diferencia de potencial entre los puntos A y B” y se representa por “VA– VB “ y se define por la relación:

VA – VB = TAB

q

A esta diferencia de potencial eléctrico también se le llama “tensión eléctrica o bien voltaje” entre dos puntos, representándose “VAB “ o sencillamente por “V”.


Resistencia eléctrica

Supongamos un conductor AB conectado a una batería:

Sabemos que la batería establece una diferencia de potencial VAB en los extremos del conductor, y por

consiguiente una corriente ( i ) pasará a través de él.

Las cargas móviles que constituyen la corriente eléctrica, aceleradas por el voltaje VAB, realizarán choques

contra los átomos o moléculas del conductor, por lo cual habrá una oposición que éste ofrecerá al paso de la corriente eléctrica a través de él. Esta oposición podrá ser mayor o menor, dependiendo de la naturaleza del conductor conectado entre A y B. Obviamente la corriente i en el conductor será mayor o menor dependiendo de dicha oposición.

Por lo tanto podemos definir, que cuando un voltaje VAB se aplica a los extremos de un conductor,

estableciendo en él una corriente eléctrica i, la resistencia de este conductor está dada por la relación:

R= VAB = Volt

i Amp


Circuitos simples y en serie (resistencias en serie).

Un circuito eléctrico consiste en cierto número de ramas unidas entre sí, de modo que al menos una de ellas cierra la trayectoria que se le proporciona a la corriente. El circuito más sencillo consta de una sola fuente de “fem” (pila o batería que utiliza energía química, la cual se transfiere hacia las cargas en forma eléctrica), unida a una sola resistencia externa.

Circuito eléctrico

elemental .

Circuito paralelo (resistencia en paralelo).

En resumen para Resistencias en Paralelo se deben de tomar estas condiciones:

a).- La corriente total en un circuito en paralelo es igual a la suma de las corrientes en los ramales individuales.

b).- Las caídas de voltaje a través de cada ramal del circuito en paralelo deben de ser de igual magnitud.

c).- El recíproco de la resistencia total es igual a la suma de los recíprocos de las resistencias individuales conectadas en paralelo.

I = _I_ +_ I__ + … + I_

R0 R1 R2 Rn

R1

R3R2

A

B


4.3. Potencia Eléctrica y Pérdida de Calor.

Si se conecta un motor al circuito, a la pérdida de energía se divide entre el calor y el trabajo útil realizado. En cualquier caso, la energía ganada en la fuente “fem” debe de igualar la energía perdida en el circuito completo. Por lo tanto podemos definir que se desarrolla un “joule” (unidad en que se mide el trabajo realizado) de trabajo por cada Coulomb de carga que se mueve a través de una diferencia de potencial de un volt, por lo tanto T = Vq, donde “q” es la cantidad de carga transferida durante un tiempo “t” que es igual a la corriente I = q despejando “q” se tiene q = It y sustituyendo en T = vq se tiene t= VIt, este trabajo t

Representa la energía ganada debido a un carga que pasa a través de la fuente de “fem” durante el tiempo “t”.

Una cantidad equivalente de energía se disipará en forma de calor a medida que la carga se mueve a través de una resistencia externa. La rapidez con la cual se disipa el calor en un circuito eléctrico se conoce como “Potencia disipada” o cuando la carga fluye en forma continua a través de un circuito toma el mismo nombre y esta dada por P = VI donde sus unidades S I estarán en “watts” (w).

V = J y I = C sustituyendo en P = VI

C s

Tenemos, P = _J_ C_ = _J_ = W

C S S

Si sustituimos en P = VI el voltaje (v) o la corriente (I) la ecuación de la ley de Ohn [V = IR] tenemos que P = I 2 R y P = V2

R


Leyes de kirchhoff .

Una red eléctrica es un circuito complejo que consiste de trayectorias cerradas o mallas por donde circula corriente. Es complicado aplicar la Ley de Ohm cuando se trata de redes complejas que incluyen varias mallas y varias fuentes de fem. Gustav Kirchhoff de origen alemán desarrolló un procedimiento más directo, para analizar circuitos de este tipo en el siglo XIX, su método se apoya en dos leyes.

Primera Ley : La de las corrientes que llegan a una unión es igual a la suma de las corrientes que salen de esa unión.

∑ I entrada = ∑ I salida

Segunda Ley: La suma de las “fems” alrededor de cualquier malla cerrada de corriente es igual a la suma de todas las caídas “IR” alrededor de dicha malla.

∑ ξ = ∑ IR

En un circuito un nodo es cualquier punto en un circuito donde confluyen tres o más cables. La primera Ley simplemente establece que la carga debe fluir en forma continua y no se puede acumular en un nodo.

Ejemplo: (primera ley)


La segunda ley es un postulado de la conservación de la energía. Si se parte de cualquier punto del circuito y se sigue por cualquier trayectoria o malla cerrada, la energía que se gana por unidad de carga debe ser igual a la energía que se pierde por unidad de carga.



Capacitores: Un dispositivo que esta constituido por dos cuerpos conductores separados por un aislante, los conductores se conocen como armaduras o placas y el aislante es su dieléctrico.

C = Q = Coul = 1 Farad

V Volt

Q0 = Q1 + Q2 + Q3 + Qn y

C = _Q_

V

C0 = C1 + C2 + C3 + Cn

I_ = _I_ + _I_ + _I_ + … + _I_

C0 C1 C2 C3 Cn

Circuito Paralelo

Circuito Serie

Campo magnético:

Definiremos que se entiende por campo magnético. Todo imán esta rodeado por un espacio, en el cual se manifiestan sus efectos magnéticos. A dicho espacio se le llama región de campos magnéticos o también llamados “líneas de flujo”. La dirección de una línea de flujo en cualquier punto tiene la misma dirección de la fuerza magnética que actuaría sobre un polo norte imaginario. “De acuerdo con esto, las líneas de flujo magnético salen del polo norte del imán y entran en el polo sur del mismo “.

A diferencia de las líneas de campo eléctrico, las líneas de flujo magnético no tienen puntos iniciales o finales forman espiras continuas a través de la barra ver fig.

Campo magnético de un conductor recto.


Campo magnético de una Espira:

Campo magnético en un Solenoide:


4.4. Inducción electromagnética.

En resumen podemos concluir que:

a).- El movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce una fem en el conductor.

b).- La dirección de la fem inducida depende de la dirección del movimiento del conductor con respecto al campo.

c).- La magnitud de la fem es directamente proporcional a la rapidez con la que el conductor (espiras) corta las líneas de flujo magnético.

d).- La magnitud de la fem es directamente proporcional al número de espiras del conductor que cruza las líneas de flujo.

La relación cuantitativa para calcular la fem inducida es una bobina de “N” espiras es:

ξ = - N ∆ Ø

∆t

ξ = fem (fuerza electromotriz) media inducida.

∆ Ø = Cambio en el flujo magnético durante

un intervalo de tiempo ∆t

Por lo tanto podemos decir que: “Un flujo magnético que cambia con una rapidez de un Weber por segundo inducirá una fem de un volt por cada espira del conductor. El signo negativo en la ecuación significa que la fem inducida tiene tal dirección que se opone al cambio que la produce.


4.5. Inducción de campos.

Por lo tanto podemos decir que cuando una tensión constante V1, se aplica al primario de un

transformador, el flujo magnético que atraviesa su secundario también será constante, no habiendo por tanto, tensión inducida en esta bobina. Cuando la tensión aplicada al primario es variable, un flujo magnético también variable atravesará las espiras del secundario y una tensión V2 aparecerá en los

extremos de esta bobina y esto se representa por la relación:

V2 = N2

V1 N1

Donde:

V2= voltaje en el secundario (v)

V1= voltaje en el primario (v)

N2=Número de espiras en el secundario

N1=Número de espiras en el primario.

(a) Esquema de un transformador.

(b) Símbolo eléctrico de un transformador.


4.6. Síntesis de Maxwell.

Emprendió la tarea de determinar las propiedades de un medio que pudiera transportar luz y además tomar parte en la transmisión de calor y la energía eléctrica.

Su trabajo demostró que una carga acelerada puede radiar ondas electromagnéticas en el espacio. Asimismo explica que la energía en una onda electromagnética se divide por igual entre los campos eléctricos y magnéticos que son perpendiculares entre sí. Ambos campos oscilan en forma perpendicular a la dirección de propagación de la onda, como se muestra en la fig. 13. Por lo tanto, una onda luminosa no tendría que depender de una materia que vibrara. Se propagaría mediante campos oscilatorios transversales. Una onda de este tipo surgirá de los alrededores de una carga acelerada y cruzará el espacio con la velocidad de la luz.

Las ecuaciones de Maxwell predijeron que el calor y la acción eléctrica, al igual que la luz, se propagaban a la velocidad de la luz como perturbaciones electromagnéticas.

La teoría electromagnética sostiene que la luz se propaga como campos transversales oscilatorios. La energía se divide por igual entre los campos eléctricos y magnético B, y que son perpendiculares entre sí.


Por lo tanto basándose en los descubrimientos de Faraday propone:

Primera ley. Que un campo magnético variable induce un campo eléctrico.

Con base en los descubrimientos de Oersted y Ampere donde una corriente genera un campo magnético, propone su segunda ley que dice:

Segunda Ley Un campo eléctrico variable o una corriente eléctrica inducen un campo magnético”.

Maxwell a estas dos leyes le agrega los descubrimientos de Gaus y postula sus últimas leyes.

Tercera ley: El flujo eléctrico que atraviesa una superficie cerrada es proporcional a la carga neta que encierra

Cuarta Ley: El flujo magnético que atraviesa una superficie cerrada es siempre cero.


4.7. Ondas electromagnéticas.

Partiendo de las ideas más importantes de Maxwell (si un campo eléctrico existente en cierta región del espacio, sufre una variación en el tiempo, tal variación hará aparecer en esa región, un campo magnético inducido) que, consistió en prever la existencia de las ondas electromagnéticas. (ver figura)

La propagación en el espacio de una perturbación constituida por los campos variables E y B, se denomina onda electromagnética.

Supongamos que en cierta región del espacio existe un campo magnético B, variable en el tiempo. Por ejemplo consideremos el campo que existe entre los polos de un electroimán, cuyas expiras son alimentadas por un generador de corriente alterna como se observa en la figura .( ver figura )



El campo B, al ser generado por una corriente alterna, será un campo oscilante, o sea que su magnitud y su

sentido variarán en forma periódica en el transcurso del tiempo. Entonces, como hay variación en el campo

magnético, en los alrededores del electroimán aparecerá un campo eléctrico inducido E.

A su vez, este campo variará en el tiempo, y de acuerdo con la hipótesis de Maxwell, originará un campo

magnético o inducido.

Este último, también variable, originará otro campo eléctrico inducido, y así sucesivamente.

De manera que se puede tener la propagación, en el espacio, de una alteración o perturbación constituida por los

campos variables E y B y que es radiada en todas direcciones, desde el electroimán, en la misma figura se

ilustra la radiación de estos campos, mostrando también los vectores E y B en un punto dado, y la velocidad V

con la cual se propagan a través del espacio.

4.9. La luz como onda electromagnética.- A principios del siglo XVIII era creencia

generalizada que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión,

y las sombras de los cuerpos, se podían esperar Torrentes de partículas. Isaac Newton demostró

que la refracción era provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trató

de explicarlo diciendo que las partículas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad

del medio.

En la cuneta quedaba la teoría de Christian Huygens que en 1674 propuso que la luz era un fenómeno

ondulatorio que se transmitía a través de un medio llamado éter , está teoría quedó olvidada hasta la

primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young solo era capaz de explicar el fenómeno de las

Interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda.

(Otros estudios de la misma época explicaron fenómenos como la difracción y la polarización teniendo

en cuenta la teoría ondulatoria).

El golpe final a la teoría corpuscular pareció llegar en 1848, cuando se consiguió medir la velocidad

De la luz en diferentes medios y se encontró que variaba de forma totalmente opuesta a como lo había

Supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los científicos aceptaron que la luz tenía una naturaleza

Ondulatoria, sin embargo todavía quedaban unos puntos por explicar como la propagación de la luz

a través del vacio, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio físico y la luz

viajaba incluso más rápido que en el aire o en el agua. Se suponía que este medio era el éter del que

Hablaba Huygens pero nadie lo conseguía encontrar.



En 1845 Faraday descubrió que el ángulo de polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo

Magnético, proponiendo dos años mas tarde, que la luz era una vibración electromagnética de alta

Frecuencia . Maxwell inspirado en el trabajo de Faraday , estudio matemáticamente estas ondas electromagnéticas y se dio cuenta que siempre se propagaban a una velocidad constante y que coincidía con

La velocidad de la luz y que no necesitaban medio de propagación ya que se autopropagaban, la confirmación experimental de las teorías de Maxwell eliminó las ultimas dudas que se tenían sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.


La refracción: es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este

fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que

viaja.

El cambio de dirección es mayor, cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz prefiere

recorrer las mayores distancias en su desplazamiento por el medio que vaya más rápido. La ley de Snell

relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por medio de los índices de refracción de los

medios.

Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromática a

través de un medio no paralelo, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes

componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva . Si el

medio es paralelo, la luz se vuelve a recomponer al salir de él.

Ejemplos muy comunes de la refracción son la ruptura aparente que se ve en un lápiz al introducirlo en

agua.

Refracción de un rayo de luz

Propagación y difracción: La sombra de una canica es una de las propiedades de la luz más

evidentes a simple vista es que se propaga en línea recta. Lo podemos ver, por ejemplo, en la

propagación de un rayo de luz a través de ambientes polvorientos o de atmósferas saturadas. La

óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la posición de la luz, en un determinado

momento, a lo largo de su transmisión de la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen

las sombras. Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla,

obtendremos sobre ella la sombra del cuerpo, si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo,

de tal forma que, relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá una sombra definida. Si

se acerca el foco al cuerpo surgirá una sombra en la que se distinguen una región más clara

denominada penumbra y otra más oscura denominada umbra.

Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz atraviesa un obstáculo

puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Este fenómeno, denominado

difracción, es el responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño todo se vea

distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un número de aumentos máximo.

Sombra de una canica


Interferencia :La forma más sencilla de estudiar el fenómeno de la interferencia es con el

Denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromática (de un solo color)

en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a

hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina

en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.

El fenómeno de las interferencias se puede ver también de forma natural en las manchas de aceite

sobre los charcos de agua o en la cara con información de los discos compactos ambos tienen una

superficie que, cuando se ilumina con luz blanca, la difracta produciéndose una cancelación por

interferencias, en función del ángulo de incidencia de la luz, de cada uno de los colores que contiene,

Permitiendo verlos separados, como en un arcoíris.

Experimento de Young


Reflexión y dispersión: Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que está constituido retiene

unos instantes su energía ya continuación la reemite en todas las direcciones. Este fenómeno es

Denominado reflexión. Sin embargo, en superficies ópticamente lisas, debido a interferencias

destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo ángulo

que incidió. Ejemplos simples de este efecto son los espejos, los metales pulidos o el agua de un río

(que tiene el fondo oscuro). La luz también se refleja por medio del fenómeno denominado reflexión

Interna total, que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es

más lenta a otro más rápido, con un determinado ángulo. Se produce una refracción de tal modo que no

es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Esta reflexión es

la responsable de los destellos en un diamante tallado. Cuando la luz es reflejada difusa e

irregularmente, el proceso se denomina dispersión. Gracias a este fenómeno podemos seguir la

trayectoria de la luz en ambientes polvorientos o en atmósferas saturadas. El color azul del cielo se

debe a la luz del sol dispersada por la atmosfera. El color blanco de las nubes o el de la le leche,

también se debe a la dispersión de la luz por el agua o por el calcio que contienen respectivamente.

Dispersión de una imagen


Polarización: El fenómeno de la polarización se observa en unos cristales determinados que

individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre si y con uno girado

un determinado ángulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno de los cristales,

la luz empieza a atravesarlos alcanzándose la máxima intensidad cuando se ha rotado el cristal 90º respecto al

ángulo de total oscuridad.

También se puede obtener luz polarizada a través de la reflexión de la luz. La luz reflejada está parcial o

totalmente polarizada dependiendo del ángulo de incidencia. El ángulo que provoca una polarización total se

llama ángulo de Brewster.

Muchas gafas de sol y filtros para cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.

Efecto de polarización de la luz


unidad circiutos electricos

Education