2016 FISICA 5to ES PARTE A USAR

Física

5ºN

2016

EXPECTATIVAS DE LOGRO

 Aplicación de herramientas metodológicas de la física (sistema, interacción, estado, modelo, análisis, observación, planteamiento de hipótesis, experimentación, contrastación, resolución de problemas y comunicación) en la interpretación de fenómenos del mundo natural y/o tecnológico.

 Compresión de mensajes e informaciones referidas a conceptos científicos expresadas en modo gráfico o analítico para realizar inferencias que den respuesta a las situaciones problemáticas cualitativas y/o cuantitativas planteadas.

 Utilización de conceptos fundamentales (relación proporcional, eficiencia, tasa, inducción, campo, acción a distancia, conservación de la carga, conservación de la energía, onda, transformación, potencia) al explicar el mundo natural y/o tecnológico con ojos físicos.

 Organización y codificación de la información y manejo adecuado de las herramientas conceptuales al enfrentarse con situaciones nuevas, medibles durante la comunicación tanto en forma oral como escrita, priorizándose: la claridad y precisión de las descripciones, los argumentos, las justificaciones, las hipótesis, las modelizaciones y las conclusiones que resultan del trabajo intelectual.

 Valoración del intercambio de ideas como fuente de aprendizajedurante el trabajo en los pequeños grupos y también mientras se realizan las puestas en común.

 Responsabilidad, compromiso y cumplimiento personal en referencia a: Tener en las clases la cartilla impresa con las consignas de trabajo, la hoja de fórmulas y los útiles escolares; terminar la tarea asignada o pendiente; elaborar y traer a clase los informes solicitados y contar con el material concreto requerido específicamente para las distintas clases.

 Incorporación al lenguaje cotidiano términos provenientes de la Física que permitan dar cuenta de fenómenos naturales y tecnológicos y del sentido crítico al momento de enfrentarse con información proveniente de los medios de comunicación, incluida la web.

CONTENIDOS CONCEPTUALES

Unidad Nombre de unidad Contenidos de la unidad

1

y la termodinámica (1)

Transferencia de energía “estática”. Radiación infrarroja y temperatura. Conceptualización de calor como proceso de transferencia de energía. Energía que cambia la temperatura de un cuerpo. Equilibrio térmico. Energía durante los cambios de estado. La energía térmica. Interpretación de la temperatura. Conducción vs convección. Conductividad térmica. Incidencia del tamaño de la frontera, el espesor, el gradiente térmico. La función del pelaje y la transpiración como un proceso de enfriamiento. (16 hs)

2

mecánica (1)

Trabajo mecánico y reconversiones de energía la energía mecánica. Determinar analítica del trabajo mecánico. Sistemas conservativos y disipativos. Transformaciones causadas por la fuerza gravitatoria. Cuantificación de las transformaciones energéticas. La degradación por rozamiento. Poleas, aparejos y planos inclinados: Interpretación energética. Cuantificación de la fuerza de rozamiento. (16 hs)

1

3

La carga eléctrica y la fuerza eléctrica. Los materiales frente a la electricidad. Ley de Coulomb. Mecanismos de carga de un cuerpo. Electroscopio. Conservación de la energía en circuitos eléctricos. Transformaciones de energía en fuentes y resistencias. Potencia eléctrica. Cortocircuitos. Interruptores. Diagramas simbólicos de circuitos. Medición de intensidad de corriente y voltaje con un multímetro. Cortocircuitos. La ley de Ohm. Capacitores. Resistencia eléctrica. Resistencia controlada (reóstato) Efecto Joule. Resistencia eléctrica equivalente en circuitos en serie, en paralelo y mixtos. Leyes de Kirchhoff. Potencia eléctrica (24 hs)

4

electromagnetismo

Atracción y repulsión magnética. Dominios magnéticos. Los materiales frente el magnetismo. Campo magnético de un imán. Líneas de fuerza. Efectos magnéticos de la corriente. Solenoides y bobinas. Campo magnético de un electroimán. Ley de Ampere. Fuerza de Lorentz. Leyes de la mano derecha. Inducción magnética. Motor y generador. Ley de Faraday-Lens. Funcionamiento de una linterna por movimiento. Transformadores. (22 hs)

5

Vibración y onda. Las ondas mecánicas. Velocidad, longitud de onda y frecuencia. Ondas sonoras. Ondas estacionarias. Resonancia. Funcionamiento de un parlante y un micrófono. Rayos y ondas. Trayectorias al chocarse con diferentes superficies. Reflexión y eco. Efecto Doppler. Interferencia. Difracción. Campos y ondas electromagnéticas. Espectro Electromagnético. Radar y Sonar. Ondas hertzianas. La óptica geométrica versus la teoría ondulatoria. (20 hs)

La evaluación será continua, sistemática, integradora, formativa, criterios y tanto cualitativa como cuantitativa, se evaluarán competencias en relación a conocimientos teóricos y prácticos, procedimientos, actitudes, habilidades y destrezas. La misma se ajustará a estos criterios de evaluación:

a) Análisis crítico de la información para la realización de las tareas y/o investigaciones pendientes, ajustándose a lo pedido y buscando coherencia en la presentación del escrito.

b) Realización en tiempo y forma de los trabajos planteados por el docente, tanto para la resolución en clase o en casa, en forma individual o grupal.

c) Interpretación y análisis coherente de situaciones físicas presentadas, a fin de reconocer el modelo físico asociado e identificar correctamente los datos, las variables y las constantes.

d) Habilidad en el tratamiento matemático de la información, tanto en el manejo algebraico como en la lectura y construcción de gráficos.

e) Uso correcto de las unidades.

f) Destreza en el trabajo con las unidades, con la toma de conciencia de las condiciones de aplicación, superando la mecánica “aplicación de recetas”.

g) Claridad y precisión en la expresión oral y escrita al momento de argumentar para sostener ideas. h) Integración de conceptos.

El profesor devolverá lo que se entregó para corregir con observaciones. A veces, colocará la leyenda REENTREGAR. En ese caso el alumno deberá profundizar ideas y no simplemente volver a resolver. Se espera que revise lo presentado, justifique dónde están los errores y por qué lo son, ahonde ideas y re plantee la respuesta a lo propuesto, enriqueciéndola. Presentará el trabajo original, en el que figuran las observaciones del docente y la nueva producción, en un folio. El resultado de esta revisión será otra nota, que se agregará a las calificaciones del trimestre

HOJA DE FÓRMULAS

A medida que se van desarrollando los contenidos los alumnos irán preparando su hoja de fórmulas. En ella figurarán las expresiones matemáticas de los modelos físicos abordados y servirá como apoyo memorístico al momento de interpretar y resolver problemas. Puede incluir todos los consejos que uno mismo se daría después de reflexionar sobre lo que inicialmente no salió, y se lo logró con ayuda, puntualizando dónde estaba el error o la traba...

Se sugiere usar la hoja de fórmulas siempre en clase, incluso en las instancias de evaluación.

INFORMES

Son escritos en papel (preferentemente digitalizados) centrados en la búsqueda de la solución a una problemática propuesta por el docente, en las actividades de Bob, el escritor o Bob, el constructor. Puede estar vinculado a una situación experimental o a la búsqueda de profundización bibliográfica.

En ellos se comentan los desafíos, los hallazgos, los obstáculos a superar y las variantes de interpretación o uso.

No faltarán fotografías ni gráficos aclaratorios y se incluirá cualquier comentario que se considere pertinente... Deben tenerse en cuenta, las recomendaciones dadas para la elaboración de los informes académicos y no superar las 5 páginas de extensión.

El día de la entrega, si la hubiera, se traerá a la clase el artilugio terminado y se mostrará cómo funciona. Si el profesor, pidiera re-entregar, se presentarán oportunamente el trabajo original, en el que figuran las observaciones del docente y la nueva producción.

RECOMENDACIONES PARA ELABORAR

LOS INFORMES ACADÉMICOS

Los informes, son escritos de elaboración grupal o personal que ponen de manifiesto cómo se han trabajado los conceptos implícitos en el trabajo/actividad del que se derivan y, centrándose en ese hecho, responden la problemática en cuestión. Esto significa, que el encuadre teórico está limitado a lo necesario y no va más allá…

En su formulación se responden estas preguntas:

1) ¿Qué cuestión (problema) se abordó?

La respuesta está en la Introducción. En la misma se define específicamente la problemática y se presenta la información relevante para el desarrollo del trabajo. Omitir datos que no están relacionados con el tema, facilitados por el copiar y pegar.

2) ¿Cómo se estudió el problema?

Se lo desarrolla en la sección Métodos. En esta sección se comenta qué se realizó, con qué y cómo para llegar a la solución. La información se acompaña de fotografías, cuadros, dibujos, etc. que hacen referencia y amplían lo que se está comentando, es decir no son solo elementos decorativos.

3) ¿Cuáles fueron los resultados?

Se los describe lo más claramente posible en la sección denominada Resultados. Recordar que una imagen vale mucho más que mil palabras, y que un buen epígrafe no debe ser ignorado.

4) ¿Qué significan esos resultados?

La interpretación de los resultados se presenta en el apartado llamado Discusión. Puede incluir cuestiones que llevan al lector a seguir pensando, presentando situaciones o preguntas, que según el autor todavía no se cerraron y necesitan de profundizaciones y avances.

a) Portada del trabajo: Debe figurar la institución, el docente, el titulo del informe (Es un párrafo descriptivo que especifica lo que el lector encontrará al leer el trabajo), el/los autor/es y la fecha.

b) Bibliografía

Para dar valor agregado al trabajo, es conveniente la consulta bibliográfica. La misma se cita según estas pautas.

 Textos y revistas: Se citan ordenados alfabéticamente, respetando este modo: Autor (Apellido, nombre). Año de ediciónentre paréntesis. Nombre del libro (en negrita). Subtítulo del libro. Ciudad de edición, nombre de la editorial. Opcionalmente pueden incluirse las páginas o los capítulos consultados.

Por ejemplo:

Beker, Joanne (2011) 50 cosas que hay que saber de física. Buenos Aires. Ariel. 1ª edición. Páginas 179 a 192.

 Sitios web, se citan separados de los textos. Es necesario indicar el tema consultado, la dirección exacta de la página y la fecha de consulta. La lista se ordena alfabéticamente.

Por ejemplo:

La pila de hidrógeno. http://www.youtube.com/watch?v=vQzh25xkgcc&feature=related Fecha de consulta: 10 de abril de 2013

Ítems que se considerarán para la evaluación del informe

Capacidad para abordar la problemática propuesta // Manejo de la información // Presentación // Expresión gráfica y escrita // Registro de evidencias y/o razonamientos efectuados // Interpretación creativa de resultados // Originalidad y personalización del informe // Coherencia // Entrega en fecha y forma // Desarrollo en 5 páginas a lo sumo.

Los alumnos conocerán el modo de preparación del informe (individual o en pequeños grupos, máximo 3 alumnos) al momento de acordar la fecha de entrega del mismo. Cuando se utilicen palabras de otros, deberá realizarse la cita bibliográfica correspondiente, indicando autor, año, fuente y página.

Los informes deben entregarse en el interior de un folio transparente, perfectamente identificado y con las hojas numeradas

SITIO WEB

Tener en cuenta que existe el sitio web específico de la cátedra en

https://sites.google.com/site/fisicainmaculada/home donde se publica material complementario y la vez revisado: lecturas recomendadas, artículos científicos específicos, aclaraciones, comentarios, fechas importantes, etc.

SERIE TRIBOELÉCTRICA + Vidrio Cabello humano Nylon Lana Piel Aluminio Poliéster Papel Algodón Acero Cobre Níquel Goma Acrílico Poliuretano PVC - Teflón

UNIDAD 3:

Electrostática y electrodinámica.

PARTE 1:

_{¿Esta fotografía es real o trucada?}

Responder y después de realizar las actividades que se proponen volver a la misma pregunta:

Materiales: Tijera, hilo de atar, papel, birome, trapo de lana, cuatro globos, cinta de teflón, espejo para verte, guantes quirúrgicos de látex, bolsas plásticas de distintos materiales, canilla o botella agujereada por la que salga un chorrito agua , papel de aluminio, cinta scotch ancha, papel tisú.

Actividad 1: Experimentos con globos

a) Inflar un globo y atarlo. Frotar sobre el pelo, con fuerza y varias veces, el globo inflado. Separarlo y acercarlo nuevamente al cabello, bien próximo pero sin llegar a tocarlo. Mirarse en el espejo.

b) Acercar la zona frotada del globo al cabello de otro compañero, siempre sin tocarlo. ¿Sucede lo mismo? ¿Aparece algo parecido a lo que muestra la foto que da inicio a esta actividad? Frotar nuevamente el globo y probar cerca del cabello de otras personas. ¿Todos los cabellos se comportan por igual? ¿Sucede lo mismo en el flequillo que en el resto de la cabeza?

c) Repetir la experiencia con el globo menos inflado. ¿Qué conclusión puede extraerse?

d) Inflar ahora dos globos y atarlos. Frotarlos con fuerza sobre la cabeza o con un trapo de lana. Sostenerlos por los nudos, de modo que puedan oscilar y acercarlos de modo que las partes frotadas de cada globo queden bien próximas. ¿Qué sucede?

e) Cortar tiras de 2 cm x 15 cm de varios materiales, entre ellos papel tisú, teflón, bolsa plástica, aluminio... Cargarlas por frotamiento y acercarlas a un globo frotado en el cabello. ¿Qué se observa? ¿Con cuáles materiales? ¿Con algún material el efecto resulta más notorio?

Actividad 2: A partir de las observaciones

1) Confeccionar una lista de todas las observaciones correspondientes a la actividad anterior y sus poderes de atracción y repulsión. Es decir, hacer un resumen de las "reglas “que gobiernan estos fenómenos.

2) Basándose en las observaciones, escribir una definición, del término "carga".

3) El frotamiento aumenta el número de puntos de contacto entre las sustancias, facilitando la transferencia de electrones de un cuerpo hacia otro. Existe una lista ordenada de materiales que constituyen la «serie triboeléctrica3» cuanto mayor sea la distancia entre dos materiales en la escala, más fácil es que se carguen entre sí. Corroborar la serie triboeléctrica, frotando los cuerpos más separados de la serie con los que se cuente.

Actividad 3: Otro modo de cargarse…

a) Frotar varias veces un globo inflado y acercarlo a una pared. ¿Se queda suspendido por un momento?

b) Acercar un globo cargado a un chorrito de agua. Sabemos que el agua no está cargada, sin embargo interactúa con el globo y modifica la trayectoria del chorrito de

agua. ¿Lo atrae o lo repele?

c) En la molécula de agua, el oxígeno, al ser más electronegativo que el hidrógeno, atrae más, hacia éste, los electrones compartidos en los enlaces covalentes con el hidrógeno, cargándose negativamente, mientras los átomos de hidrógeno se cargan positivamente, apareciendo entonces un dipolo eléctrico. Usar este hecho para justificar la trayectoria del chorrito de agua

2

Se sugiere complementar esta unidad con el Capítulo 4. Circuitos eléctricos. Electricidad en movimiento del libro. Rela, A. y Sztrajman, J. B. (1999). Física 2. Óptica, electricidad y magnetismo. Buenos Aires, Aique, colgado en la pag. web.

3

d) Con un bollito de papel de aluminio y un poco de hilo, preparar un péndulo. Sostenerlo por el hilo. Acercar el péndulo a un globo normal y a otro cargado. ¿Qué se observa en cada caso? ¿Cambia el resultado si con el péndulo se toca el globo a diferencia de cuando se lo acerca?

e) En la mayoría de los metales, grandes cantidades de electrones han escapado de sus átomos y se desplazan más o menos libremente entre ellos. Estos electrones son particularmente sensibles a una carga externa, ya sea negativa o positiva, que se aproxime. ¿Qué hacen entonces los electrones, para que el cuerpo manifieste efectos de “estar cargado”? ¿Con cuál de las experiencias anteriores puede relacionarse?

Con el pequeño grupo, construir un electroscopio casero y luego analizar qué sucede cuando:

 Se acerca a la esferita del electroscopio una regla de plástico o un globo previamente frotados, sin tocarla.

 Se toca la esferita con regla de plástico o un globo previamente frotados

 Se tocar la esferita con la mano, después de alguna de las propuesta anteriores En el informe centrarse en la interpretación de las observaciones anteriores.

Para reflexionar

1) Los experimentos con objetos cargados por frotamiento no son muy efectivos en un día con mucha humedad. Para esos días, se sugiere calentar el aire con un secador de pelo. ¿Por qué?

2) El film con el que cubrimos los alimentos se “pega”. ¿Por qué? ¿En qué momento se carga?

3) Se suele decir que para evitar que los autos se electricen se coloca en ellos una colita rutera. ¿Por qué los autos se electrizan? ¿Cómo previene la electrización la colita rutera?

4) ¿Por qué no es posible cargar fácilmente una barra de metal si se la sostiene con la mano y sí es posible hacerlo en caso de tener un mango aislante?

5) ¿Con qué signo se carga un pararrayos si se acerca una nube con carga negativa? ¿Por qué?

6) Con el fin de entenderse mejor entre sí, los científicos inventaron términos para referirse a las cosas que experimentaron. Antiguamente se hablaba de "electricidad vítrea" y "electricidad

resinosa", ¿qué querían decir? ¿Por qué eligieron la palabra "eléctrico"?

7) ¿Qué efecto producirán sobre el cabello el champú las planchitas anti-frizz, “cuyos fabricantes aclaran Patines Ceramic Ion y también alta emisión de iones”?

8) Un cuerpo se puede cargar por frotación o por contacto. Explicar cada uno de los mecanismos.

9) Cuando un cuerpo “se carga por inducción”, puede suceder que la carga neta sea nula y sin embargo interactuar eléctricamente con objetos cercanos. ¿Por qué?

10) Cargar por inducción no es una idea totalmente correcta, es mejor decir que se polariza. Buscar las razones.

11) ¿Cómo se interpretan estas situaciones de polarización?

Fuerzas y cargas eléctricas

Todo el mundo conoce la fuerza de la gravedad... Esta fuerza atrae a las personas hacia la Tierra y se la llama peso. Hay otra fuerza que se ejerce sobre las personas y que es miles de millones de veces más intensa. Una fuerza así comprimiría a las personas hasta convertirlas en una mancha tan gruesa como una hoja de papel. Pero además de esta enorme fuerza, aparece otra, de repulsión, que también es miles de millones de veces más intensa que la gravedad. Estas dos fuerzas se anulan una a otra y no producen ningún efecto observable. Este par de fuerzas que se ejercen sobre las personas todo el tiempo son fuerzas eléctricas.

Las fuerzas eléctricas provienen de las partículas del interior de los átomos... ¿Qué y por qué cambia en ellos, para que puedan atraer o repeler a diferentes objetos?

Nadie sabe por qué los electrones se repelen entre sí, mientras los protones los atraen. En estas condiciones se dice simplemente así es la naturaleza y, como no se posee una comprensión profunda

del fenómeno, se dice que es fundamental o básico. La regla fundamental que subyace a todo fenómeno eléctrico es:

Las cargas del mismo signo se repelen; las cargas de signo contrario se atraen.

El viejo dicho según el cual los contrarios se atraen, que generalmente se aplica a las personas, se puso en boga por primera vez gracias a los conferenciantes públicos que viajaban de un lado a otro a caballo o en diligencia, divirtiendo a la gente por medio demostraciones de las maravillas científicas de la electricidad. Una parte importante de tales demostraciones consistía en cargar y descargar bolitas de médula vegetal. La médula es un tejido vegetal ligero y esponjoso que se asemeja al telgopor®. Las bolitas se cubrían con pintura de aluminio para que sus superficies condujeran la electricidad. Suspendidas de hilos de seda, las bolitas eran atraídas por una barra de goma frotada con piel de gato, pero cuando entraban en contacto, la fuerza de atracción se convertía en fuerza de repulsión. A partir de ese momento, la barra de goma repelía a la bolita, que ahora experimentaba una atracción hacia la barra de vidrio frotada con seda. Dos bolitas cargadas de distinta manera presentaban tanto fuerzas de atracción como fuerzas de repulsión. El conferencista señalaba que la naturaleza nos daba dos tipos de carga, tal y como existían dos sexos distintos.

Ley de Coulomb

En la ley de la gravitación de Newton, la fuerza gravitacional entre dos objetos de masas m1 y m2 es

proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. ¿Cuál es la expresión matemática de esta ley?

La fuerza eléctrica entre un par cualquiera de objetos satisface igualmente una relación del inverso del cuadrado de la distancia. Esta relación fue propuesta por el físico francés Charles Coulomb (1736-1806) en el siglo XVIII. La ley de Coulomb establece que la fuerza que se ejerce entre dos partículas u objetos cargados es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia que los separa. La función que desempeña la carga en los fenómenos eléctricos es muy similar a la que desempeña la masa en los fenómenos gravitacionales.

Ley de Coulomb:

2 2 1

d

Q

Q

k

F





Donde:

Q1 representa la cantidad de carga de una de las partículas, Q2 la cantidad de carga de la otra y d es la distancia que separa las partículas cargadas y k es la constante de proporcionalidad.

resulta que una carga de 1 C es la carga de 6,24 trillones(6,24 x 1018) de electrones. Esto puede parecer un gran número de electrones, pero sólo representa la cantidad de carga que pasa por una lamparita común de 100 w en alrededor de un segundo.

Determinar en Coulomb la carga de un electrón. qe- = _____________ C

La constante de proporcionalidad k de la ley de Coulomb es similar a G en la ley de Newton de la Gravitación. En lugar de ser un número muy pequeño como G, la constante eléctrica de proporcionalidad k es un número muy grande.

Redondeada resulta: k = 9000000000 N m2/C2 = 9 x 109 N m2/C2.

Debido a que la mayoría de los objetos poseen el mismo número de electrones que de protones, las fuerzas eléctricas usualmente se cancelan. De esta forma, la fuerza de gravedad, mucho más débil y sólo atractiva, se convierte en la fuerza predominante entre los cuerpos astronómicos.

Si bien las fuerzas eléctricas se cancelan en el caso de los cuerpos astronómicos y de los objetos cotidianos, esto no siempre ocurre a nivel atómico. Los electrones de un átomo pueden a veces encontrarse más cerca de los protones de un átomo vecino que de sus electrones. Entonces la fuerza de atracción que se ejerce entre estas partículas cargadas es mayor que la fuerza de repulsión. Si la atracción total es lo bastante intensa, los átomos pueden unirse par formar moléculas. Las fuerzas químicas de enlace que unen a los átomos en moléculas son fuerzas eléctricas que se ejercen en pequeñas regiones en las que no hay equilibrio entre fuerzas de atracción y de repulsión

Para reflexionar

1) ¿Qué sucede con la fuerza eléctrica cuando se duplica la distancia existente entre los cuerpos cargados?

2) La fuerza de la gravedad es siempre atractiva, mientras que la eléctrica puede ser atractiva o repulsiva. ¿De qué depende? ¿Cuál es el comportamiento de los signos en cada caso?

3) ¿Cómo varía la fuerza entre dos partículas cargadas si su distancia triplica?

4) Se frota una varilla de vidrio y ésta se carga en forma positiva. Es atraída por un objeto enorme, ¿se puede afirmar que el objeto tiene carga negativa?

5) ¿A qué distancia deberían estar separados dos protones para que la fuerza de repulsión entre ambos fuera igual al peso de uno de ellos en la tierra? (La masa del protón es de aprox. 1,7 x 10

-27

kg y su carga 1,6.x 10-19 C.)

6) La fuerza de atracción entre dos esferas cargadas es de 5,4 x 10-3 N. Si la distancia que las separa es de 1 cm, y una de las esferas está cargada con 3 x10-8 C, ¿cuál es el valor de la carga de la segunda esfera?

7) ¿Se escribiría igual la ley de Coulomb si los electrones fuesen positivos y los protones negativos?

8) Un cuerpo pierde 1 billón de electrones. ¿De cuánto es la carga que adquiere? ¿De qué signo?

9) Los cinco mil millones de billones de electrones de una moneda de diez centavos se repelen unos a otros. ¿Por qué no salen despedidos de la moneda?

Campos eléctricos cerca de conductores

Las cargas sobre un conductor se distribuyen lo más distante posible unas de otras para que la energía del sistema sea la menor posible. Como resultado, todas las cargas se encuentran sobre la superficie del conductor sólido. Si el conductor es hueco, las cargas en exceso se moverán hacia la superficie externa. Si un contenedor metálico cerrado se carga, no se encontrarán cargas en las superficies internas del recipiente. De esta manera, un contenedor cerrado metálico resguarda de campos eléctricos la parte interna del recipiente. Por ejemplo, las personas dentro de un auto están protegidas de los campos eléctricos generados por los relámpagos.

Como las cargas se encuentran más próximas en las partes salientes de los conductores, el efecto eléctrico es más pronunciado. El campo eléctrico en tales

puntos puede ser tan fuerte, que las moléculas de aire cercanas se separan en iones positivos y electrones. Cuando se recombinan los iones y los electrones, se libera energía y se produce luz, con un brillo azul de la corona. Si el campo es suficientemente intenso, cuando las partículas chocan con otras moléculas, producen más iones y electrones. El flujo de electrones y de iones resultante es un plasma, un conductor. El resultado es una chispa, o, en casos extremos, rayos.

Para reducirlos, los conductores que se encuentran

altamente cargados o que operan con altos potenciales, tienen formas suaves para reducir los campos eléctricos.

El pararrayos no es más que un dispositivo que, colocado en lo alto de un edificio, dirige al rayo a través de un cable hasta la tierra para que no cause daños.

Puesto que el pararrayos está conectado a tierra, sus electrones son repelidos por los de la nube con lo que queda cargado positivamente al igual que la tierra bajo la nube.

Debido a la forma y características del pararrayos (efecto punta), la densidad de carga en la punta del pararrayos es tal que ioniza el aire que lo rodea, de modo que las partículas de aire cargadas positivamente son repelidas por el pararrayos y polarizan a las nubes nube. Cuando la densidad de cara es muy alta los electrones eligen el camino de menor resistencia y producen la caída del rayo a tierra, usando el pararrayos y el cable que los lleva hasta la jabalina clavada en la tierra.

Para reflexionar

1) ¿A qué llamamos efecto puntas?

2) ¿Cómo se forman los rayos en el juguete conocido como esfera de plasma?

3) Una fotocopiadora aprovecha las cargas eléctricas estáticas para funcionar. Explicar cómo.

PARTE 2:

Circuitos con lamparitas, cables y pilas

Materiales: Dos lámparas de 1,1 V. Una pila AA cargada. Ocho trozos de cable de 0,35 mm de 12 cm de largo. En cada extremo, quitar 1 cm del aislante que lo recubre. Retorcer los hilos de cobre que queden visibles. Cinta adhesiva.

Una lámpara se enciende al conectarla a una pila

1) Usar los dos cables para conectar la pila con la lamparita de modo que se encienda. Para una buena conexión, apretar las zonas que están en contacto. Si se pegan con cinta las conexiones, la lámpara quedará encendida.

2) Agregar al dibujo los dos cables usados para conectar la pila con la lamparita. Prestar atención al lugar en el que hacen contacto.

3) Si los cables se conectan al revés, ¿la lamparita se enciende? ¿Y si se usan leds en lugar de lamparitas?

4) Cuando la lamparita está encendida, el circuito está cerrado… ¿Cómo se cierra el circuito con la presencia de la lamparita? Explicar lo más detalladamente posible, auxiliándose con el esquema de la lamparita.

5) Trabajar para que se enciendan a la vez dos lamparitas con una pila, sabiendo que las lamparitas no pueden tocarse. Dibujar el conexionado que lo permitió.

6) Reemplazar una de las lamparitas por un motor o por un zumbador. ¿Siguen encendiéndose todos los componentes?

7) Analizar en detalle el conexionado que permite que una linterna pueda prenderse y apagarse. Representarlo lo más precisamente posible. ¿Tiene pulsador o interruptor?

8) ¿Qué pasa con el circuito cuando una la lámpara se quema? ¿Por qué? ¿Es lo mismo que se queme o se desconecte?

Pensar, diseñar y esquematizar los circuitos eléctricos

que corresponden a las situaciones que se describen:

1) La araña de una casa tiene cuatro lámparas... La manera en que se encienden unas y otras puede variar.

a) Se encienden de pares, de manera independiente. b) Se encienden de a pares, pero un par lo hace primero y el segundo, solo si el otro está encendido.

2) El encendido de estas lámparas se caracteriza porque se enciende una u otra, cualquiera sea, pero nunca ambas a la vez.

3) En una casa hay un único pulsador de timbre, con dos chicharras, una en la cocina y la otra en el quincho. Si el circuito se conecta para que las dos chicharras suenen a la vez, no funciona. Por eso, los habitantes solucionaron el problema incluyendo una llave de selección. Cuando están en la cocina el timbre suena allí, si se trasladan al quincho, antes de ir, mueven una palanquita. Con esto consiguen que el timbre suene solo en el quincho.

4) Armar los circuitos (4) y evaluar si funcionan tal como se pensaba...

4

Dos semáforos sincronizados para colocar en una esquina. Cuando uno está en verde, el otro en rojo y viceversa. Ambos muestran la luz amarilla en el intercambio.

Las luces se pueden cambiar a mano y por supuesto la habilitación del paso de peatones, es opcional!!!

¿En qué se mide la corriente? ¿Con cuál instrumento?

La corriente se mide en amperes (se abrevia A). Un ampere es mucha corriente…

En efecto, una corriente de un ampere equivale al pasaje de una carga de un coulomb (6,24 trillones de electrones) en un segundo.

1s

electrones

0.000

000.000.00

6.240.000.

1s

1C

1A





Por ello se utilizan el miliampere (mA) y el microampere (A)

Un multímetro sirve para medir la diferencia de potencial y la intensidad de corriente en un circuito... ¿Cómo debe conectarse y setearse en cada caso? ¿Por qué?

a) Medir la caída de tensión de una, dos, tres y cuatro pilas conectadas en serie… ¿Qué ocurre con la lectura cuando a alguna de las pilas se las invierte durante el conexionado?

b) Armar un circuito sencillo con dos pilas en serie y dos componentes también conectados en serie. Evaluar el funcionamiento en cada caso. ¿Cambia cuando se quita uno de los componentes? ¿Qué se lee en el amperímetro?

CASO 1: Dos lamparitas CASO 2: Una lamparita y un motor CASO 3: Una lamparita y un buzzer.

Conexiones y características técnicas

a) Conectar un amperímetro es como abrir una ronda y agregarse a ella. ¿Cómo debe ser la resistencia del amperímetro?

b) Un voltímetro se conecta en paralelo. ¿Cómo debe ser la resistencia interna de este aparato para que no modifique las condiciones del circuito en el que se quiere medir la tensión, también llamada voltaje, diferencia de potencial o caída de tensión? ¿Por qué?

Circuitos eléctricos virtuales

Abrir el phet llamado colgado en la unidad de

electricidad de 5º año de la cátedra para trabajar en estas situaciones:

1) Armar el circuito con un interruptor, dos lámparas y dos pilas en serie.

2) Cerrar el interruptor para evaluar que el circuito se cierra y las lámparas iluminan.

3) Con el voltímetro, medir el consumo de energía5 de cada lámpara y la entrega de energía de cada pila. ¿Qué convenio utiliza el programa para indicar que un componente entrega o que consume energía en el circuito?

5

4) ¿Cuánta corriente hay en cada cable que compone el circuito? Medirla para contestar.

5) Armar el circuito que se muestra esquematizado... ¿Cómo brillaría cada lámpara? Suponer y después probar. ¿Cuál es la caída de tensión (consumo energético) entre C y D? ¿Y entre A y B? ¿Y entre A y el punto intermedio entre las lámparas? ¿Por cuál de las ramas paralelas del circuito hay mayor intensidad de corriente? ¿Por qué será?

6) Cuando las lámparas son todas idénticas, la cantidad de corriente, que circula por cada rama, está relacionada con la luminosidad. ¿Por qué? Explicar a partir del análisis realizado en el circuito anterior.

7) Ahora analizar qué sucedería si se agrega un trozo de cable conductor en el tramo CD. Anticipar y solo entonces probar si las predicciones se cumplen. No olvidar medir las caídas de tensión y las intensidades de corriente.

8) ¿Y si el cable se agregara tal como muestra el esquema de la derecha? Hipotetizar y sólo entonces corroborar.

9) “Los electrones eligen” siempre el camino más fácil, aquel que le ofrece menor resistencia. Explicar en qué medida el circuito anterior permitió corroborarlo.

10) En este circuito, ¿se enciende la lámpara aunque el interruptor esté abierto? ¿Cambiaría la luminosidad cuando el interruptor se cierra?

Predecir, expresar las razones de tal predicción y solo entonces confirmar con el circuito virtual. Observar el movimiento de los electrones y medir la corriente y la caída de tensión...

¿En un cortocircuito se corta el circuito?

En algunos de los armados anteriores pueden corroborarse las leyes de Kirchhoff. Identificar 2 situaciones para cada una de ellas.

0





V

salientes entrantes

I

I







En palabras: Ningún electrón desaparece.

Ley de Ohm

1) Para ir del pueblo A al pueblo B, ¿cuál de las tres alternativas elegirías? ¿Por qué?

Un camino de 3 km de ripio, uno de 3 km de tierra o una de 3 km de asfalto Un camino de 3 km de ripio, u otro de ripio de 10 km

Un camino que funciona normalmente o uno que está habilitado pero en reparación

Lo contestado seguramente se vincula con los hallazgos de Ohm…

Georg Ohm nació el 16 de marzo de 1789 en la pequeña población bávara de Erlangen. Su padre, era herrero de oficio, profesión que se heredaba de generación en generación. Sin embargo, Georg encontró tiempo para estudiar Filosofía y Matemática durante sus vagabundeos por Alemania y Francia como herrero.

Por desgracia, la educación formal de Georg tuvo que interrumpirse después de tres semestres en la universidad. Se dedicó entonces a la enseñanza en la pequeña población de Gottstadt, Suiza, donde pronto reconocieron sus aptitudes. Ohm continuó con la enseñanza y los estudios de Ciencias y Matemática hasta que pudo volver a la universidad de Erlangen, la que le concedió el doctorado de Filosofía en 1811. Nunca llegaron los esperados puestos docentes en Baviera. Sin embargo, la publicación de su primer libro, en 1817, fue recibido con beneplácito por el rey Federico de Prusia, quien le ayudó a obtener empleo como maestro en Köln (Colonia).

Sus investigaciones experimentales sobre el flujo de la electricidad en los conductores eléctricos recibieron un gran estímulo cuando se publicó la Teoría analítica del calor de Fourier, en 1822. Fourier poseía una teoría de la conductividad del calor en los metales para explicar la relativa facilidad con que los diferentes metales trasmitían la energía del calor de una molécula a la siguiente.

Ohm era un hombre peculiarmente apropiado para las investigaciones experimentales porque su preparación de herrero le permitía construir los alambres y aparatos que, de otra manera, le resultarían difíciles de adquirir.

Con laborioso cuidado, demostró que…

 Relacionar los hallazgos de Ohm con las respuestas dadas al comienzo de esta actividad.

 ¿Qué expresión matemática establecerías entre las características físicas de los conductores y la intensidad de corriente? ¿Y entre la intensidad de corriente y la diferencia de potencial?

 Los hallazgos de Ohm se suelen expresar simbólicamente mediante relaciones matemáticas… En estas expresiones aparece la conductividad eléctrica, la resistividad eléctrica y la resistencia…

¿Cómo se vinculan con lo ya analizado?

¿Qué representa cada una? ¿En qué unidades se miden?

La mina de un lápiz en un circuito

Dicen que la luminosidad de las lamparitas depende del largo de la mina de lápiz mecánico que se utilice para cerrar el circuito.

 ¿Por qué el circuito se puede cerrar con las minas de grafito?

 ¿Por qué cambia la luminosidad?

PARTE 3:

Analogía mecánica

.

Para comprender la función de la pila en un circuito eléctrico, se propone interactuar con un modelo mecánico que consiste en una rampa inclinada con clavitos por la que se dejan caer bolitas pequeñas...

Una persona debe llevar las bolitas hasta lo alto y una vez allí, las suelta…

1) Analizar en qué situaciones se ve perjudicada la “circulación de las bolitas” por la rampa inclinada con clavitos. Tachar las incorrectas.

Cuanto más estrecha sea la rampa Cuanto más ancha sea la rampa Cuanto más empinada esté ubicada Cuanto menos empinada

Cuanto más separados estén los clavitos Cuanto más juntos estén los clavitos Cuanto más larga sea la rampa con clavitos Cuanto más corta sea la rampa con clavitos

Las ideas que quedaron entorpecen la circulación y se las vincula con la resistencia ( R).

2) Suponiendo que cada bolita representa la unidad de carga, unir con flechas qué variable de la rampa inclinada con clavitos se corresponde con la de un circuito eléctrico.

3) Para comenzar a descender, las bolitas deben estar en lo alto de la rampa. La mano que las lleva hasta allí trabaja sobre las bolitas dándoles energía potencial gravitatoria. Para circular, la carga eléctrica también necesita energía… ¿De dónde la obtiene?

4) La energía que se corresponde con la altura de la rampa en un circuito eléctrico, recibe varios nombres: voltaje, diferencia de potencial o caída de tensión. ¿Cómo debe interpretarse cada denominación?

5) En todas las pilas puede leerse 1,5 V. ¿Cómo de lo interpreta? Además del tamaño, ¿qué cambia entre una pila AAA y una D?

6) El plano inclinado analizado, equivale a un circuito sin lamparitas, porque la resistencia uniforme corresponde al cable conductor… ¿Tiene interruptor de energía? Si así fuera, ¿cuál es? ¿Qué variaciones habría que hacerle al plano inclinado para que apareciera la resistencia de una lamparita?

7) La energía que recibe la bolita, se va transformando… La que recibe cada unidad de carga también. Analizar y señalar las transformaciones de energía que aparecen en cada una de las situaciones mencionadas.

8) Seguramente te has quemado los dedos mientras mantenías apoyados los cables a la pila para cerrar los circuitos… El efecto de calentamiento, se conoce como efecto Joule. ¿Por qué aparece este calor? Justificar claramente.

El calentamiento asociado al Efecto Joule, se aprovecha para poner incandescente el filamento de las lamparitas para que den luz. Pero… ¿Cuál es el principio de funcionamiento de una lámpara halógena? ¿Y de un led? ¿Y de una lámpara bajo consumo? ¡¡Averígualo!!

La resistencia del cuerpo humano

La resistencia del cuerpo humano con la piel seca es alrededor de 1x105. Desciende a valores próximos a los 1500  con las manos húmedas.

Por tanto, la corriente a través del cuerpo para 220 V es alrededor de 2,2 mA con la piel seca, mientras que alcanza valores de 147 mA con la piel húmeda. Una persona siente cosquilleo al contacto con corrientes de unos 2 mA; de 10 a 20 mA se presentan efectos musculares; y para corrientes ligeramente mayores, la persona no es capaz de separarse del alambre conductor. La parálisis respiratoria se presenta entre 30 y 100 mA y las corrientes entre 100 mA y 3 A pueden causar la muerte.

¿Cuando salta el disyuntor ¿

PARTE 4:

Potencia Eléctrica

Recordando que la potencia es la velocidad con que se gasta o entrega energía, puede determinarse analíticamente la potencia eléctrica.

Para ello, es necesario recordar que la diferencia de potencial es la energía entregada por unidad de carga… Por lo tanto, la energía consumida por un circuito es la diferencia de potencial por la cantidad de carga, resultando entonces E_consumidaVQ

Reescribiendo la idea de potencia, resulta:

I V t Q V t Q V t E

P            Para pensar:

1) La potencia eléctrica se mide en watts (W). De acuerdo a las definiciones analíticas, escribir el watt en las diferentes combinaciones de unidades (A, C, V, )

2) Una lámpara incandescente de 100 W y 220 V se coloca en el portalámparas de una lámpara, adosada en paralelo al circuito de la casa. ¿Cuánto vale la resistencia de esta lamparita?

3) Una jarra eléctrica para calentar agua, diseñada para 220 V, consume en potencia máxima 2400 W. ¿Puede usarse un cable de 20 A para alimentarla? Si en la casa, en el mismo enchufe y al mismo tiempo, se encienden el microondas (1250 W) y la tostadora (800 W), ¿salta la térmica?

4) ¿Cuánta energía eléctrica consume en un mes un televisor de 80 W que funciona en promedio durante 4 horas todos los días? Expresarlo en kw-h y en J

PARTE 5:

Resistencia Equivalente.

Resistencia Equivalente.

Aplicación de leyes de Ohm y de Kirchhoff

1) Imaginar estas dos situaciones...

SITUACIÓN A

Para ir de un pueblo A a un pueblo B existe un único camino que tiene semáforos cada 5 cuadras, lomos de burro cada 200 m y 2 km del camino están en reparación por lo que solo es posible circular de a un auto por vez.

SITUACION B

Para ir del pueblo A al B existen tres caminos: Uno que tiene semáforos cada 500 m. Otro que tiene lomos de burro, uno cada dos cuadras. El tercero, está en reparación... motivo por el cual existe solo se puede circular de a un auto en un tramo de 2 km del camino.

a) Explicar qué ocurriría con los autos en las horas pico en cada una de las situaciones.

b) ¿Qué sucede con el tiempo que se emplea para ir del pueblo A al B en ambas situaciones? ¿Por qué?

c) Las situaciones presentadas, corresponden a lo que sucede con las resistencias en los circuitos eléctricos... En un caso la resistencia equivalente aumenta mientras que en el otro la resistencia equivalente se reduce porque hay más alternativas para ir... ¿Cuál de las situaciones presentadas corresponde a cada caso?

Para uno la

R





R

i equiv R R 1 1   o lo que es lo mismo

G





G

6_{La conductancia (G) es una medida de lo fácil que resulta circular. La resistencia (R) en cambio, mide lo}

2) Determinar las intensidades de corriente señaladas en los circuitos.

a) b)

3) Es sencillo... ocurre que cuando tienes resistencias en paralelo se le conoce como divisor de corriente y cuando las tienes en serie se le conoce como divisor de voltaje. ¿La idea expresada es correcta? ¿Por qué? 7

Un poco de teoría

Las resistencias pueden asociarse básicamente de dos maneras:

 En serie: una resistencia a continuación de la otra. Toda la corriente de fluido que pasa por una resistencia está obligada a pasar por la otra.

 En paralelo: cuando “cada electrón” de la corriente “debe elegir” pasar entre una resistencia o la otra, y no puede pasar por las dos.

Para simplificar los circuitos nos preguntamos cómo reemplazar una asociación de resistencias por otra resistencia única que ofrezca la misma resistencia que el conjunto al que reemplaza: la llamamos

resistenciaequivalente, RE.

Para dos o más resistencias que se hallen en serie, encontrar el valor de la resistencia equivalente de la serie, RES, en muy sencillo: sólo hay que sumar los valores de cada resistencia de la serie.

RES = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

Ese símbolo con el que representamos las resistencias en el esquema del circuito está tomado prestado (hurtado) de la electrodinámica: una más de las consecuencias de la fuerte analogía que existe entre ambos temas.

Vamos al paralelo: Para hallar el valor de una resistencia equivalente de un paralelo, REP, se deben sumar las inversas multiplicativas de las resistencias en paralelo (y no olvidarte de invertir el resultado de la suma).

REP -1

= R1 -1

+ R2 -1

+ R3 -1

+ ... + Rn -1

Tal vez resulte más simple verlo así:

1/REP= 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... + 1/Rn

IMPORTANTE... el resultado de esta operación no es la resistencia que se está buscando, es la inversa de la resistencia que se busca.

Estas asociaciones básicas suelen aparecer combinadas en circuitos más complicados. La estrategia a seguir para encontrar la resistencia equivalente de esos circuitos es buscar qué par (o qué grupo) de resistencias de todas las que aparecen en el circuito se encuentran sin lugar a dudas en serie o -sin lugar a dudas- en paralelo. Luego ese par (o ese grupo) se reemplaza por su equivalente, con lo que se obtiene un circuito más simple que el anterior.

vinculadas que antiguamente las unidades eran ohm para resistencia y mho para conductancia. Hoy la unidad de la conductancia es siemens.

7

El proceso se repite todas las veces que sea necesario, hasta llegar a una única resistencia, la

resistencia equivalente del circuito, a veces también llamada resistencia total.

PREGUNTAS CAPCIOSAS:

 ¿Cómo es el valor de una resistencia equivalente a un paralelo en relación a la más grande y a la más chica de las resistencias que forman el paralelo?

 ¿Cómo es el valor de una resistencia equivalente a una serie en relación a la más grande y a la más chica de las resistencias que forman la serie?

Adaptación. Fuente: http://neuro.qi.fcen.uba.ar/ricuti/No_me_salen/FLUIDOS/FT_resistencias.html (febrero, 2012)

PARTE 6:

Resolución de circuitos

1) Cuando se cierra el interruptor:

a) ¿La pila se gasta más rápido? ¿Por qué?

b) ¿Alguna lámpara brilla más que la otra? ¿Por qué?

2) Cuando se cierra el circuito:

a) Las dos ramas AB y CD consumen la misma cantidad de energía. ¿Por qué?

b) Las lámparas de la rama AB brillan menos que la lámpara de la rama CD. Explicar las razones.

c) Sabiendo que la pila es de 1,5 V y que cada lamparita tiene una resistencia de 100 , hallar la cantidad de corriente de cada rama y la que circula por el tramo único.

3) Los circuitos son alimentados por cuatro pilas en serie. ¿Alguna de las resistencias consume más energía? ¿Por qué?

a) b)

4) La figura representa un circuito eléctrico que es alimentado por una fuente de tensión V El amperímetro indica que por la resistencia de 100 Ω circulan 30 mA.

¿Cuál es el valor de la fuente? ¿Qué potencia entrega? Rtas: 4,8 V; 192 mW

5) En el circuito se muestra la conexión de tres lámparas idénticas.

a) ¿Cuál es la lámpara que prende con la máxima intensidad al cerrar la llave?

b) ¿Cómo son entre sí las lecturas de cada amperímetro?

6) En el circuito de la figura 1 se quiere agregar una resistencia variable que permita graduar el brillo de la lamparita 2, sin cambiar el de la lamparita ¿Cuál es la conexión correcta? ¿Cuál sería el efecto de las otras dos conexiones?

La conexión c) es muy peligrosa. Si R se acerca a cero (!) tendremos un corto circuito... A las lamparitas no les va a pasar nada... pero en la fuente o los cables, dependiendo del valor de la fuente, puede producirse un fogonazo ardiente y peligroso.

7) Un secador de cabello funciona, gracias a un transformador a 12 V. El motor que ofrece una resistencia de 100  puede funcionar entregando aire frío o caliente. Para ello, cuenta con la posibilidad de activar, sin cambiar la velocidad, una resistencia de 1k. Bosquejar un circuito que permita encender el secador y elegir por activar o no la resistencia que calienta el aire, cuando esté está encendido. Calcular la energía consumida por unidad de tiempo en cada caso. ¿La resistencia

para calentar el aire, está conectada en serie o en paralelo? ¿Qué podría agregársele al circuito para que el motor tuviera dos posibles velocidades? Rtas: 1,44 W y 1,584 W

8) Dos lámparas incandescentes, una de 60 W y otra de 100 W, ambas fabricadas para 220 V de tensión, están asociadas en serie. La primera tiene una resistencia de 260  y la otra de 150 .

a) ¿Cuál es la caída de tensión en cada una? ¿Cuál es la intensidad de corriente en el circuito?

b) Replantear el problema anterior suponiendo un conexionado en paralelo.

9) La pila del circuito tiene una tensión de 10 voltios y las resistencias valen R1= 1 Ω, R2= 2 Ω, R3= 3 Ω y R4= 4 Ω .

Calcular:

a) La resistencia equivalente

b) La corriente que circula por la pila

c) La corriente que circula por R1 y R2

Rtas: 0,9 Ω; 11,11 A; 10 A y 1,11 A

10) En el circuito de la figura la pila tiene una tensión de 9V y los valores de las resistencias son R1 = 180 Ω, R2 = 960 Ω y R3 = 100 Ω.

Hallar:

a) La diferencia de potencial en cada una de las tres resistencias.

b) La potencia entregada por la pila.

Rtas: V1= 5,99 V; V2 = V3= 3,01 V; Pottotal = 0,3 W

11) En el circuito eléctrico de la figura se sabe que las resistencias 1 y 2 disipan las potencias P1 = 25 W y P2 = 75 W. Calcular la corriente que entrega la fuente de

PARTE 7:

¿Qué decir de los condensadores o capacitores?

Cuando se levanta un libro, se incrementa su energía potencial gravitatoria. Esto puede interpretarse como un “almacenamiento” de energía en el campo gravitacional.

De igual manera, se almacena energía en el campo eléctrico. En 1746 el físico y médico holandés Pieter Van Musschenbroek inventó un dispositivo que podía almacenar cargas eléctricas. En honor a la ciudad en donde trabajaba lo llamó jarra de Leyden.

La jarra de Leyden fue empleada por Benjamín Franklin para almacenar carga de los rayos.

Al añadir carga a un objeto, se incrementa el potencial entre la Tierra y el objeto. Para un objeto con forma y

tamaño determinados, la relación entre la carga y la diferencia de potencial, Q/V, es constante.

Tal constante es la capacitancia, C, del objeto y representa una relación proporcional entre los columnb de carga (es decir cuántos de los 6,24 trillones de electrones) y la energía por unidad de carga (volt = joule / coulomb) “gastada en ese movimiento de cargas”. (¿De dónde sale la energía? ¿De dónde a dónde se mueven los electrones?) La unidad C/V se llama faraday. Como un coulomb es una gran cantidad de carga, entonces, un faraday representa una capacitancia muy grande. Los condensadores tienen, por lo general, entre los 10 picofaraday (10 x 10-12 F) y los 500 microfaraday (500 x 10-6 F).

Van Musschenbroek encontró la manera de producir una gran capacitancia en un dispositivo pequeño, denominado condensador.

Todos los condensadores se construyen a partir de dos conductores separados por un material aislante. Cada conductor va conectado, mediante un terminal, al circuito. Gracias a la energía de la fuente, las placas conductoras se cargan con la misma cantidad de carga, pero de signos opuestos. Cuando se lo requiere, la carga se libera mediante una corriente eléctrica.

El nivel de capacitancia de un capacitor es directamente proporcional al tamaño o área de las placas e inversamente proporcional a la distancia entre ellas.

Circuito de capacitores

Cuando se conecta un capacitor a una batería, la placa del capacitor conectada al terminal o electrodo negativo de la batería recibe los electrones, mientras que la placa conectada al terminal positivo de la batería pierde electrones. Una vez cargado, el capacitor tiene el mismo voltaje de la batería.

Un ejemplo de capacitor natural son los relámpagos; donde una de las placas es la nube y la otra placa es la tierra, mientras que el rayo es la carga liberada entre las dos placas. Hay que aclarar que en un capacitor tan grande la cantidad de carga retenida es inmensa.

¿Qué ocurre en un circuito con un capacitor, una lámpara y una batería?

Si colocamos en el circuito, entre la terminal negativa y positiva de la batería, el foco de luz y un capacitor; y si este último es bastante grande; lo que se notará al conectarlos a la batería es que la lámpara se encenderá mientras la corriente eléctrica circula de la batería al capacitor para que éste fuera cargado. La luz del foco comenzará a debilitarse

de a poco y finalmente cuando el capacitor llegue a su capacidad máxima de carga, la luz se

d

A

apagará. Si luego se retira la batería y se la reemplaza con un cable que conecta una placa del capacitor con la otra, poniendo el foco entremedio, la luz se encenderá y de a poco se irá debilitando mientras el capacitor se vaya descargando, hasta apagarse completamente cuando toda la carga haya sido liberada.

Como analogía se podría comparar al capacitor con una torre de agua conectada a una red hidráulica urbana. El tanque de la torre almacena agua cuando las bombas del sistema hidráulico producen mayor cantidad de lo que la ciudad requiere. Luego en momentos de alta demanda, el agua almacenada en el tanque es enviada a la red para mantener la presión hidráulica alta. Un capacitor, de la misma manera puede almacenar electrones, los cuales pueden ser liberados en otro momento.

¿Cuándo se usan las baterías y cuando los capacitores?

Un capacitor almacena carga mientras que una batería almacena energía química, pero otra de las diferencias más importantes entre los capacitores y las baterías es que un capacitor puede liberar toda su carga en una pequeña fracción de segundo, mientras que a una batería le llevaría minutos o incluso horas descargarse completamente. Por eso los capacitores son utilizados en aparatos como el flash electrónico de cámaras fotográficas, en el que la batería carga al capacitor del flash durante unos segundos; y luego al tomarse la fotografía se libera instantáneamente la carga del capacitor encendiendo la luz del flash.

Para pensar:

1) Inicialmente las placas conductoras no tienen carga… Se conectan a la fuente y consiguen cargarse. Comparar el trabajo que realiza la mano al aumentar la energía potencial gravitatoria de un objeto, con el que realiza la pila para cargar al condensador.

2) Analizando desde la ley de Coulomb, explicar por qué aumenta la capacidad de un condensador si crece el tamaño de las placas y se reduce la separación entre ellos.

3) Cuando un capacitor se conecta a una fuente de corriente alterna (C.A.), las placas del condensador se cargan y descargan continuamente, mientras que cuando se usa una pila o batería, las placas solo se cargan, hasta que igualen la diferencia de potencial. ¿Por qué?

4) La gente no entiende como puede dar patada un aparato eléctrico desenchufado. La respuesta es que adentro puede haber un capacitor cargado. ¿Por qué puede dar una patada?

5) Dos condensadores, uno de 3,3 µF y otro de 6,8 µF tienen una diferencia de potencial de 12 V. ¿Cuál condensador tiene más carga? ¿Cuánta carga?

6) Los dos condensadores anteriores tienen cada uno una carga de .2,5 x 10-4 C. ¿Cuál está sometido a una mayor diferencia de potencial? ¿Cuál es su valor?

7) Un condensador de 2,2 µF se carga primero de manera que la diferencia de potencial es 60 V.

¿Cuánta carga adicional se necesita para incrementar la diferencia de potencial en 15 V?

Investigar sobre el funcionamiento de la botella de Leyden para dar

respuesta a estas cuestiones:

 ¿Por qué para avanzar en electricidad tuvo que pasarse de la botella de Leyden a la pila de Volta?

UNIDAD 4:

Magnetismo y electromagnetismo

.

PARTE 1:

Profundizando sobre imanes permanentes

Materiales para el trabajo experimental: Varios imanes de distintas formas y tamaños, entre ellos los de publicidad para heladeras, 20 alfileres, virulana, hojas gruesas, aguja de coser, guantes de látex, hilo de coser de unos 50 cm de largo, un objeto pesado donde atar el hilo, film, brújula.

a) Enhebrar la aguja con el hilo de coser y atar el otro extremo al objeto pesado.

b) Acercar la aguja al imán y elevarla para mantener el hilo en posición vertical. Seguir elevando el imán para que, aún despegado de la aguja, la siga atrayendo. ¿Cuánto se puede separar el imán de la aguja? ¿Cambia con los distintos tipos de imán?

c) ¿Cuál imán es el más potente? ¿Cómo se lo reconoce?

Colocar un imán con forma de disco plano sobre el centro de un papel. Ubicar otro imán de la misma clase sobre una esquina del papel, y lentamente deslizarlo hacia el otro Imán. ¿Hay atracción o repulsión? Rotar uno de los imanes y observar el efecto sobre el otro. ¿Qué sucede? ¿Alguno de los imanes tiene un solo polo?

Tomar dos imanes y colocar entre ellos una hoja de carpeta. Colocarlo de modo que se atraigan. Agregar una hoja de carpeta. ¿Siguen atrayéndose? Seguir intercalando hojas. ¿Cuántas hojas pueden colocarse? ¿Qué puede decirse del magnetismo relacionado a esta experiencia?

a) Con un trozo “justo” de film envolver tres imanes que tangan distinta forma.

b) Colocarse los guantes de látex y sobre una hoja blanca, tirar hacia los lados contrarios de un trozo de virulana, para que se desprenda polvo de la misma. Distribuir uniformemente el polvo sobre tres hojas de papel, las mismas deben quedar cubiertas de polvo metálico. Apoyar las hojas sobre diferentes objetos de igual altura, por ejemplo, dos cartucheras, para que las hojas queden horizontales y un poquito elevadas.

c) Colocar y dejar quieto un imán forrado en film por debajo de cada hoja. ¿Qué ocurre con el polvo de metal?

d) Con un lápiz sobre el papel y con cuidado copiar las líneas a lo largo de los cuales se han ordenado las partículas de hierro. ¿Se ven completas? ¿Se agrupan en alguna zona?

e) ¿Qué pasa al rotar el imán por debajo de la hoja? ¿Y al desplazarlo? Si se repitiera la situación, volver a distribuir uniformemente polvo de virulana sobre la hoja

f) El efecto que se aprecia es en 3D. ¿Qué observación permite afirmarlo?

Sujetar el imán con la mano y tratar de formar una cadena de alfileres, colocando cada uno a continuación del anterior.

a) ¿Cuántos alfileres se pudieron levantar?

b) ¿Por qué no pueden levantarse más? ¿Con alguno de los imanes es imposible formar una cadena de alfileres?

c) Ahora apoyar de a uno los alfileres sobre el imán, se modo que se vayan sosteniendo y formando una especie de carincho… ¿Alguna zona es más efectiva para atraer a las agujas? ¿Puedes colocar agujas, se modo que estén pegadas al imán y paralelas entre si? ¿Alguna aguja se queda perpendicularmente al imán? ¿Y paralelo a él?

Superponer, colocados en la misma dirección y enfrentados entre sí, dos imanes de publicidad para heladera. Desplazar lentamente, apoyado uno sobre otro.

a) Superponerlos, pero colocarlos transversalmente. Desplazar lentamente uno sobre otro. ¿Qué se percibe? Probar con otros imanes para evaluar si con todos sucede lo mismo.

b) Intentar explicar las razones del comportamiento de los imanes según el modo en que interactúan.

c) Identificar con las limaduras los polos de los imanes que se utilidad para fabricar las publicidades para heladera.

1

5

4

Dicen que la aguja de la brújula es un imán. Puede corroborarse. ¿Cómo? Si caminas por el salón, la aguja de la brújula, se reorienta. ¿Por qué?

Para reflexionar

1) Basándote en las observaciones, escribir una definición del término "magnetismo".

2) La aguja de una brújula no marca el NORTE, marca en la dirección de la línea de fuerza que sale del polo norte de la tierra y termina en el polo sur. ¿Cuál es la diferencia?

3) Esta imagen permite explicar por qué las agujas o una tijera, se convierten ellas mismas en imanes. ¿Qué puede suceder con el magnetismo inducido cuando se caen? ¿Por qué?

4) ¿Por qué se acumulan las partículas de virulana en los polos de un imán?

5) El aluminio es un metal que no se magnetiza. ¿Cuál será la razón?

6) Un imán se cae al piso y se corta en la mitad. ¿Qué le ocurre?

 Se queda con un solo polo

 Deja de funcionar como imán

 Quedan dos trozos con el mismo magnetismo que el imán anterior

 Cada trozo sigue siendo un imán, pero no tan intenso como el original

 Los trozos de imán se pueden volver a unir y será nuevamente un imán

Construir una brújula casera.

Está prohibido usar agua!!

¿Qué ocurre cuando interactúa con otras brújulas , caseras o no??

Campo magnético de los imanes permanentes

Las fuerzas entre los imanes, tanto de atracción como de repulsión, ocurren no sólo cuando los imanes se tocan entre sí, sino también cuando se encuentran a determinada distancia. De la misma manera que las fuerzas gravitacional y eléctrica se explican por medio de los campos eléctricos y gravitacionales, las fuerzas magnéticas se pueden explicar por la existencia de un campo magnético alrededor de los imanes.

La presencia de un campo magnético alrededor de un imán puede “ilustrarse” con limaduras de hierro. Cada limadura de hierro se magnetiza por inducción. Al igual que las agujas de las brújulas, las limaduras rotan hasta que se orientan de manera tangencial al campo magnético en tal punto. Las líneas de campo magnético, salen del polo norte y regresan al polo sur. Esto significa que son

cerradas. A su vez, la distribución revela la forma del campo y la concentración permite estimar la intensidad del mismo.

Si sobre una hoja de papel colocada sobre un imán de barra se espolvorean limaduras de hierro, las limaduras tienden a trazar un patrón ordenado de líneas alrededor del imán.

Como las limaduras de hierro, las agujas de las brújulas se alinean

con las líneas de campo magnético terrestre.

El número de líneas de campo magnético que pasan por una superficie se llama flujo magnético. El flujo por unidad de área es proporcional a la intensidad del campo magnético. ¿Cómo es el flujo magnético en los polos? ¿por qué?

La dirección de las líneas de campo magnético se define como la dirección hacia la cual apunta el polo N de una brújula cuando se coloca en un campo magnético.

En la parte externa del imán, las líneas de campo salen del polo norte y entran en el imán por el polo sur. ¿Qué sucede dentro del imán?

No existen polos aislados de los cuales las líneas puedan salir o entrar; por tanto, las líneas de campo magnético siempre vienen en forma de espiras cerradas.

Polos magnéticos

Los imanes ejercen fuerzas unos sobre otros. Se parecen a las cargas eléctricas, pues pueden ejercer sin tocarse fuerzas de atracción y de repulsión, según sean los extremos de los imanes que se aproximen. Además, al igual que las cargas eléctricas, la intensidad de sus interacciones depende de la distancia que los separa. Las cargas eléctricas producen fuerzas eléctricas y las regiones llamadas polos magnéticos producen fuerzas magnéticas.

Si se cuelga un imán de barra de un hilo atado a la parte central funcionará como una brújula. El extremo que apunta hacia el norte geográfico se llama polo norte y el que apunta hacia el sur geográfico, polo sur. Todo imán posee un polo norte y un polo sur. Los polos de un imán de barra se localizan en sus extremos. Un imán en herradura no es más que un imán de barra doblado, de modo que sus polos también están en los extremos del imán.

Si se aproxima el polo norte de un imán al polo norte de otro, los imanes se repelen. Lo mismo ocurre si se aproximan dos polos sur. Pero si se aproximan dos polos opuestos, éstos se atraen.

Los polos semejantes se repelen; los polos opuestos se atraen8_.

El comportamiento de los polos magnéticos se parece al de las cargas eléctricas en ciertos aspectos, pero existe una diferencia de suma importancia. Podemos tener cargas eléctricas aisladas, pero no polos magnéticos aislados. Los electrones y los protones son entidades por sí mismos. Un

8

La fuerza de interacción que se ejerce entre dos polos magnéticos está dada por F  pp´ /d2, donde p y p' representan las intensidades de los polos magnéticos y d es la distancia que los separa. Observar que esta relación se parece a la Ley de Coulomb y a la de Gravitación Universal