Las ondas (o
Las ondas (o mmoovviimmiieennttooss o onndduullaattoorriiooss)) s soonn,, f fuunnddaammeennttaallmmeennttee,, d dee dos clases:
dos clases: mmeeccáánniiccaass y y eelleeccttrroommaaggnnééttiiccaass. L.Las ondas mecánicasas ondas mecánicas
necesitan un medio material para propasarse; las necesitan un medio material para propasarse; las
electromagné
electromagnéticas no, pues seticas no, pues se p prrooppaaggaanntambién también por por el el vacío.vacío. Atendiendoaotrosaspectos,lasondasson:
Atendiendoaotrosaspectos,lasondasson:
a) periódicas,
a) periódicas, ccuuaannddoo p prroocceeddeenn d dee u unnaa f fueuennttee q quuee vviibbrraa
periódicame
periódicamente y nte y transmite frentes de ontransmite frentes de onddaass e enn s suucceessiivvaass perturbaciones.
perturbaciones.
Un movimiento es periódico cuando a intervalos iguales de Un movimiento es periódico cuando a intervalos iguales de
tiempo,todaslasvariablesdel
tiempo,todaslasvariablesdelmovimiento (velocidad, aceleración,movimiento (velocidad, aceleración,
etc.) toman el mismo valor. etc.) toman el mismo valor.
Existen multitud de movimientos periódicos: Existen multitud de movimientos periódicos:
El de rotación de la Tierra (en torno a su eje y alrededor delEl de rotación de la Tierra (en torno a su eje y alrededor del
Sol). Sol). El de un péndulo.El de un péndulo. EEllddeeuunnmmuueelllleeoosscciillaannttee.. EEllddeellaassmmaanneecciillllaassddeeuunnrreelloojj..
Un péndulo simple se define como una partícula de Un péndulo simple se define como una partícula de
masa
masammssuussppeennddiiddaaddeellppuunnttooOOppoorruunn hhiillooiinneexxtteennssiibblleeddeelloonnggiittuuddllyy de masa despreciable.
de masa despreciable.
Si la partícula se desplaza a una posición
Si la partícula se desplaza a una posiciónð0ð0 (ángulo que hace el(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se
hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza asuelta, el péndulo comienza a
oscilar. oscilar.
FISICA III FISICA III M.C. LETICIA GARCIA ROMERO M.C. LETICIA GARCIA ROMERO
SAETI
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El péndulo describe una trayect
El péndulo describe una trayectoria circular, un arco de unaoria circular, un arco de una
circunferencia de radio circunferencia de radioll..
Las fuerzas que actúan sobre la partíc
Las fuerzas que actúan sobre la partícula de masaula de masammssoonnddooss Una fuerza vertical, el peso
Una fuerza vertical, el pesommgg
La acción del hilo, una fuerza
La acción del hilo, una fuerzaTTen la dirección radialen la dirección radial
Descomponemo
Descomponemos el peso en la acción simultánea de dos componentes el peso en la acción simultánea de dos componentes,s,
m
mgg··sseennqq en la dirección tangencial yen la dirección tangencial y mmgg··ccoossqq en la direcciónen la dirección radial. radial. El movimiento pendular, lo podemos aprec El movimiento pendular, lo podemos apreciiaarr e enn n nuueessttrraa v viiddaa c coottiiddiiaannaa como ejemplo: en el reloj de pared, en una ciudad de hierro, en como ejemplo: en el reloj de pared, en una ciudad de hierro, en centros comerciales, etc. centros comerciales, etc. 1. 1.1.1.3.3. MoMovivimimieentnto o dde e uun n rresesorortete..
Hooke ideó un procedimiento para medir la constante de Hooke ideó un procedimiento para medir la constante de
elasticidad de un resorte
elasticidad de un resorte––.. S See o obbsseerrvvaa q quuee s sii c coollggaammooss u unn o obbjjeettoo de un resorte, el cuerpo cae, pero alarga el resorte, lo deforma, de un resorte, el cuerpo cae, pero alarga el resorte, lo deforma,
y aparece una fuerza que se opone a tal deformac
y aparece una fuerza que se opone a tal deformación, que trata deión, que trata de
su forma inicial. Llega un momento en qu su forma inicial. Llega un momento en quee e ell p peessoo d deell cuerpo y la cuerpo y la ffuueerrzzaa rreeccuuppeerraaddoorra da deell r reessoorrttee s see i igguuaallaann y y e ell cuerpo se detiene suspendido del resorte. La velocid cuerpo se detiene suspendido del resorte. La velocidaadd d deell c cuueerrppoo
ya no varía. El cuerpo se encuentra
Si disponemos el resorte en posición horizon
Si disponemos el resorte en posición horizontal, sujeto por lostal, sujeto por los extremos a dos tacos de madera deslizantes y estudiamos qué sucede en extremos a dos tacos de madera deslizantes y estudiamos qué sucede en los extremos del resorte, se pone de manifiesto la aparic
los extremos del resorte, se pone de manifiesto la aparición de unasión de unas fuerzas que se oponen a cualquier deformación.
fuerzas que se oponen a cualquier deformación.
Fuerzas recuperadora y deformadora de un resorte, respectivamente. Fuerzas recuperadora y deformadora de un resorte, respectivamente. 1 1..22..11.. CCoonncceepptto o dde e oonnddaa.. . Las ondas materiales . Las ondas materiales
(todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para
propagarse. El
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La perturbación a la primera partícula del medio
en que impacta-este es el de las ondas-y en esa partícula se inicia la onda. La perturbación
(si el
medio es isótropo) y todas las partículasdel medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera y se ponen a vibrar. -(Recuerdalaoladelos espectadoresen unestadiodefutbol)-.
Una : las partículas
vibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la perturbación.Veamos un ejemplo. La onda que transmite un látigo lleva una energía que sedescarga en su punta al golpear. Las partículas del látigo vibran, pero no se desplazan con la onda. Las partículas perturbadas por la onda sufren unas fuerzas variables en dirección e intensidad que les produce una aceleración variable.
Ingresa a la página
http://usuarios.lycos.es/pefeco/ondas1/ondas1_indice.htm lee
detalladamente la página y realiza la aplicación práctica que se
indica, haz un reporte de los resultados con su grafica correspondiente.
Se define la (l) como la distancia que recorre el
pulso mientras un punto realiza una oscilación completa. El tiempo que tarda en realizar una oscilación se llama ( T) y la
( n) es el número de oscilaciones ( vibraciones) que efectúacualquier puntodelaondaenun segundo.
Las ondas viajeras de la cuerda son y, como toda onda,realizanuna
Cuando dos ondas se cruzan se producen los
que afectan a las partículas que están en el cruce pero no a las ondas
de manera que cada una sigue su camino sin alterar ninguna de sus
características ni el valor de la energía transportada.
• las ondas mecánicas necesitan un medio elástico
(sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio
oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte
neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o
un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas
de gravedad.
• : las ondas electromagnéticas se propagan por
el espacio sin necesidad de un medio pudiendo, por tanto, propagarse
en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado.
• : las ondas gravitacionales son perturbaciones
que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar
que se desplacen por ningún espacio sino que en sí mismas son
alteracionesdelespacio-tiempo.
• : las ondas unidimensionales son aquellas que
se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las
ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una
dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.
• : son ondas que se propagan en
dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, porello, se denominan también ondas superficiales.
Un ejemplo son las ondas que se producen en la superficie de un lago
cuando se deja caer una piedra sobre él.
• son ondas que se propagan en
tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas
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direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.
• : la perturbación local que las origina se produce en
ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.
: la perturbación que las origina se da
aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones
sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas se denominan también pulsos.
• el movimiento de las partículas que transportan
la onda es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Por
ejemplo,unmuelle quesecomprimeda lugaraunaondalongitudinal.
• : las partículas se mueven perpendicularmente a
ladirección de propagación de la onda.
Manteniendo una traza comparamos la magnitud del desplazamiento en instantes sucesivos y se aprecia el avance de laonda. Transcurrido un tiempo la persistencia de la traza muestra como todos los puntos pasan portodos los estados de vibración.
Sin embargo para conocercómocambia el desplazamiento con el tiempo
resulta más práctico observar otra gráfica que represente el
movimiento de un punto. Los puntos en fase con el seleccionado vibran
a la vez y están separados por unalongitud de onda. La velocidad con que se propaga la fase es el cociente entre esa distancia y el tiempo que tarda en llegar. Cualquier par de puntos del medio en distinto
estado de vibración están desfasados y si la diferencia de fase es 90º diremos que están oposición.En este caso los dos puntos tienen siempre valor opuesto del desplazamiento como podemos apreciar en el
registro temporal. Este tipo de onda transversal igualmente podría
corresponder a las vibraciones de loscampos eléctricoymagnéticoen las ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética que puede propagarse en el espacio vacío no produce desplazamientos puntuales de
masa. Son ondas transversales cuando una onda por el nodo se junta con
Una es una perturbación que se propaga a través del espacio
y transporta energía. Matemáticamente diremos que una función cualquiera de la posición y el tiempo es una onda si verifica
la Ecuación de Ondas
Unaondalongitudinal es aquella en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección depropagación
delaonda.
Es, en ondas armónicas, la separación espacial existente entre dos puntos cuyo estado de movimiento es idéntico. Lo más sencillo para
medirla es fijarse en la distancia existente entre dos crestas o dos vallesdeunaonda.
Desviación máxima de una onda con respecto a su valor medio. En una vibración sonora, la amplitud es la que define la intensidad de
esesonido.
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Laantenadelaemisoraemitelas
ondas electromagnéticas que tu
aparato de radio convierte en ondas sonoras.
Los fenómenos ondulatorios son parte importante del mundo que nos
rodea. Através de ondasnos llegan los sonidos, como ondas percibimos
la luz; se puede decir que a través de ondasrecibimos casi toda la
información que poseemos.
A partir del análisis de fenómenos ondulatorios tan sencillos como las
olas que se extienden por una charca o las sacudidas que se propagan
por una cuerda tensa trataremos de estudiar las características
generales de todos losmovimientos ondulatorios.
Todos los fenómenos ondulatorios se caracterizan porque transmiten algún tipo de vibración. Por eso es lógico estudiar primero las vibraciones, en particular las vibraciones armónicas.
Una partícula que oscila alrededor de un punto de equilibrio, sometida
.
Un muelle al que hace vibrar una fuerza que lo aparta del equilibrio
es un buen ejemplo. En la siguiente escena podrás estudiar su
movimiento.
Algunos de los fenómenos más importantes de la luz se pueden
comprender fácilmente si se considera que tiene un comportamiento
ondulatorio.
El principio de superposición de ondas nos permite explicar el
fenómeno de la : si juntamos en el mismo lugar dos ondas con la misma longitud de onda y amplitud, si están en fase (las crestas de las ondas coinciden) formarán una interferencia constructiva y la intensidad de la onda resultanteserá máxima e igual a dos veces la amplitud de las ondas que la conforman. Si están desfasadas, habrá un punto donde el desfase sea máximo (la cresta de la onda coincida exactamente con un valle) formándose una
interferencia destructiva, anulándose la onda. El experimento de Young, con sus rendijas, nos permite obtener dos focos de luz de la
misma longitud de onda y amplitud, creando un patrón de interferencias
sobre una pantalla.
Las ondas cambian su dirección de propagación al cruzar un obstáculo
puntiagudo o al pasar por una abertura estrecha. Como recoge el principio de Fresnel - Huygens, cada punto de un frente de ondas es un emisor de un nuevo frente de ondas que se propagan en todas las direcciones. La suma de todos los nuevos frentes de ondas hacen que la
perturbación se siga propagando en la dirección original. Sin embargo, si por medio de una rendija o de un obstáculo puntiagudo, se separa
uno o unos pocos de los nuevos emisores de ondas, predominará la nueva dirección de propagación frente a la original.
La de la luz se explica fácilmente si se tiene en cuenta
esteefectoexclusivodelasondas.La , también se puede
explicarutilizandoesteprincipio,teniendoencuentaquelosnuevos
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misma velocidad que en el anterior medio, generando una distorsión en
la dirección de propagación:
Otro fenómeno de la luz fácilmente identificable con su naturaleza ondulatoriaesla . La luz no polarizada está compuesta por ondas que vibran en todos los ángulos, al llegar a un medio polarizador, sólo las ondas que vibran en un ángulo determinado
consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a
continuación, si el ángulo que deja pasar el medio coincide con el ángulo de vibración de la onda, la luz pasará íntegra, si no sólouna
parte pasará hasta llegar a un ángulo de 90º entre los dos polarizadores, donde no pasará nada de luz.
Este efecto, además, permite demostrar el carácter transversal de la luz (sus ondas vibran en dirección perpendicular a la dirección de propagación).
ElefectoFaradayy el cálculo de lavelocidad de la luz,c, a partir de constantes eléctricas (permitividad, ) y magnéticas
(permeabilidad, μ0) por parte de la teoría deMaxwell:
confirman que las ondas de las que está compuesta la luz son de naturaleza electromagnética. Esta teoría fue capaz, también, de
eliminar la principal objeción a la teoría ondulatoria de la luz, que
era encontrar la manera de que las ondas se trasladasen sin un medio material.
Todo movimiento ondulatorio, al transmitirse presenta las siguientes
características:
La posición más alta con respecto a la posición de equilibrio se
llama
El es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.
La posición más baja con respecto a la posición de equilibrio se llama
El máximo alejamiento de cada partícula con respecto a la posición de
equilibrio se llama de onda.
El es eltiempo transcurrido entre la emisión de dos ondas
consecutivas.
Al número de ondas emitidas en cada segundo se le denomina
La distancia que hay entre cresta y cresta, o valle y valle, se llama deonda.
eselpuntodondelaonda cruza la línea de equilibrio.
es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un
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El fenómeno del sonido está relacionado con la vibración de los
cuerpos materiales. Siempre que escuchamos un sonido, hay un cuerpo
material que vibra y produce este fenómeno. Por ejemplo, cuando una
persona habla, el sonido que emite es producido por las vibraciones de sus cuerdas vocales; cuando tocamos un tambor, un pedazo de madera o uno de metal, estos cuerpos vibran y emiten sonidos; las cuerdas de un
piano o un violín también son sonoras cuando se encuentran en vibración, etc.
Todos estos cuerpos son fuentes de sonido (o sonoras), que al vibrar
producen ondas que se propagan en el medio material (sólido, líquido o gaseoso) situado entre ellas y nuestro oído. Al penetrar en el órgano
auditivo,dichasondasproducenvibracionesquecausanlas sensaciones sonoras. (Fig. del celo yel tambor).
El sonido se propaga por medio de ondas, estas ondas sonoras nos
proporcionan nuestra forma principal de comunicación (el lenguaje), y una fuente favorita de entretenimiento (la música). Pero las ondas sonoras también constituyen una distracción sumamenteirritante (el
ruido). Las ondas sonoras se convierten en lenguaje, música o ruido sólo cuando nuestro oído las percibe como perturbaciones (por lo común en el aire). Físicamente las ondas sonoras son ondas longitudinales que se propaguen en los sólidos, líquidos y gases. Sin un medio que permita esta propagación, no puede haber sonido.
Esta distinción entre los significados sensorial y físico del sonido nos da una forma de responder a la antigua pregunta filosófica: un árbol se cae en el bosque y no hay nadie que lo oiga, ¿hubo sonido?. Las respuestas son no, en términos del oído sensorial y si en términos de las ondas físicas, la respuesta depende de cómo se defina el sonido. La definición de ondas sonoras cubre tres aspectos: el origen,
el medio de propagación (en la forma de ondas sonoras longitudinales), y su detector, que debe ser el oído humano.
Para comprender los sonidos que capta el oído humano analicemos la situación mostrada en la figura de la regla. Esta al ser puesta en vibración, provoca en el aire, compresiones y refracciones sucesivas quesepropaganpordichomedio,en formasemejantealo que sucedeen
un resorte cuando vibra en dirección longitudinal (como se mostró en
Si la regla vibrara a menos de 20 veces en un segundo (o bien 20 Hz), omás rápido que 20,000 veces en un segundo (20,000 Hz), la onda no sería percibida por el oído humano ya que ese es el rango de sonidos
quepercibe(de20 a20,000Hz).
Una esaquellaquetransmiteunsonido.Sisepropagaenun
medio elástico y continuo genera una variación local de presióno densidad, que se transmite en forma deonda esféricaperiódica ocuasi
periódica.
Lasmagnitudesquedescribenlaondasonorason:
• La presión instantánea p • La densidad instantánea
• El desplazamiento de las partículas respecto de su posición de
equilibrioD
Definimos la Presión acústica como:
Definiremos también la densidad dinámica como:
Elestudio de las ondas sonoras se realizará a través del estudio de las ondas armónicas (Th. Fourier). Una onda de desplazamientos armónica se podrá expresar como donde esla
amplitud de movimiento; k el número de onda; v la velocidad de
desplazamiento delaonda y x la dirección de propagación.
sundispositivouobjetoqueescapazdeemitirun sonido, ejemplodeelloes unaltavoz.
Debido a la forma oconstituciónfísicadel objeto es como se generan lossonidosyesta sepuededividirentrestipos:
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SAETI Página 15 se tiene una cuerda sujeta por ambos lados y esta es perturbada, es el centro en donde se tiene la mayor elongación (MáximaAmplitud) y los extremos la menor elongación(Amplitudes Pequeñas). Se denomina sonora real virtual
En el caso de la espacialización sonora en un espacio real, normalmente lafuente sonora(por ejemplo, un instrumento musical o
un parlante) mantiene una ubicación espacial puntual o se mueve
respecto al oyente. Los primeros experimentos en espacialización usaban este método, y en un sentido amplio podría considerarse a la ubicación (y utilización) de los instrumentos dentro de una orquesta y aún el de los coros (que suenan mejor en ambientes reverberantes) como formas de espacialización.
En la espacialización virtual, se busca simular mediante procesamientos (generalmente digitales, aunque puede hacerse
también en forma analógica) a las variaciones físicas (acústicas)
que ocurrirían en el caso de estar moviéndose la fuente. Para
oírse, estas simulaciones son reproducidas mediante al menos dos fuentes sonoras (parlantes), siendo el efecto más real cuantas más
fuentes haya.
Unamembranaadiferenciadeunacuerda esque nosolo tiene sujetos 2 puntos,sino que estánsujetos varios puntos. En las membrana al igual que en las cuerdas se tienenpuntos de mayor elongación (MáximaAmplitud) y puntos de menor elongación(Menor
Amplitud), los puntos de Máxima Amplitud se encuentra en el centro
de la membrana y los puntos de menor amplitud se encuentran
cercanos a los puntos de sujeción, esto se da debido a la
naturalidad de la membrana. A continuación se muestra un grafico
Una columna de aire estáformado por un tubo por
donde se le hace pasar aire y la composición física del objeto con
elaireentranenresonancia.EnlascolumnasdeAiredehallandos puntosmuyimportantes,unoeselcentrode lacolumnadeaireala
salida del tubo (Captación deFrecuenciasBajas)yelotropuntoen los pabellones del material (Captación de Frecuencias Altas).
Debido a que tan largo o que tan corto en el tubo para generar la columna de aire, se generaran frecuencias bajas (máslargo el Tubo) o Frecuencias Altas (más corto el tubo). Los instrumentos de Aliento utilizan el principio de las columnas de Aire y las membranas para generar sonido. 1.3.3. Cualquier sonido sencillo, como una nota musical, puede describirse en
su totalidad especificando tres características de su percepción: el tono, la intensidad y el timbre. Estas características corresponden exactamente a tres características físicas: la frecuencia, la amplitud
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SAETI Página 17 (Depende de la amplitud) Distingue un sonido fuerte de uno débil. (Depende de la frecuencia) Distingue a un sonido agudo (tono alto)deunsonido grave(tonobajo). (Dependedelaformadeonda) Distinguedossonidosdelamisma intensidad y tono, pero producido por distintas fuentes.
INTENSIDAD: La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que
no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la
conducción térmica u otros efectos de absorción. Por ejemplo, en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso
a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la
propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo
que generalmente la ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la intensidad del sonido.
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Esta propiedad recibe el nombre de tono. Los sonidos de mayor o menor frecuencia se denominan respectivamente,
agudos o graves; términos relativos, ya que entre los tonos diferentes un de ellos será siempre más agudo que el otro y a la inversa. TIMBRE: Si se toca el situado sobre el do central en un violín, un
piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 hz. Debido a las propiedades
acústicas del oído y las propiedades de resonancia de su membrana
vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del
oído sin sufrir cambios. La componente principal dela nota producida
por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 hz. Sin embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son múltiplos exactos de 440 hz, los llamados tonos secundarios, como
880, 1.320 o 1.760 hz. Las intensidades concretas de esas otras
componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de la nota. Representación gráfica de una vibración sonora
Transmisión del sonido
Cuando se produce lavibración sonora, el sonido no llega a nuestros oídos de inmediato, sino que tiene que encontrar un camino para poder
MEDIOS DE TRANSMISIÓN AIRE: cuando hablamos el sonido se transmite porelaire AGUA: las ballenas transmiten sus sonidos a travésdelagua SÓLIDOS: golpeando la madera con los dedos, se transmite
por medio sólido
COMPRUÉBALO TÚ
Cuando hables, tócate la garganta, y verás como vibran las
cuerdas vocales.
Cuando escuches música, toca alguno de los altavoces, sentirás
la vibración.
Escuchaloqueocurreconlossonidos bajoelagua.
CONSTRUYEUNTELÉFONO ALÁMBRICO TELÉFONO ALÁMBRICO
Paracomprobarque elsonidonecesitaunmedio a través del cual poder transmitirse, proponemos la construcción de un teléfono
casero. Necesitaremos:
2 vasitos de plástico
Un cordel de algodón de unos 5
metrosdelargo Un punzón Rotuladores de colores para decorar los vasos PASO1 Agujereamos labasede losvasos conla ayudadel punzón. PASO2 Pasamos el cordel porlosagujerosque hemosabierto.
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SAETI Página 21 PASO3 Hacemos varios nudosen losdos extremos delcordel PASO4 Decoramoslosvasos
Para que se oiga bien, hay que procurar que el hilo estésiempre tenso. El que habla se pone el vaso en la boca, y el que escucha se poneelvasoenla oreja.
Diagrama del
, llamado así por el austríaco Christian Doppler
consiste en la variación de lalongituddeondadecualquiertipode ondaemitidaorecibida porunobjetoenmovimiento.Dopplerpropuso este efecto en 1842en una monografía titulada Über das farbige
Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels
("Sobreelcolordelaluzenestrellasbinariasyotros astros").
Su hipótesis fue investigada en1845para el caso de ondas sonoras
por el científico holandésChristoph Hendrik Diederik Buys Ballot, confirmando que el tono de un sonido emitido por una fuente que se
aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja.
Hippolyte Fizeaudescubrió independientemente el mismo fenómeno en el caso de ondas electromagnéticas en1848. EnFrancia este efecto se conoce como "Efecto Doppler-Fizeau".
Un micrófono inmóvil registra las sirenas de los policías en movimiento en diversos tonos dependiendo de su dirección relativa.
Enelcasodelespectro visibledelaradiación electromagnética, si
el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz
presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso
para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de
precisión como espectrómetros. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, entonces sí seria apreciable de forma directa la variación de longitud de onda. Sin embargo hay ejemplos cotidianos de efecto Doppler en los que la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es
comparable a la velocidad de propagación de esas ondas. La velocidad
de una ambulancia (50km/h) puede parecer insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1.235 km/h), sin embargo se trata de aproximadamente un 4% de la velocidad del
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aprecie claramente el cambio delsonido de la sirena desde un tono
más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo
pasaalladodelobservador. ACTIVIDAD 2. En la siguiente páginase muestra un ejemplo de dicho efecto: http://www.walter-fendt.de/ph11s/dopplereff_s.htm Realízala y repórtala. 1.1. ELECTROSTATICA 1.1.1.CARGASELECTRICAS. Lascargasenlosconductorespuedenmoverseconciertalibertad.
La corriente eléctrica constituye un movimiento continuado de las
cargas libres. La cantidad de carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo es la intensidad de corriente. Los responsables
de mantener la corriente en un circuito eléctrico son los generadores eléctricos, los cuales suministran al circuito la energía precisa para ello. Dos leyes de naturaleza experimental
descubiertas por George Simon Ohm y James Prescott Joule respectivamente aportan algunas relaciones que facilitan el estudio
científico de la corriente eléctrica.
La característica esencial de los conductores, sean éstos sólidos, líquidos o gaseosos, consiste en que disponen de partículas cargadas que pueden moverse con bastante libertad bajo la acción de campos eléctricos. Cuando un conductor descargado se pone en contacto con
uncuerpocargadoseproduceundesplazamientodelacargadelunoa otro por efecto de las fuerzas eléctricas. Si ambos estánaislados, elmovimiento de las cargas libres durará unos instantes entre tanto el sistema de cargas encuentra una configuración de equilibrio en la cual las fuerzas eléctricas que se ejercen sobre cada una de las
cargassecompensanmutuamente.Estoesloquesucedecuandounhilo
de una pila. Sin embargo, cuando se conecta el otro extremo del conductor al segundo borne, se produce un movimiento continuado de cargas en el conductor. Se tiene en tal caso una corriente eléctrica. La parte de la física que se ocupa del estudio de este tipo de movimiento de las cargas eléctricas a través de un conductor
recibeelnombredeelectrocinética.
La presencia de un campo eléctrico permanente en el seno de un
conductor es la causa del movimiento continuado de las cargas
libres. En términos de potencial puede decirse que para que se mantenga una corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial constante entre los extremos del conductor.
Si ésta disminuye por efecto de la circulación de las cargas, el campo eléctrico llega a hacerse nulo y cesa el movimiento. Esta es la situación que corresponde a esos desplazamientos de carga que se producen cuando un conductor aislado se carga o descarga
eléctricamente.
Debido a su facilidad de manejo, en electrocinética para describir
las propiedades del campo en el interior de un conductor se recurre ala noción de diferencia de potencial,también denominadatensión eléctricaporque de ella depende el movimiento de las cargas libres
de un punto a otro. El sentido de la corriente eléctrica depende no sólo del signo de la diferencia de potencial, sino también del signo
de los elementos portadores de cargao cargas móviles presentes en
el conductor.
En un conductor metálico los portadores de carga son los electrones
(-), por lo que su desplazamiento se producirá del extremo del
conductoramenorpotencialhaciaelextremoamayorpotencias,oen
términos de signos desde el polo negativo hacia el positivo. En una disolución salina los portadores de carga son iones tanto positivos como negativos; cuando se somete dicha disolución a una diferencia
de potencial constante, como la producida entre los bornes de una
pila, se generarán movimientos de carga de sentidos opuestos; las cargas positivas se desplazarán por la disolución del extremo de
mayor potencial al de menor potencial, o lo que es lo mismo, del polo positivo de la pila al polo negativo, y las negativas en sentido contrario. Algo semejante sucede en un medio gaseoso
FISICA III FISICA III M.C. LETICIA GARCIA ROMERO M.C. LETICIA GARCIA ROMERO
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fluorescente o de neón sometido a una diferencia
fluorescente o de neón sometido a una diferencia ddee p pootteenncciiaall intensa.
intensa.
Benjamin Franklin fue el primero en asignar un sentido de Benjamin Franklin fue el primero en asignar un sentido de
circulación a la corriente eléctrica en los conductores metálicos. circulación a la corriente eléctrica en los conductores metálicos.
El supuso que era la electricidad positiva la que, como un fluido El supuso que era la electricidad positiva la que, como un fluido sutil, se desplazaba por el interior del co
sutil, se desplazaba por el interior del conductor. Según dichanductor. Según dicha suposición, la corriente eléctrica circul
suposición, la corriente eléctrica circularía del polo positivo alaría del polo positivo al negativo. Más de un siglo después la moderna teoría atómica revelaba negativo. Más de un siglo después la moderna teoría atómica revelaba
que los electrones son los portado
que los electrones son los portadorreess d dee c caarrggaa e enn l looss m meettaalleess,, d dee modo que el sentido real de la corrient
modo que el sentido real de la corrientee r reessuullttaa s seerr j juussttaammeennttee e ell
opuesto al avanzado por Franklin. Por razones históricas y dado que opuesto al avanzado por Franklin. Por razones históricas y dado que en la electrocinética el sentido de circ
en la electrocinética el sentido de circulación de la corriente noulación de la corriente no
tiene mayor trascendencia, se sigue aceptando como
tiene mayor trascendencia, se sigue aceptando como sseennttiiddoo convencional
convencionaleellppoossttuullaaddooppoorrFFrraannkklliinn..SSiinneemmbbaarrggoo,,eennoottrraassppaarrtteess
de la física, como la electrónica, la distinción entre ambos resulta de la física, como la electrónica, la distinción entre ambos resulta
importante. importante.
Junto a la idea de movimiento de partículas, la noción de corriente Junto a la idea de movimiento de partículas, la noción de corriente eléctrica lleva asociada la de tran
eléctrica lleva asociada la de transporte de carga eléctrica de unsporte de carga eléctrica de un punto a otro. La importancia de dicho transp
punto a otro. La importancia de dicho transporte en términos deorte en términos de
cantidad se expresa mediante la magnitud intensidad de corriente cantidad se expresa mediante la magnitud intensidad de corriente
eléctrica que se define como la carg
eléctrica que se define como la carga total que circula por ela total que circula por el
conductor en la unidad
conductor en la unidadde tiempo. En forma de ecuación se puedede tiempo. En forma de ecuación se puede
escribir como: escribir como: I I==qq//tt ((1100..11)) La unidad de intensidad de corrien La unidad de intensidad de corrienttee e enn e ell S SII r reecciibbee e ell n noommbbrree d dee
ampere (A) por el científico André Marie Amper
ampere (A) por el científico André Marie Ampere y equivale a une y equivale a un transporte de carga que se prod
transporte de carga que se produzca a razón de 1 couzca a razón de 1 couulloommbb((CC))eennccaaddaa segundo (s),1 A = 1 C/s. En un metal, en donde la corriente segundo (s),1 A = 1 C/s. En un metal, en donde la corriente
eléctrica es debida únicamente al movimiento de electrones, sólo el eléctrica es debida únicamente al movimiento de electrones, sólo el
transporte de carga negativa contribuye al valor de la intensidad. transporte de carga negativa contribuye al valor de la intensidad.
En las disoluciones iónicas, al ser conduci
En las disoluciones iónicas, al ser conduciddaallaaccoorrrriieenntteettaannttooppoorr
iones positivos como negativos, se produce una doble contrib
iones positivos como negativos, se produce una doble contribución deución de ambos tipos de carga a la intensidad de corriente eléctrica.
E
Ellggaallvvaannóómmeettrroo,, c cuuyyoo n noommbbrree h hoonnrraa a a G Gaallvvaannii,, a apprroovveecchhaa e ell e effeeccttoo
magnético
magnéticode la corriente eléctrica. Consta, en esencia, de un imánde la corriente eléctrica. Consta, en esencia, de un imán
entrecuyospolossedisponeunabobinaquepuedegirarsobreuneje entrecuyospolossedisponeunabobinaquepuedegirarsobreuneje
dispuesto perpendicular
dispuesto perpendicularmente al plano del imán. Una aguja solidariamente al plano del imán. Una aguja solidaria
con el bastidor de la bobina hace visible, sobr
con el bastidor de la bobina hace visible, sobree u unnaa e essccaallaa
graduada, el posible movimiento de aquélla. Este movimie
graduada, el posible movimiento de aquélla. Este movimiento se hallanto se halla
impedido en ausencia de corriente por dos muelles recuperadores o impedido en ausencia de corriente por dos muelles recuperadores o resortes en espiral Cuando se hace pasar una corriente por la resortes en espiral Cuando se hace pasar una corriente por la
bobina, aparece una fuerza magné
bobina, aparece una fuerza magnética entre la bobina y el imán quetica entre la bobina y el imán que desvía la aguja de su posición i
desvía la aguja de su posición inicial tanto más cuanto maynicial tanto más cuanto mayor es laor es la
intensidad de corriente. intensidad de corriente. U
Unn aammppeerríímmeettrroo ssee u uttiilliizzaa p paarraa m meeddiirr i inntteennssiiddaaddeess y y c coonnssiissttee,,
básicamente, en un galvanómetro con un shunt o resistencia en básicamente, en un galvanómetro con un shunt o resistencia en
paralelo con la bobina, de magn
paralelo con la bobina, de magnitud lo suficientemente pequeña comoitud lo suficientemente pequeña como para conseguir que prácticamente toda, la corriente se desvíe por para conseguir que prácticamente toda, la corriente se desvíe por
ella y que el aparato de Medida pe
ella y que el aparato de Medida perrttuurrbbee l loo m meennooss p poossiibbllee l laass
condiciones del circuito. Los amperímetros se conectan en serie con condiciones del circuito. Los amperímetros se conectan en serie con
el circuito, es decir, se intercalan entre los puntos en donde se el circuito, es decir, se intercalan entre los puntos en donde se desea medir la intensidad. desea medir la intensidad. U Unnvvoollttíímmeettrroossee u uttiilliizzaa p paarraa m meeddiirr d diiffeerreenncciiaass d dee p pootteenncciiaall e ennttrree
dos puntos cualesquiera y viene a ser un galvanómetro con una dos puntos cualesquiera y viene a ser un galvanómetro con una importante resistenc
importante resistencia asociada en serie con él. El conjuia asociada en serie con él. El conjunnttoo s see
conecta en paralelo o derivación entre los puntos cuya diferencia de conecta en paralelo o derivación entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. Si la resistencia total del voltímetro es potencial se desea medir. Si la resistencia total del voltímetro es
mucho mayor que la del circuito, entre tales puntos la corriente se mucho mayor que la del circuito, entre tales puntos la corriente se
derivará en su mayor parte por e
derivará en su mayor parte por el tramo quel tramo queooffrreeccee m meennoorr r reessiisstteenncciiaa
a su paso y sólo una fracción de ella atra
a su paso y sólo una fracción de ella atravesará el voltímetro. Convesará el voltímetro. Con ello se logra que la perturbació
ello se logra que la perturbación que introduce en el circuito eln que introduce en el circuito el
aparatodemedidaseadespreciable. aparatodemedidaseadespreciable.
Por una bombilla de 40 W conectada a la red de 220 V circula una Por una bombilla de 40 W conectada a la red de 220 V circula una
corrient
corriente de intee de intensidad ansidad aproximadamproximadamente iguaente igual a 0,2 l a 0,2 A. ¿A. ¿DuranteDurante cuánto tiempo ha de estar conectada la bombilla para que a través de cuánto tiempo ha de estar conectada la bombilla para que a través de ella hay
ella haya pasado una pasado una carga de 4,5 C? ¿a carga de 4,5 C? ¿Cuántos eCuántos electrones lectrones habránhabrán
circulado por la bombilla en ese intervalo?
circulado por la bombilla en ese intervalo?La expresión que defineLa expresión que define
lamagnitudintensidaddecorrientevienedadapor: lamagnitudintensidaddecorrientevienedadapor: I=q/t I=q/t Þ Þ t t = = qq//ii ssuussttiittuuyyeennddoo ssee ttiieennee:: t = 4 t = 4,5 C,5 C/0/0,2 A ,2 A Þ Þ t = 2t = 22,5 2,5 ss
FISICA III FISICA III M.C. LETICIA GARCIA ROMERO M.C. LETICIA GARCIA ROMERO
SAETI
SAETI Página Página 2727
Para averiguar el número de electron
Para averiguar el número de electrones que hanes que hancciirrccuullaaddoo p poorr l laa bombilla es preciso saber que 1 coulomb equivale a 6,27x10
bombilla es preciso saber que 1 coulomb equivale a 6,27x101188 vveecceess
la carga del electrón. Si en el intervalo de tiempo considerado han la carga del electrón. Si en el intervalo de tiempo considerado han circulado 4,5 C, el número de electrones resulta ser:
circulado 4,5 C, el número de electrones resulta ser: Número
Númerodde e ee--==44,,55 C C..66,,2277..11001188ee--//CC==22,,88..11001199ee- -E
Ennfísicafísica, , llaa es una propiedad intrínseca de algunases una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas partículas subatómicas((ppeerrddiiddaa o o g gaannaanncciiaa d dee eelleeccttrroonneess)) q quuee s see manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas interacciones electromagnéticas eennttrree e ellllaass.. L Laa mmaatteerriiaa ccaarrggaaddaa
eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro
eléctrico origina una de las cuatroiinntteerraacccciioonneess f fuunnddaammeennttaalleess: : llaa
interacción electromagnética
interacción electromagnética..
La carga eléctrica es de naturaleza
La carga eléctrica es de naturalezaddiissccrreettaa, fenómeno demostrado, fenómeno demostrado
experimentalmente por
experimentalmente porRRoobbeerrtt M Miilllliikkaann. Por razones históricas, a los. Por razones históricas, a los
electrones
electronesse les asignó carga negativa: –1, también expresadase les asignó carga negativa: –1, también expresada––ee.. L
Looss pprroottoonneessttiieenneenn c caarrggaa p poossiittiivvaa:: + +11 o o++ee.. A A l looss qquuaarrkkssssee l leess
asig
asigna cana carga frga fraccraccionaionaria: ria: ±±1/3 o 1/3 o ±±2/3, 2/3, aunqaunque no ue no se hase han pon podidodido
observarlibresen lanaturaleza. observarlibresen lanaturaleza.11
Enel
EnelSSiisstteemmaa I Inntteerrnnaacciioonnaall d dee U Unniiddaaddeessla unidad de carga eléctricala unidad de carga eléctrica
se denomina
se denomina ccuulloommbbiioo (símbolo C). Se define como la cantidad de(símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico
en un segundo, cuando la
en un segundo, cuando laccoorrrriiente eléctricaente eléctricaeess d dee u unnaammppeerriioo,, y y s see corresponde con la carga de 6,24
corresponde con la carga de 6,24×× 1100^^1188 e elleeccttrroonneess aproximadamente.
E
Ennfísicafísica,, s see d deennoommiinnaa aall e effeeccttoo d dee g gaannaarr o o p peerrddeerr
cargas eléctricas, normalmente
cargas eléctricas, normalmenteeelleeccttrroonneess,, p prroodduucciiddoo p poorr u unn c cuueerrppoo
eléctricamente neutro. eléctricamente neutro.
Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro
previamentecargado.Enestecaso,ambosquedanconelmismotipode previamentecargado.Enestecaso,ambosquedanconelmismotipode carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otr carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otroo c coonn c caarrggaa positiva,elprimerodebequedarconcargapositiva. positiva,elprimerodebequedarconcargapositiva.
Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el
cuerpo que los posea en mayor ca
cuerpo que los posea en mayor cannttiiddaadd h haacciiaa e ell q quuee l looss c coonntteennggaa e enn
menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitudddee lacargasealamismaenamboscuerpos.
lacargasealamismaenamboscuerpos.
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (númer
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones =o de electrones = número de
número depprroottoonneess)),, a ammbbooss s see c caarrggaann,, u unnoo c coonn c caarrggaa p poossiittiivvaa y y e ell otroconcarganegativa.Sisef
otroconcarganegativa.Sisefrroottaauunnaabbaarrrraaddeevviiddrriioocon un pañocon un paño
d
deseseeddaa,,hhaayy u unn t trraassppaassoo d dee e elleeccttrroonneess d deell v viiddrriioo a a l laa s seeddaa.. S Sii s see frota un
frota unlápizlápizde pasta con un paño dede pasta con un paño dellaannaa,, h haayy u unn t trraassppaassoo d dee electrones de
electrones del paño. Ejl paño. Ej:: u unn g glloobboo l loo f frroottaass e enn l laa c caabbeezzaa d dee u unn
amigo compañero o tu mismo cabell
amigo compañero o tu mismo cabello o cabeza y luego lo pones cercao o cabeza y luego lo pones cerca de la cabeza de otro compañero o amigo y veras que el cabello se de la cabeza de otro compañero o amigo y veras que el cabello se
levanta. levanta.
El vidrio adquiere una carga
El vidrio adquiere una carga eléctricaeléctrica ppoossiittiivvaa a all p peerrddeerr u unn d
deeterminado número de cargas negativas (electrones); estas cargasterminado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraída
negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cas por la seda, con lo cual se satura de cargasrgas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona det
una influencia eléctrica en una zona determinada que deperminada que depeennddee d dee l laa cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo
eléctrico. eléctrico.
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Cuando un campo eléctrico es acercado a un cuerpo neutro,Este adquiereunacarga delmismosignoqueladelcampoeléctrico;sise mantiene el campo eléctrico cerca del cuerpo llegaráun momento en que estos se rechacen, pues ambos tendrán carga eléctrica del mismo signo.Estaformadeelectrizaruncuerposedenominainducción. El estudio de la electrostática ha determinado que cargas eléctricas del mismo signo se rechazan, y que cargas de signo contrario se atraen; esta ley se ha empleado en un instrumento llamado electroscopio, el cual sirve para identificar si un cuerpo se encuentra cargadoeléctricamente o si se encuentra en un estado
neutro.
ELECTROSCOPIO
.
Laelectricidadse puede definir como una forma de energía originada
porelmovimientoordenado de electrones. Otros tipos de energía son
lamecánica,calorífica, solar, etc.
Dependiendo de la energía que se quiera transformar en electricidad, será necesario aplicar una determinada acción. Se podrá disponer de
electricidad por los siguientesprocedimientos: Mecánica Frotamiento Química ReacciónQuímica Luminosa PorLuz Calórica Calor Magnética PorMagnetismo
Mecánica PorPresión Hidráulica PorAgua
Eólica PorAire Solar Panel Solar
Las primeras observacionessobre fenómenos eléctricos se realizaron
yaenlaantiguaGrecia, cuando el filósofoTales de Mileto(640-546
a.c.) comprobó que, al frotar barras de ámbar contra pieles curtidas, se producía en ellascaracterísticas de atracción que antes no poseían.
Es el mismo experimento que ahora se puede hacer frotando una barra deplástico con un paño; acercándola luego a pequeños pedazos de
papel, los atrae hacia sí, como escaracterístico en los cuerpos
electrizados.
Todos estamos familiarizados con los efectos de la electricidad
estática, incluso algunas personas son más susceptibles que otras a
su influencia.
Ciertos usuarios de automóviles sienten sus efectos al cerrar con la llave (un objeto metálico puntiagudo) o al tocar la chapa del coche.
Creamos electricidad estática, cuando frotamos un bolígrafo con
nuestra ropa.
A continuación, comprobamos que el bolígrafo atrae pequeños trozos
depapel.
Lo mismo podemos decir cuando frotamosvidriocon seda o ámbar con
lana.
Para explicarcómo se origina la electricidad estática, hemos de
considerar que la materiaestá hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones.
Normalmente, lamateriaes neutra, tiene el mismo número de cargas
positivas y negativas.
Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que
otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones
cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la
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Siunmaterialtiendeacapturarelectronescuandoentra encontacto
con otro material, dicho material es más negativo en la serie tribo
-eléctrica.
Estossonalgunosejemplosdematerialesordenados de más positivo a más negativo:
Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel,
algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.
El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas por
queambosmaterialesocupanposicionesdistintasenlaserietribo
-eléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio.
Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su
separación en la serie tribo - eléctrica), y del área de la
superficiequeentraencontacto.
Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es
pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionanuncaminoparaquesere combinenlascargas.
La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.
Habremos observado que frotando el bolígrafo con nuestra ropa atrae
atrocitosdepapeles. En las experiencias de aula, se frotan diversos materiales, vidrio conseda,cuero,etc. Seempleanbolitas desaucoelectrizadasparamostrarlasdosclases decargasysusinteracciones. Deestosexperimentosseconcluyeque:
1.La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas
positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En cualquierproceso que ocurra en unsistemaaislado,lacargatotalonetanocambia. 2.Losobjetoscargadosconcargasdelmismosigno,serepelen. 3.Losobjetoscargadosconcargasdedistintosigno,seatraen.
Si antes de empezar las experiencias, se aproximan una barra de
ebonita y a otra de vidrio, se comprobará que no existe electrificación ninguna, pues no hay ni atracción ni repulsión. De esta manera, se llega a la conclusión de que la electrización se produce por frotamiento y de que existe algún agente común que no se
comportadeigualformaenambosmateriales.
Efectivamente, un tipo de partículas llamadas electrones abandonan
en unos casos la barra, por acción del frotamiento, y otra veces abandona el paño para pasar a la barra.
El exceso de electrones da lugar a cargas negativas, y su falta a cargas positivas.
Los electrones son idénticos para todas las sustancias(losdecobre son iguales que los del vidrio o la madera), siendo estas, las
partículas más importantes de las que se compone la materia, ya que
disponen de carga y movilidad para desplazarse por las sustancias.
La diferencia entre dos materiales vendrá dada, entre otras cosas,
porlacantidadymovilidaddeloselectronesquelacomponen.
A título de curiosidad, comentar que la masa de un electrón es de:
0'0000000000000000000000000000009106 Kg.
Los conceptos de carga y movilidad son esenciales en el estudio de
la electricidad, ya que, sin ellos, no podría existir lacorriente
eléctrica.
Todas laspilasconsisten en un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce
electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una
corriente eléctrica.
Laspilasenlasqueelproductoquímico no puede volver a su forma original una vez que la energía química se ha transformado en energía eléctrica(esdecir,cuandolaspilassehandescargado),se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas reversibles en las que elproducto
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eléctrica, puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal de la pila.
Entre los extremos de losmetales, fuera del electrolito, se genera una diferencia de potencial, o voltaje, que puede dar lugar a una
corriente eléctrica. En lapila de la figura 3 el zinc adquiere carga negativa, mientras que elcobreadquiere cargas positivas. Al
zinc se le llama cátodo y el cobre recibe el nombre de ánodo. Asíse tiene una fuente de electricidad distinta a la generada por
fricción. Con este medio químico para obtener electricidad se abrieron nuevas posibilidades de aplicación práctica y experimental. La explicación de lasreacciones químicasque ocurren en la pila o
celda voltaica se dio muchos años después, ya que en la época de Volta la química apenas empezaba a desarrollarse como ciencia moderna. Solamente diremos que, por un lado, el zinc adquiere un
exceso de electrones, mientras que por el otro, el ácido con el cobre da lugar a cargas eléctricas positivas. Al unir el cobre con
el zinc por medio de un alambre conductor, los electrones del zinc
se mueven a través del alambre, atraídos por las cargas del cobre y al llegar a ellas se les unen formando hidrógeno.
A medida que la luzsolar se hace más intensa, el voltaje que se
generaentrelasdoscapasdela célulafotovoltaica aumenta.
¿Cómo funciona unacélulafotovoltaica?
Enausenciadeluz,elsistemano genera energía.
Cuando la luz solar incide sobre la placa,la célula empieza a funcionar. Los fotones de la luz solar interaccionan con los
electrones disponibles e incrementan su nivel de energía.
Es el tipo de central donde se usa una turbina accionada por vapor de agua inyectado apresiónpara mover el eje de los generadores
eléctricos. Se puede producir desde los 5 hasta los 5000 kwatts. Las centrales térmicas convencionales y las térmicas nucleares utilizan la energía contenida en el vapor a presión. El ejemplo más
unaruedadepaletas,enlazadaasuvezaungenerador.Elchorro de
vapor procedente de la tetera mueve las paletas, y éstas, el rotor. Podemos conseguir vapor de muchas maneras: quemando carbón, petróleo, gas o residuos urbanos, o bien aprovechando la gran cantidad de calor que generan las reacciones de fisión nuclear. Incluso se puede producir vapor concentrando la energía del sol.
Elprocesoseguido en todas las centrales térmicas (convencionales o
nucleares) tiene cuatro partes principales:
Generador de calor (puede ser una caldera para quemar carbón,
fuel, gas, biogás, biomasa o residuos urbanos, o bien un reactor
nuclear).
Circuito cerrado por donde circula el fluído que porta la energía cinética necesaria (agua en fase líquida y en fase de vapor). El
generador de vapor tiene una gran superficie de contacto para facilitarlatransferenciadecalordelacaldera.(Enlascentrales de gas de ciclo combinado, el fluido es el propio gas en
combustión).
Condensador o circuito de enfriamiento. Convierte el vapor "muerto" de baja densidad en agua líquida de altadensidad, apta para ser convertida de nuevo en vapor "vivo". El calor residual del
vapor "muerto" se transfiere a otro medio (generalmente un río o un
embalse).
La turbina convierte la energía cinética del vapor "vivo" en
movimiento rotatorio. Las ruedas de paletas se disponen una tras otra, con diferentes configuraciones, para aprovechar toda la
energía contenida en el vapor a presión a medida que se expande y
pierde fuerza. El generador convierte el giro en corriente
eléctrica, gracias al proceso deinducciónelectromagnética. Geotérmicas:UtilizanelcalordelinteriordelaTierra.
En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una conexión entre la electricidad y elmagnetismo, fue
desarrollado por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las
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este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético,
mientras que Faraday demostró que puede emplearse uncampo magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia deondas
electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético (véaseFísica).
James Clerk Maxwell Conocido como uno de los científicos más
destacados del siglo XIX, James Clerk Maxwell desarrolló unateoría matemáticaque relaciona las propiedades delos campos eléctricos y magnéticos. Los trabajos de Maxwell lo llevaron a predecir la
existencia de lasondaselectromagnéticas, e identificó la luz como un fenómeno electromagnético. Susinvestigaciones contribuyeron a
algunos de los descubrimientos más importantes en el campo de la físicadurante el siglo XX, incluidas lateoríade la relatividad
especial de Einstein y la teoría cuántica.Hulton Deutsch
Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez
más en la comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría sobre la variación con la
temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas (ver más adelante), basada en laestructuraatómica de la materia. Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripciónde propiedades macroscópicas a partir de las propiedades
de los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en
los materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la
teoría de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la piedra imán.
Campos magnéticos y corrientes En 1813, Hans Christian Oersted predijo que se hallaría una conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1819 colocó una brújula cerca de un hilo recorrido por una corriente y observó que la aguja magnética se desviaba. Con
ello demostró que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. Aquí vemos cómo las líneas del campo magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.© Microsoft Corporation. Reservados todos losderechos.
Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr sobre la estructura atómica, por
ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el hierro, en los lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y
George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los electrones
tienen espín y se comportan como pequeños imanes con un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un objeto es una magnitud vectorial (véase Vector) que expresa la intensidad y orientación del campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación detallada del campo molecular de
Weiss en 1927, basada en la recientemente desarrollada mecánica cuántica (ver Teoría cuántica). Más tarde, otros científicos
predijeron muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.
En esta figura de abajopodemos observar, la presión que ejerce las corrientes de agua subterráneas, las mismas que accionan las turbinas que posteriormente generan la energía eléctrica, este mismo
proceso lo utilizan en los barcos y grandes buquescomo energía
alterna al sistema principal.
En la figura siguiente, podemos observar la presión que ejerceel aguaenunarepresadeagua,estesistemaeselmásutilizado.
En las presas se genera electricidad liberando un flujo controlado
de agua a alta presión a través de un conducto forzado.El agua impulsa unas turbinas quemueven los generadores y producen así una corriente eléctrica. A continuación, esta corriente elevada de baja tensión pasa por un elevador de tensión que la transforma
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De todaslas energías enunciadas anteriormente, la empleada para
producir electricidad en grandes cantidades es la magnética.
Suproducciónse basa en el hecho de que, al mover un conductor (material con gran movilidad de electrones) en presencia de un imán (campo magnético), en el conductor se produce un movimiento ordenado de electrones, como consecuencia de las fuerzas de atracción y repulsión originadas por el campo magnético.
En esta forma de producción de electricidad se basa el funcionamiento de los alternadores,motoresy dinamos. Alternador: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (ProduceCorriente Alterna) Motor: Dispositivo capaz de transformar la electricidad en movimiento rotatorio. Dinamo: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (Produce Corriente Continua)
Turbina: Dispositivo mecánico que transforma, la energía cinéticade unfluido,enmovimientorotativoyviceversa
Cualquier central eléctrica, basa su producción de electricidad en
el giro de turbinas unidas a ejes de alternadores. Este giro se
La clave del diseño de las centrales hidroeléctricas está en un
diseño adecuado de la tubería forzada de agua, que aumentará su velocidad, y en la elección de la turbina más adecuada para que extraiga la mayor cantidad posible de energía del agua en
movimiento. Unodelosmodelosmás utilizados es la turbina Kaplan, con eje vertical y provista de paletas móviles, que le permiten adaptarse a las condiciones de presión del chorro de agua.
El soltambién es la causa del movimiento de grandes masas de aire desde zonas de alta presión a zonas de baja presión. Este viento se puede recoger por grandes hélices o molinos,conectadosa unrotor.
La clave de la conversión de la energía contenida en el aire en movimiento giratorio está en un diseño muy cuidadoso, tanto de las palas de la hélice como del multiplicador, que convierte su rotación lenta en un giro muy rápido.
Elviento choca contra las palas y provoca diferencias de presión
entre sus dos caras, haciendo girar su estructura. Es un proceso
idéntico al que hace avanzar un avión gracias al giro de la hélice.
El engranaje multiplicador convierte el movimiento lento de la
hélice en un giro rápido para activar el generador.
El tamaño de las palas también está en relación con la cantidad de energía que producirá el molino.
Elemplazamientodelosmolinosdebeserelegidocuidadosamente. Los mapasde potencialidad eólica marcan las zonas más adecuadas para la instalación de aerogeneradores que, por lo general, coinciden con las cumbres de montañas y sierras y con la costa.
Laeficienciade conversión de la fuerza del viento en electricidad depende en gran medida del diseño de las palas de la hélice. Existen
modelosmuydiversos,condos,tresyhastaseispalas.Deben
soportar y aprovechar condiciones de presión del viento muy
variables, por lo que su aerodinámica se diseña con tanto cuidado como la de un avión.
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Elengranajemultiplicadortransformaelgirolentodelaspalasdel
molino en un giro muy rápido que alimentará el generador. Todos estos mecanismos están colocados en unanavecilla situada a gran alturasobreelsuelopormediodeunsoporte.
La energía que procede del sol es fuente directa o indirecta de casi toda la energía que usamos. Los combustibles fósiles existen gracias
a lafotosíntesisque convirtió laradiaciónsolar en lasplantasy animalesde las que se formaron el carbón, gas ypetróleo. Elciclo del agua quenos permite obtener energía hidroeléctrica es movido
por laenergía solarque evapora el agua, forma nubes y las lleva tierraadentro donde caerá en forma de lluvia o nieve. El viento también se forma cuando unas zonas de laatmósfera son calentadas
porelsolenmayormedidaqueotras.
El aprovechamiento directo de la energía del sol se hace de
diferentes formas:
a)Calentamientodirectodelocalesporelsol
Eninvernaderos,viviendasyotroslocales,seaprovechaelsolpara calentar el ambiente. Algunos diseños arquitectónicos buscan aprovechar al máximo este efecto y controlarlo parapoderrestringir
el uso de calefacción o deaire acondicionado.
b) Acumulación del calor solar
Se hace con paneles o estructuras especiales colocadas en lugares expuestos al sol, como los tejados de las viviendas, en los que se
calienta algún fluido que se almacena el calor en depósitos. Se usa,
sobre todo, para calentar agua y puede suponer un importanteahorro
energético si tenemos en cuenta que en un país desarrollado másdel
5% de la energía consumida se usa para calentar agua. c) Generación de electricidad
Se puede generar electricidad a partir de la energía solar por variosprocedimientos. En el sistema termal la energía solar se usa
para convertir agua en vapor en dispositivos especiales. En algunos
casos se usan espejos cóncavos que concentran el calor sobre tubos
que contienen aceite. El aceite alcanza temperaturas de varios cientos degrados y con él se calienta agua hasta ebullición. Con el
vapor se genera electricidad en turbinas clásicas. Con algunos dispositivos de estos se consiguen rendimientos de conversión en energía eléctrica del orden del 20% de la energía calorífica que
llegaaloscolectores
La luz del sol se puede convertir directamente en electricidad
usando el efecto fotoeléctrico. Las no tienen rendimientos muy altos. Laeficiencia media en la actualidad es de un 10 a un 15%, aunque algunos prototipos experimentales logran eficiencias de hasta el 30%. Por esto se necesitan grandes
extensiones si se quiere producir energía en grandes cantidades.
Uno de losproblemas de la electricidad generada con el sol es que
sólo se puede producir durante el día y es difícil y cara para almacenar. Para intentar solucionar este problema se están investigando diferentes tecnologías. Una de ellas usa la
electricidad para disociar el agua, porelectrólisis, en oxígeno e hidrógeno. Después el hidrógeno se usa como combustible para regenerar agua, produciendo energía por la noche.
La producción de electricidad por estossistemases más cara, en
condiciones normales, que por lossistemasconvencionales. Sólo en
algunas situaciones especiales compensa su uso, aunque las
tecnologías van avanzando rápidamente y en el futuro pueden jugar un importante papel en la producción de electricidad
Elabora un cuadro sinóptico del tema Obtención de la
Electricidad en el que se indique como se obtiene la electricidad,
por diferentes métodos, con ejemplos y usos.
2.1.4. CAMPO ELECTRICO.
Un campo eléctrico es un campo de fuerza creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas (la causa del flujo eléctrico) y se
mideenVoltiospormetro(V/m).Elflujodecrececonla distanciaa lafuentequeprovocaelcampo.
Los campos eléctricos estáticos (también conocidos como campos
electrostáticos) son campos eléctricos que no varían con el tiempo (frecuencia de 0 Hz). Los campos eléctricos estáticos se generan por
