Fisica 5

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FISICA

Bloque

Educación Adultos 2000 0800-999-33822

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gobBsAs SECRETARÍA DE EDUCACIÓN

Secretaría de Educación Proyecto Educación Adultos 2000 Coordinador pedagógico: Lic. Roberto Marengo Equipo técnico-pedagógico: Lic. Valeria Cohen Lic. Ernesto Crescente Lic. Daniel López Lic. Norma Merino Lic. Noemí Scaletzky Lic. Alicia Zamudio Equipo de Edición: Coordinadora de producción de Materiales: Lic. Norma Merino Diseño y Diagramación: Cristian Fedeli Ilustraciones: Gabriela Cháves

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Guía de estudio

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FISICA BLOQUE 5 Copyright Secretaria de Educación del Gobierno de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires Subsecretaría de Educación Gobierno de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires Proyecto Educación ADULTOS 2000 Av. Diaz Velez 4265 (C1200AAJ) - Ciudad Autónoma de Buenos Aires Primera Edición: 1000 ejemplares Impreso en Argentina Guia de distribución gratuita. PROHIBIDA SU VENTA Queda hecho el depósito que establece la ley 11.723 ISBN 987-549-119-5

INDICE

FISICA Física en Educación Adultos 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Presentación del Bloque 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 Cómo estudiar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Unidad 1: Electrostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 1. 1. Electrización. Por frotamiento por contacto y por inducción electrostática. Ley de Coulomb. líneas de fuerza. Campo eléctrico. Trabajo y diferencia de potencial. .6 1. 2. Conductores y aislantes. Distribución de cargas en la superficie de los aislantes y los conductores. . . . . . .17 Capacitores. Dieléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 Actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Respuestas a las actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Unidad 2: Corriente eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 2. 1. Intensidad de la corriente eléctrica. Fuerza electromotriz y diferencia de potencial. .24 2. 2. Ley de Ohm. Resistencia y resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 2. 3. Pila voltaica y acumuladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2. 4. Pilas y baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 Actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 Respuestas a las actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 Unidad 3: Magnetismo ................................ 3. 1. Magnetismo natural e inducido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 2. Magnetismo terrestre. ................................ 3. 3. Características del campo magnético terrestre. Inclinación y declinación. Actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Respuestas a las actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . .

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.33 .33 .35 .35 .39 .40

Unidad 4: Corrientes eléctricas y Magnéticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 4. 1. Campo magnético de una corriente eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 4. 2. Inducción magnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 4. 3. Ferromagnetismo, diamagnetismo, paramagnetismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 4. 4. Electroimanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 Actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 Respuestas a las actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 Unidad 5: Inducción electromagnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 5.1. Fuerza electromotriz inducida. Ley de Lenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 5.2. Dínamos y transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

5.3. Corriente alterna. .............. 5.4. Ondas electromagnéticas. .............. Actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . Respuestas a las actividades de Autoevaluación

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Unidad 6: Física moderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 6.1. El surgimiento de las nuevas teorías a cerca del átomo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 6.2. La cuantificación de las energías atómicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 6.3. Efecto fotoeléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 6.4. Radiactividad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Respuestas a las actividades de Autoevaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Física en Educación Adultos 2000 FISICA Con este material usted estudiará el Bloque 5 de Física en Educación Adultos 2000, el proyecto de educación media a distancia del Gobierno de la Ciudad de Buenos Aires. Educación Adultos 2000 le ofrece la oportunidad de completar su bachillerato sin la obligación de asistir a clases diariamente. De este modo, podrá regular los tiempos que dedica al estudio según sus posibilidades, sus obligaciones y su ritmo personal. Seguramente ha sido por estos motivos que decidió incorporarse al Proyecto, aunque es probable que se plantee algunas dudas: • ¿Podré estudiar “solo”, después de haber dejado hace tanto tiempo la escuela? • ¿Cómo organizarme y saber cuánto tiempo debo dedicar al estudio? • ¿Cómo podré saber si lo que hago está bien sin la presencia de un docente? • ¿Cómo saber los bloques que tengo que rendir en cada materia? • ¿Cómo se aprueban las materias? Nuestro compromiso, como lo hace el profesor en “su primera clase”, es hacerle conocer cómo se maneja cada una de estas cuestiones en el marco de nuestra propuesta de enseñanza. Esta primera parte de la Guía de estudio se parece, en cierto sentido, a las primeras clases, e intentaremos en ella: 1. Despejar sus dudas, explicando los rasgos fundamentales del modo de trabajo que le proponemos; 2. Presentarle la materia; 3. Proponerle algunas actividades que le permitirán aproximarse al estudio de la materia a partir de sus conocimientos y experiencias. RESPONDIENDO A SUS INTERROGANTES Intentaremos responder a los interrogantes que suponemos usted se habrá planteado: ¿Podré estudiar “solo”, después de haber dejado hace tanto tiempo la escuela?

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El hecho de que Educación Adultos 2000 no le exija asistir diariamente a clases no significa que usted esté “solo”: no es un alumno libre; muy por el contrario, este Proyecto le ofrece las siguientes formas de apoyo y acompañamiento en el proceso de estudio que usted decidió emprender: 1) Módulo introductorio en el que encontrará información detallada sobre las características generales de Educación Adultos 2000. 2) Guías de estudio elaboradas especialmente para orientarlo en el trabajo con los contenidos de cada una de las asignaturas. 3) Consultorías a cargo de profesores de las materias, a las que podrá asistir para resolver las dudas y dificultades que se le presenten al trabajar con las Guías, la bibliografía y otros recursos. No son obligatorias y funcionan en las sedes del Proyecto en diversos horarios. 4) Centro de Recursos Multimediales para el aprendizaje (CRM), en el que encontrará libros, videos, CD-ROM y todos los recursos necesarios para desarrollar las actividades que le proponen las Guías de estudio. 5) Atención permanente a alumnos en las sedes, a cargo de personal dedicado especialmente a brindar la información y orientación necesarias para desenvolverse en el Proyecto sin dificultades. ¿Cómo organizarme y saber cuánto tiempo dedicar al estudio? Le sugerimos que, teniendo en cuenta el programa de la materia y la fecha del examen final, distribuya los temas en el tiempo que tendrá disponible para estudiar. Recuerde que, si por cualquier motivo no puede cumplir con su cronograma, tendrá periódicamente nuevas fechas de examen. Analizando las dificultades que se le presenten al realizar las actividades de las Guías de estudio y el tiempo que estas le demanden, podrá decidir el mejor momento para rendir su examen final. ¿Cómo podré saber si lo que estoy haciendo “está bien” sin la presencia de un docente? Las Guías de estudio le proponen actividades de autoevaluación con respuesta que le permitirán reconocer logros y dificultades en el desarrollo de su proceso de aprendizaje. Además, las consultorías le ofrecen la posibilidad de reunirse con un profesor de la materia cuando lo considere necesario.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

¿Cómo saber los bloques que tengo que rendir en cada materia? Le recordamos que llamamos “bloque” al conjunto de contenidos correspondientes a un año del bachillerato. Por ejemplo, si usted tiene aprobado primer año de una materia, deberá estudiar los contenidos del bloque 2 y rendir el examen que corresponda. ¿Cómo se aprueban las materias? Para aprobar las materias deberá rendir un examen escrito presencial que incluirá consignas referidas a los contenidos correspondientes al nivel que usted necesita aprobar. Para rendir cada examen, deberá inscribirse previamente. En ese momento, le ofreceremos fechas alternativas para participar de actividades presenciales de síntesis, no obligatorias. Las actividades de autoevaluación que presentan las guías y las actividades de síntesis lo orientarán sobre la modalidad y los criterios de la evaluación. Una vez planteadas las características generales del modo de trabajo que le propone el Proyecto, lo invitamos a comenzar la tarea.

Física • Bloque 5 • PRESENTACIÓN

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Presentación del Bloque 5 FISICA El programa de este Bloque trata sobre los fenómenos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos en general. El estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos es tan antiguo como el origen de la ciencia. Los rayos y los polos magnéticos han existido desde antes que el hombre. Sin embargo, el conocimiento de las leyes que rigen estos fenómenos no ha sido tan sencillo ni tan precoz como en el caso de las que rigen la gravedad. Las leyes respecto de la atracción y repulsión de las cargas eléctricas se desarrollaron en el siglo XVIII. Las primeras pilas descubiertas por Volta estaban hechas de un disco de plata y otro de cinc con un cartón o algodón, mojado en agua con sal, entre ambos. Volta notó que si conectaba un alambre a cada uno de estos discos podía conseguir que circulara corriente continua. Con esta pilas pudo mostrar algunos de los efectos de las corrientes eléctricas sobre los objetos y también sobre los tejidos de plantas y animales. A principios de 1800, después de un conjunto de experiencias muy cuidadas, Faraday comenzó a vincular los fenómenos eléctricos con los magnéticos. Recién entonces los científicos comenzaron a notar que el comportamiento de una brújula frente al campo magnético terrestre era semejante al de una brújula frente a un alambre por el que circulaba una corriente. Allí pudo establecerse la relación entre fenómenos eléctricos y magnéticos. En este Bloque estudiaremos: Las leyes que rigen la atracción y repulsión de cargas eléctricas y de polos magnéticos conocidas como leyes de Coulomb y Biot Savart. El comportamiento de las cargas eléctricas en movimiento: las corrientes eléctricas, su intensidad y su efecto sobre otras corrientes. Analizaremos con modelos sencillos la distribución eléctrica de su casa y veremos cómo calcular consumos energéticos de distintos aparatos. Las leyes que vinculan la electricidad y el magnetismo y la forma en que funciona un transformador, un relé o un timbre. Por último, se tratarán las experiencias que llevaron a cambiar la imagen que se tenía de la Naturaleza hasta el siglo XIX. Analizaremos los experimentos que llevaron a descubrir la radioactividad y daremos una noción del modelo atómico actual en la Física.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Programa Unidad 1: Electrostática 1. 1. Electrización. Por frotamiento por contacto y por inducción electrostática. Ley de Coulomb. Líneas de Fuerza. Campo eléctrico. Trabajo y diferencia de potencial. 1. 2. Conductores y aislantes. Distribución de cargas en la superficie de los aislantes y los conductores. Capacitores. Dieléctricos Unidad 2: Corriente eléctrica 2. 1. Intensidad de la corriente eléctrica. Fuerza electromotriz y diferencia de potencial. 2. 2. Ley de Ohm. Resistencia y resistividad 2. 3. Pila voltaica y acumuladores. 2. 4. Pilas y baterías. Unidad 3: Magnetismo 3. 1. Magnetismo natural e inducido. 3. 2. Magnetismo terrestre. 3. 3. Características del campo magnético terrestre. Inclinación y declinación. Unidad 4: Corrientes eléctricas y Magnéticas. 4. 1. Campo magnético de una corriente eléctrica. 4. 2. Inducción magnética. 4. 3. Ferromagnetismo, diamagnetismo, paramagnetismo. 4. 4. Electroimanes. Unidad 5: Inducción electromagnética 5. 1. Fuerza electromotriz inducida. Ley de Lenz 5. 2. Dínamos y transformadores 5. 3. Corriente alterna. 5. 4. Ondas electromagnéticas. Unidad 6: Física moderna 6. 1. El surgimiento de las nuevas teorías acerca del átomo. 6. 2. La cuantificación de las energías atómicas. 6. 3. Efecto fotoeléctrico. 6. 4. Radiactividad.

Física • Bloque 5 • PRESENTACIÓN

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Bibliografía • Hewitt, P;. Física conceptual, Editorial Adisson Wesley. Buenos Aires 1993. • Rela y Sztrajman. Física I y II. Editorial Troquel. Buenos Aires. 1981.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Cómo estudiar FISICA Así como en la clase el docente les propone a los alumnos trabajos y lecturas y les presenta explicaciones que orientan su aprendizaje, la Guía cumple, en cierta manera, esas funciones. Al ser esta una modalidad a distancia, es decir, sin la presencia regular de un profesor, la guía le servirá para seleccionar las lecturas más adecuadas para obtener información. Además, si lo considera necesario, usted dispone de la posibilidad de encontrarse con un docente de la materia para satisfacer dudas que pudieran surgir a partir del trabajo con los diferentes materiales de estudio. Para ello puede asistir a las consultorías. RECOMENDACIONES PARA ORGANIZAR SU ESTUDIO • Lea atentamente la Guía. Tenga presente que en la introducción a cada tema hay información útil para el estudio de la materia. • Prepare un cuaderno o carpeta para anotar las respuestas a las actividades, las dudas y también definiciones, esquemas, resúmenes, etc. que lo ayuden a estudiar. • En los textos y actividades de esta Guía usted encontrará resaltadas de terminadas ideas y conceptos. Los mismos son claves para la comprensión del tema tratado. Representan los ejes sobre los cuales organizar la información. Présteles especial atención cuando estudie los contenidos de este programa. • Busque en el libro de texto la información que se le solicita en las actividades. Esa información es fundamental para preparar su examen. • Si tiene dudas con respecto al enfoque, las actividades de la Guía o la información del libro, recuerde que puede acudir a las Consultorías para resolver sus inquietudes. En esta Guía de estudio se incluyen, dentro de cada unidad: Contenidos Encontrará el listado de los contenidos de la unidad. Con él podrá establecer si hay temas que ya estudió y cuáles tiene que estudiar por primera vez, fundamentalmente identificar cómo es posible agrupar los contenidos para orientar la búsqueda de los temas en los libros.

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Presentación de la unidad A través de un breve desarrollo se presentan los temas, de modo de ir relacionando los conceptos mencionados en contenidos. Se trata de una guía para que busque en los libros la ampliación de estos temas, orientándose por el orden y las vinculaciones que aquí se señalan. En todos los casos los conceptos considerados centrales están destacados, para que los reconozca fácilmente y sean ellos los que vaya a buscar en la bibliografía. Actividades Una serie de actividades les permitirá trabajar con los contenidos que estudie. En todas las unidades encontrará: • Actividades para resolver recurriendo a los textos. Se trata de sugerencias de lectura de determinados temas para que los estudie. • Actividades para resolver mediante videos educativos. Ud. hallará un conjunto de preguntas que orientarán la observación del video. • Actividades que requieren resolución numérica. Se trata de problemas y ejercicios para resolver recurriendo a conocimientos matemáticos. • Actividades de aplicación de conceptos. Se trata de situaciones que presentan ejemplos o casos cuya resolución requiere volver a pensar en los conceptos que ha estudiado y en cómo estos conceptos se relacionan con los casos planteados. • Actividades de carácter experimental. Se trata de propuestas de construcción de objetos o medición de magnitudes con elementos que se hallan a su alcance. Actividades de autoevaluación En este apartado encontrará un listado de aquello que se espera que logre como resultado del estudio de la unidad. Necesitará saberlo para poder decidir si ya puede pasar a la unidad siguiente porque aprendió los temas correspondientes o si, en caso contrario, le será conveniente volver a consultar la bibliografía, resolver otra vez alguna actividad o inclusive asistir a las consultorías para resolver dudas. Luego encontrará algunas preguntas que se refieren a esos mismos resultados esperados y que le servirán como ejemplo y orientación para pensar si lo logró.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Respuestas a las Actividades de autoevaluación. Se presentan brevemente las repuestas a las preguntas planteadas en el apartado anterior para que pueda confrontarlas con las que usted pudo resolver.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

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Electroestática Contenidos 1.1. Electrización por frotamiento, por contacto y por inducción electrostática. Ley de Coulomb. Líneas de fuerza. Campo eléctrico. Trabajo y diferencia de potencial. 1.2. Conductores y aislantes. Distribución de cargas en la superficie de los aislantes y los conductores. Capacitores. Dieléctricos

Bibliografía • Hewitt, P;. Física Conceptual. Ed. Adisson Wesley • Rela y Sztrajman. Física (tomo II) Buenos Aires. Troquel.

Presentación de la unidad La Electroestática trata de los fenómenos físicos entre cargas eléctricas en los cuales las cargas no se mueven. Por eso es estática. Los fenómenos eléctricos fueron de los primeros que llamaron la atención a los seres humanos, ya sea por lo vistoso de su aparición o por lo curioso de los efectos que producen. El nombre de eléctricos proviene del griego (electrón, que significa ámbar) porque fue en Grecia donde descubrieron hace casi 2300 años frotando una barra de ámbar con una piel de un animal se podía levantar pequeños objetos como plumas y semillas. Hoy en día podemos usar una birome de plástico frotad contra nuestra ropa para levantar papeles de una mesa. En el siglo XVIII era común ver en las ferias (que eran como las kermeses de hoy) demostraciones de fenómenos eléctricos que llamaban la atención del público haciendo saltar chispas o logrando “alzar el pelo” de algunos de los presentes. Poder levantar objetos pequeños frotando una barra de vidrio o hacer saltar chispas entre dos objetos cargados, son algunos de los fenómenos más sencillos y corrientes. Si bien estos fenómenos se conocen desde algunos siglos antes de Cristo, su explicación y comprensión tuvo que esperar casi dos mil años. Hoy en día la Física explica los fenómenos eléctricos a partir de la atracción o repulsión de cargas eléctricas. Sabemos que en la naturaleza existen dos tipos de cargas eléctricas a las que se suelen llamar negativas y positivas. Las cargas del mismo signo (o del mismo nombre) se repelen y las de distintos signos se atraen. Las cargas eléctricas se hallan presentes en los átomos que forman parte de to-

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UNIDAD 1

UNIDAD

das las sustancias. Las partículas que forman los átomos están cargadas eléctricamente y cada átomo tiene siempre la misma cantidad de carga positiva que negativa. Su carga total es cero y por eso decimos que es neutro. En los objetos que nos rodean habitualmente no observamos fenómenos eléctricos porque son neutros, es decir que los objetos que tenemos a nuestro alrededor tienen tantas cargas positivas como negativas.

1.1. Electrización. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Sin embargo ya mencionamos que si frotamos un trozo de ámbar o de vidrio o de plástico con una tela o con una piel, este adquiere carga eléctrica. Eso quiere decir que el frotamiento es una forma de electrizar ciertos materiales, pero no es el único. Electrizar o electrificar significa agregar o quitar cargas a un cuerpo. Existen tres mecanismos básicos para electrificar (cargar eléctricamente) un objeto: • Por frotamiento: frotando el plástico de la birome, o un globo de goma inflado contra la ropa, estos quedan cargados. • Por contacto: al poner un cuerpo cargado eléctricamente en contacto con un cuerpo neutro, fluyen cargas del primero al segundo, quedando ambos cargados. • Por inducción: al aproximar un cuerpo cargado a uno neutro, sin ponerlos en contacto.

Hasta aquí todo parece “demostraciones vistosas” pero en 1750 Coulomb enunció una ley que permite calcular la fuerza entre cargas eléctricas. La ley de Coulomb informa si las cargas se atraen o se repelen y además permite calcular con qué fuerza lo hacen. Una noción muy útil para describir el comportamiento de unas cargas en presencia de otras es la de campo eléctrico. El campo eléctrico en cada punto del espacio: • Da una idea de cómo serán afectadas otras cargas que fueran colocadas allí. • Da una medida de la fuerza que sentiría una carga si la colocamos en un determinado lugar. • Depende de qué tan cerca o lejos estemos de la carga que lo genera. • Al igual que el campo gravitatorio, el campo eléctrico puede estudiarse observando sus líneas de fuerza (que indican la dirección de la fuerza que recibiría una carga) o bien estudiando lo que se conoce como las líneas equipotenciales del campo.* * La noción de campo seguirá apareciendo en este bloque y la seguiremos profundizando

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

1.2. Conductores y aislantes. Capacitores. Hasta aquí hemos hablado de cargas eléctricas, de cómo cargar un cuerpo y de la forma en que los cuerpos cargados afectan a otros cuerpos cargados. Sin embargo no todos los materiales se comportan igual respecto de las cargas eléctricas. Algunos materiales permiten a las cargas eléctricas moverse muy fácilmente en su interior mientras que otros son más propensos a mantenerlas “casi” fijas. Los metales, el grafito, el cuerpo humano forman parte del conjunto de los que dejan mover “libremente a las cargas”. Los llamamos conductores. Los conductores tienen una propiedad muy especial: si están cargados, todas las cargas que poseen se distribuyen en su superficie de modo que no haya campo eléctrico en su interior. Otros materiales como el vidrio, el plástico, el aire, son mas reacios al movimiento de sus cargas, no permiten una circulación “libre”. Los llamaremos aislantes (a veces aparecen bajo el nombre de dieléctricos). Sabemos que es posible producir cargas eléctricas, pero los mecanismos que hemos visto no permiten generar grandes cantidades de carga. Para ciertos usos es necesario disponer de una gran cantidad de cargas eléctricas. La cuestión es: ¿cómo se hace para acumularlas? La forma de almacenarlas es usar capacitores (o condensadores). Un capacitor es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas para luego ser utilizadas. En esta unidad Ud. estudiará las propiedades de los capacitores y también verá algunos ejemplos de capacitores de uso cotidiano.*

Actividad n° 1 Esta actividad le servirá para establecer los conceptos básicos de esta unidad. Lea el capítulo de Electrostática de algunos de los libros recomendados. Puede obviar los párrafos referentes a magnitudes vectoriales. Use las palabras en negritas del texto anterior como guía. Preste especial atención en la lectura en los párrafos relacionados con esas palabras. Responda las siguientes preguntas. Puede hacerlo con el libro. * En los textos se aclararán los términos y las propiedades de los materiales

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a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. k. l.

¿Qué significa electrificar un cuerpo? Describa las maneras posibles de lograr la electrización de un objeto. ¿Qué dice la ley de Coulomb? ¿En qué unidades se miden la carga y la fuerza eléctrica? ¿En qué unidades se mide el campo eléctrico de una carga? ¿A qué se llama diferencia de potencial de un campo eléctrico? Describa el proceso necesario para incrementar el potencial de un volt. ¿Qué diferencia existe entre potencial eléctrico y energía potencial? ¿Qué es un conductor? ¿Qué es un aislante? ¿Por qué es nulo el campo en el interior de un conductor? ¿Qué es un capacitor? ¿Para qué se los utiliza? ¿De que variables depende la capacidad de un capacitor?

Actividad n° 2 Los siguientes son ejercicios de resolución numérica. Busque los datos necesarios en la bibliografía sugerida. En estos ejercicios Ud. deberá utilizar múltiplos de las unidades llamados mili (m) y micro (u). Si no los recuerda repase su significado en algún libro de matemática. a. ¿A cuantas cargas electrónicas equivale un Coulomb? b. Dibuje las líneas de fuerza del campo eléctrico para una carga positiva y para una negativa. Señale semejanzas y diferencias. c. ¿Qué valor tiene la fuerza entre dos cargas negativas de 1 mC y 0,2 mC separadas por una distancia de 50 cm? Indique si es atractiva o repulsiva. d. Dibuje las líneas equipotenciales para una carga puntual y para un dipolo. ¿Cambian las líneas de potencial según el signo de las cargas? ¿Por qué? e. Calcule el campo eléctrico generado por dos cargas de 0,3 mC del mismo signo separadas 10 cm en un punto que se halla equidistante de ambas (sobre la recta que las une).

f. Calcule la capacidad de un capacitor plano paralelo cuyas placas están separadas 1,5 cm y cuya superficie es de 1 cm2. g. Si se conecta el capacitor del problema anterior a una diferencia de potencial de 100 V ¿cuánto valdrá la carga en cada una de sus placas? Dibuje en este caso las líneas de campo eléctrico entre placas. h. Dibuje las cargas superficiales y las líneas de campo eléctrico cuando un capacitor de 3,6 mF se conecta a una diferencia de potencial de 150 V. • Calcule el campo eléctrico en el punto medio entre las placas. • Repita el cálculo si se coloca entre las placas un dieléctrico que duplica su capacidad.

Actividad n° 3

La siguiente actividad le propone otra forma de aproximarse a los contenidos de la unidad.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Le presentamos un conjunto de preguntas que usted podrá contestar después de ver los videos llamados “Campo eléctrico” y “voltaje, energía y fuerza”de la colección El Universo Mecánico. Le sugerimos leer primero todas las preguntas para centrar su atención en esos temas. Los videos tienen algunos contenidos sobre cálculo diferencial que Ud. puede obviar porque no son necesarios para la comprensión de los conceptos de esta unidad.

a. ¿Qué es un volt? b. ¿Por qué una pila de 1,5 volt tiene mas energía acumulada que una gran máquina electrostática capaz de generar 100.000 V? c. ¿Por qué el campo eléctrico de una de esas máquinas electrostáticas no separa las cargas eléctricas que forman los átomos de nuestro cuerpo? d. ¿Cuál es el potencial eléctrico del electrón en el átomo de hidrógeno? ¿Cuánto vale su energía potencial? e. ¿Por qué dice el relator que el campo eléctrico debe ser perpendicular a la superficie de un conductor? f. ¿ Por que dice el relator que las líneas de fuerza del campo eléctrico de varias cargas no pueden cruzarse?

Actividad n° 4 Estas preguntas refieren a situaciones cotidianas y pueden ayudarlo a comprender la aplicación de los conceptos de la electrostática que hemos visto en esta unidad. Situación 1 Si Ud. frota una bombita de agua inflada con aire contra su ropa, luego puede adherirla a una superficie plástica, o a una pared. a. ¿Por qué queda adherida la bombita? b. ¿Por qué después de un cierto tiempo la bombita se cae? c. ¿Por qué no vuelve a adherirse si no la vuelve a frotar? d. Si Ud. frota dos bombitas y luego trata de acercarlas ¿Qué sucederá? ¿Por qué? (inténtelo, es sencillo y muy ilustrativo)

Situación 2 Cargas en la vida diaria a. ¿Por qué se recomienda que los coches que viajan en zonas desérticas o muy secas lleven la “colita rutera”? b. ¿Por qué no saltan chispas entre la regla que frotamos con una tela y un anillo que llevemos puesto por mas que estén muy cerca?

Física • Bloque 5 • UNIDAD 1

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Actividades de Autoevaluación FISICA Al terminar el estudio de esta unidad se espera que Ud. pueda: • Aplicar la ley de Coulomb para el cálculo de la fuerza electrostática. • Caracterizar las líneas de campo eléctrico y las equipotenciales de un conjunto de cargas • Aplicar correctamente la relación entre carga y diferencia de potencial en un capacitor. Para que pueda comprobar si lo ha logrado, le proponemos, a modo de ejemplo, las siguientes preguntas que le permitirán volver a pensar en los conceptos centrales de esta unidad. A continuación le ofrecemos las respuestas para que pueda confrontarlas con las que elaboró. Para cada una de las siguientes afirmaciones: • Diga si es verdadera o falsa. • Justifique su respuesta lo más detalladamente posible, utilizando los conceptos de esta unidad. a. Cuando un capacitor está descargando la diferencia de potencial entre sus placas es cero. b. Para aumentar la capacidad de un condensador es necesario separar sus placas. c. Si se duplica la distancia entre dos cargas eléctricas la fuerza que se ejercen mutuamente se reduce a la mitad. d. Las equipotenciales de una carga no varían al cambiar su signo.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

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Respuestas a las Actividades de Autoevaluación FISICA a. Es verdadero. La justificación se debe referir a la ecuación: Q = C.V, por lo tanto si Q = 0, V = 0. b. Es falso porque la capacidad de un condensador es inversamente proporcional a la distancia entre sus placas. Al aumentar la distancia disminuye la capacidad. c. Es falso. La ley de Coulomb establece que la fuerza entre cargas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Por lo tanto la fuerza se reduce a la cuarta parte. d. Es verdadero. Las líneas equipotenciales indican los puntos del espacio en donde la energía potencial es la misma; esto no depende del signo de la carga que genera el campo.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

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Corriente Eléctrica Contenidos 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

Intensidad de la corriente eléctrica. Fuerza electromotriz y diferencial de potencia. Ley de Ohm. Resistencia y resistividad. Circuitos eléctricos: serie y paralelo. Potencia eléctrica. Pila voltaica y acumuladores.

Bibliografía • Hewitt, P;. Física conceptual. Editorial Adisson Wesley. Buenos Aires. • Rela y Sztrajman. Física. Tomo I. Editorial Troquel. Buenos Aires.

Presentación de la Unidad Esta unidad tratará acerca de la forma en que se mueven las cargas eléctricas en los circuitos. Estos conceptos le permitirán entender la manera en que circula la electricidad en circuitos sencillos.

2.1. Intensidad de la corriente eléctrica. Diferencia de potencial y corriente en circuito. En la unidad anterior Ud. estudió que las cargas eléctricas generan un campo eléctrico en el espacio que las rodea. El campo es un concepto que sirve para explicar la atracción entre cargas y otros efectos de la electricidad, como el movimiento de cargas. Ligada a la noción de campo está la de potencial eléctrico. La diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico equivale al trabajo necesario para mover una partícula de carga unitaria desde un punto hasta el otro. Lea y fiche de su libro el concepto de trabajo.

Usted ha aprendido en la Unidad 1, que una forma de acumular cargas eléctricas es usar capacitores, o elementos más sofisticados.

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UNIDAD 2

UNIDAD

Recuerde que si llamamos Q a la carga de cada placa y V a la diferencia de potencial: existe una relación Q = C.V

Las cargas eléctricas pueden acumularse en las placas de un capacitor y hemos observado que la cantidad de carga de cada placa es proporcional a la diferencia de potencial (la cantidad de voltios) entre las placas. Si conectamos un alambre conductor entre las placas de un condensador cargado, las cargas libres dentro del conductor circularán de un extremo al otro hasta que la diferencia de potencial entre sus extremos se anule. Una vez que los potenciales se igualen finalizará el flujo de cargas. (Esto durará algunas milésimas de segundo). Generalizando este ejemplo podemos afirmar que cuando existe una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor habrá un flujo de cargas. Ese flujo de cargas recibe el nombre de corriente eléctrica. La corriente eléctrica se mide en Ampere. Un Ampere equivale a un Coulomb sobre segundo. Si un conductor transporta una corriente de un Ampere, esto quiere decir que al cabo de un segundo ha pasado un Coulomb por el cable. 1 A = 1 C/seg.

El flujo de cargas dentro del conductor se produce debido a una diferencia de potencial entre sus extremos. Este flujo de cargas es semejante al movimiento del agua dentro de una cañería cuyos extremos se hallan a diferentes alturas. El agua fluirá desde un lado hacia el otro hasta que los niveles sean iguales. La corriente eléctrica fluye hasta que la diferencia de potencial sea cero (hasta que los extremos estén al mismo potencial*).

En el caso del agua, si queremos conseguir que el líquido fluya de manera constante, habrá que agregar una bomba que quite agua de un lado y la lleve al otro para mantener siempre la misma diferencia de niveles entre los lados. Así como la bomba mantiene funcionando al circuito hidráulico, hace falta una “bomba eléctrica” para mantener a las cargas circulando. * El comportamiento es análogo al del flujo de calor cuando una barra conductora del calor tiene sus extremos a diferentes temperaturas. El calor deja de fluir cuando las temperaturas se igualan.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Todo dispositivo que suministre la diferencia de potencial necesaria para que esto ocurra se llama fuente de voltaje. Lea en su texto la diferencia entre diferencia de potencial y fuerza electromotriz. Cuando ud. enchufa un artefacto a la red domiciliaria, la empresa le provee a ud. 220 volt de diferencia de potencial en los polos del enchufe.

Existen diversas fuentes de voltaje como pilas y baterías. Cada enchufe de su casa es una “bomba de electricidad” que hace circular las cargas que hacen funcionar los distintos artefactos de su casa. En las actividades usted podrá observar un video en el que se explica claramente el funcionamiento y la historia de la pila voltaica.

2.2. Ley de Ohm. Resistencia y resistividad. No todos los conductores conducen la corriente eléctrica de la misma manera. Algunos son mejores conductores que otros. La cantidad de corriente que fluye por un circuito depende de la diferencia de potencial que se aplique (de la pila o del enchufe en donde se conecte) y de la resistencia eléctrica de los elementos conectados. La Ley de Ohm establece una relación entre corriente eléctrica y diferencia potencial ; si V es la diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia, i es la corriente que circula por ella y R la resistencia entonces: V= i . R Donde V representa la diferencia de potencial, i la corriente y R la resistencia del circuito. La resistencia de un determinado objeto, como una plancha o una lamparita depende de los materiales de que está fabricado y de los requerimientos energéticos del aparato. Lea en la bibliografía sugerida las unidades que tratan la medición de la resistencia.

La resistencia de un cable depende de su longitud y de la sección que tiene. Un cable largo tiene mas resistencia que uno corto, un cable grueso tiene menor resistencia que uno delgado. Cada material tiene una resistividad propia, una característica que indica su mayor o menor posibilidad de circulación de cargas.

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La resistencia eléctrica de un tramo de conductor puede calcularse como: p.l R= A Donde R es la resistividad del material, A la sección y l el largo.

2.3. Circuitos eléctricos. Conexiones de resistencias. Serie y paralelo. En los usos cotidianos de la electricidad suele haber muchas resistencias conectadas y también varias diferencias de potencial disponibles (algunos aparatos se conectan a la línea de 220 V, otros usan pilas, algunos necesitan transformadores porque su fabricación requiere 110 V en vez de 220V, etc.). Para esquematizar los circuitos eléctricos se usan representaciones de sus componentes como por ejemplo: Resistencia Cable Diferencia de potencia

De esta manera un circuito con una resistencia conectada a una diferencia potencial se esquematizaría así:

Esta diferencia de potencial podría ser el enchufe de la pared de su casa y la resistencia una plancha, heladera, etc.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

La resistencias de un circuito pueden conectarse una a continuación de la otra, un arreglo llamado conexión serie, o bien en una conexión paralelo.

Conexión serie

Conexión paralelo

En los circuitos serie la misma corriente debe atravesar todos los elementos. Si uno de ellos no funciona o se corta la corriente deja de pasar por todos. En los circuitos paralelos todos los elementos están conectados a la misma diferencia de potencial, pero el mal funcionamiento o la desconexión de uno cualquiera no impide la circulación por los demás. Distintos artefactos se conectan de distinta manera: • Las lamparillas de un árbol de navidad están todas conectadas en serie. • Los electrodomésticos (las lámparas de su casa, el televisor, etc.) se conectan en paralelo para que todos reciban 220 Volt. • El fusible domiciliario se conecta en serie con el resto de la instalación porque de esa manera, cuando detecta un exceso de corriente, corta la circulación en todo el circuito protegiendo a los usuarios. Para comprender mejor el uso cotidiano de la electricidad es necesario apelar a la noción de potencia eléctrica. La potencia indica la cantidad de energía que se disipa por unidad de tiempo en cada uno de los elementos. Para recordar este concepto Ud. puede referirse al material de la unidad 3 del bloque 3. La unidad de potencia es el Watt (que equivale a un joule por segundo).

Cuando compramos una lamparita la elegimos por su potencia, por ejemplo 25 W o 40W, etc, la energía consumida por esa lamparita se medirá multiplicando la potencia por la cantidad de tiempo que se mantenga encendida. Por este motivo las boletas de servicios de las compañías eléctricas expresan el consumo en k Wh (kilowatt por hora). Un consumo de 1kWh equivale a mantener encendida una lamparita de 100 W durante 10 horas.

2.4. Pilas y baterías Este tema no se desarrolla en está presentación de la unidad. Para estudiarlo léalo de la bibliografía sugerida y observe el video:

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“La batería eléctrica”. Podrá hacerlo en el Centro de Recursos Multimediales de la sede. En las próximas unidades usted podrá estudiar y comprender la manera en que se genera la electricidad que llega a nuestras casas.

Actividad n° 1 Está actividad le permitirá establecer los conceptos básicos de esta unidad. • Lea el capítulo de corriente eléctrica y Ley de Ohm de algunos de los libros recomendados. Puede obviar los párrafos referentes a magnitudes vectoriales. • Utilice como guía las palabras destacadas en negrita del texto anterior. Preste especial atención a la lectura de los párrafos relacionados con esas palabras porque se refieren a los conceptos centrales de la unidad. • Realice su ficha, registre las fórmulas y los conceptos centrales de la unidad. • Responda las siguientes preguntas. Puede hacerlo consultando el libro y sus fichas. a. ¿En qué unidades se expresa la diferencia de potencial? b. ¿Por qué se dice que las pilas y baterías son fuentes de voltaje? c. Explique brevemente el funcionamiento de una pila. d. ¿En qué unidades se mide la corriente eléctrica? e. ¿Qué condiciones son necesarias para que circule corriente por un conductor? f. ¿A que se llama resistencia eléctrica? ¿En qué unidades se mide? g. ¿Qué es la resistividad de un material? ¿En qué unidades se expresa? h. Enuncie la ley de Ohm con sus palabras. i. Explique las principales características de las conexiones serie y paralelo. j. ¿Cómo se calcula la resistencia equivalente de un circuito en serie? k. ¿Cómo se calcula la resistencia equivalente de un circuito paralelo? l. Señale las analogías y diferencias que hay entre estos tipos de conexión. m. ¿En qué unidades se expresa la potencia? n. ¿A cuántos Joule equivale un kWh?

Actividad n° 2 En esta actividad usted podrá aplicar los conceptos de la unidad a la resolución de problemas en forma gráfica y numérica. Resolvemos un ejercicio a modo de ejemplo. Por cierta parte de un circuito pasan 10 Coulomb en 4 segundos, ¿cuál es la intensidad de la corriente en ese punto del circuito? Para resolver el ejercicio es necesario revisar la definición de corriente que es:

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

l =

Q

(carga que circula por unidad de tiempo)

t

En este caso circulan 10 Coulomb en 4 segundos, por lo tanto la corriente es: 10C = 2,5A (ampere) 4s Una vez analizado el ejemplo, resuelva los siguientes ejercicios: a. ¿Qué voltaje es necesario aplicar para que circule una corriente de 0,5 Amp. Por una resistencia de 4 Ohm? b. ¿Qué sucederá con la corriente eléctrica en un circuito si duplicamos la resistencia y el voltaje a la vez? ¿y si lo reducimos a la mitad simultáneamente? Justifique su respuesta. c. ¿Cuánta corriente circula por sus dedos cuando se toma una pila de 1,5 Volt entre el índice y el pulgar? (suponga que la resistencia de sus dedos es aproximadamente de 1500 Ohm). d. Una zapatilla de suela de goma tiene un área de 250 cm2 y un grosor de 1 cm. La resistividad de la goma es de 100.000 Ohm . m. 1. Calcule su resistencia eléctrica. 2. ¿Qué intensidad de corriente circularía por el cuerpo de una persona (cuya resistencia es aproximadamente 2000 Ohm) que tocará un cable a 220 V con esta zapatilla puesta. 3. Compare la intensidad calculada en el ítem anterior con el valor que resultaría si esa persona tocara el cable descalza. (Nota: una intensidad superior a 10 mA puede resultar peligrosa).

e. Se dispone de tres resistencias de 2000 Ohm ¿de qué manera habría que combinarlas para obtener una resistencia equivalente de 3000 Ohm? Realice un esquema. f. En un circuito conectado a 220 V se colocan tres resistencias en serie de 1000 Ohm. ¿Qué potencia disipará el circuito? ¿Cómo variará la potencia si se conectan las tres resistencias en paralelo? g. Para completar el estudio de esta unidad, le proponemos que resuelva los ejercicios de su libro.

Actividad n° 3

Observe el video “La batería eléctrica” de la colección El Universo Mecánico. Preste especial atención al relato sobre la invención de la pila de Volta y al descubrimiento del galvanismo. Conteste las siguientes preguntas: a. ¿Por qué se llamó pila al invento de Volta? b. Por que cree ud. que ese invento resultó tan importante? c. ¿Cuáles eran los materiales que usó Volta para su primer pila? d. Explique brevemente con sus palabras el funcionamiento de una pila

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e. ¿Cuál es la diferencia entre una pila y una batería? f. ¿En que consiste el galvanismo?

Actividad n° 4 A través de esta actividad usted podrá aplicar la noción de potencia eléctrica para evaluar el consumo de su vivienda y comprender la necesidad del ahorro de energía. Materiales necesarios: • Una boleta de la compañía de electricidad. • Los artefactos electrodomésticos que usted quiera evaluar. Procedimiento: • Calcule cuál es el consumo domiciliario diario, dividiendo el consumo total indicado en la boleta por 60 (que es la cantidad de días de un bimestre). • Calcule el valor diario (en pesos) equivalente a ese consumo. • Elija la habitación de su casa en donde usted estime que el consumo es el mayor y estime la potencia que se disipa allí.(La potencia de las lámparas está anotada en el vidrio, la de los distintos artefactos se consigna en una chapita que suele estar en el reverso del aparato). Para realizar esta tarea: a. Ordene los distintos artefactos según su potencia de mayor a menor. Sume la potencia de las lámparas, los artefactos y cualquier otro elemento que consuma energía eléctrica. b. Estime la potencia total consumida en esa habitación sumando todas las potencias. c. ¿Qué proporción del consumo domiciliario diario corresponde a esa habitación? (para hacer esta estimación usted deberá hacer alguna suposición acerca de cuánto tiempo se hallan encendidos los aparatos). • Si usted tuviera que reducir el consumo de su casa, ¿cuáles de los artefactos debería quitar, o disminuir su tiempo de uso? • Si usted desconectara todos los artefactos y solamente mantuviera encendidas todas las lamparitas de su casa durante las 24 hs, ¿reduciría el importe de la boleta? Fundamente su respuesta.

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Actividades de Autoevaluación FISICA Al terminar de estudiar esta unidad se espera que usted pueda: • Calcular la intensidad de corriente, resistencia, y diferencia de potencial en distintos tramos de un circuito. • Estimar la resistencia eléctrica de un objeto en forma directa (por cálculo) o a través de su consumo. • Determinar la potencia que se disipa en cada parte de un circuito. a. ¿Por qué se recomienda usar cables gruesos cuando se desea llevar electricidad hasta un lugar alejado? b. ¿Por qué cuando “se corta la luz” en su casa, se la puede reponer colocando un cable que va ya desde un tomacorriente de la casa de un vecino (que tenga luz) hasta un tomacorriente cualquiera de su casa?¿qué sucederá en el medidor de corriente del vecino?¿funcionará en medidor de corriente de su casa? c. Un supuesto asesor del consumidor afirma que, ya que la potencia disipada depende del voltaje, entonces se puede reducir el costo domiciliario si se utilizan aparatos que funcionen a 110V en vez de los 220V ¿es correcta esta afirmación?

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Respuestas a las Actividades de Autoevaluación FISICA a. La resistencia de un cable es proporcional al largo del cable e inversamente proporcional a la sección del mismo. La potencia disipada es proporcional a la intensidad de corriente y a la resistencia. Si se desea disminuir la disipación en el cable, entonces lo adecuado es aumentar la sección del cable para lograr disminuir la resistencia. Esto suele suceder cuando en una casa se aumenta el numero de electrodomésticos conectados y es necesario cambiar la instalación eléctrica aumentando la sección de cable antes de que se fundan. b. Esta forma de “colgarse” de la casa del vecino es ilegal. Pero nos interesa saber por qué, al conectar un cable que va de la casa del vecino hasta un tomacorriente cualquiera de su casa, se produce el mismo efecto como si usted tuviera el servicio restaurado. La respuesta a esta situación reside en que todos los tomacorrientes de una casa están en paralelo. Si uno tiene diferencia de potencial 220V entonces todos tendrán 220V y será lo que lo que recibirán los artefactos conectados a los circuitos de la casa. Respecto de los medidores hay que recordar que el medidor de corriente está en serie con la instalación de toda la casa. Al colocar la diferencia de potencial traída desde la casa del vecino en un tomacorriente de su casa, como el mismo está después del medidor entonces no circulará corriente. Mientras tanto el medidor de su vecino estará midiendo el consumo propio del vecino y el suyo. c. Es incorrecta porque si conservamos los mismos artefactos, diseñados para 220V, y reducimos la diferencia de potencial en los enchufes a la mitad, la intensidad de corriente también se reducirá a la mitad por la ley de Ohm. Por lo tanto si se mantienen los mismos artefactos la potencia disipada en cada uno se reducirá a la cuarta parte. Es decir que Ud. tendrá que tener prendida cuatro veces más de tiempo la misma estufa eléctrica, para conseguir la misma cantidad de calor. Los calentadores eléctricos tardarán cuatro veces más en hacer hervir el agua, etc.

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Magnetismo Contenidos 3.1. Magnetismo natural e inducido. Magnetismo natural: imanes, interacción entre polos. Líneas de fuerza de un imán. Magnetismo inducido 3.2. Magnetismo terrestre. 3.3. Características del campo magnético terrestre. Inclinación y declinación magnética. 3.4. Funcionamiento y uso de la brújula

Bibliografía • Hewitt, P.; Física conceptual. Editorial Adisson Wesley. Buenos Aires, 1993. • Rela y Sztrajman. Física. Tomo 1. Editorial Troquel. Buenos Aires, 1981.

Presentación de la unidad Los imanes se encuentran espontáneamente en la Naturaleza. Hace más de 2000 años ya se conocía que la región de Magnesia existían unas piedras oscuras con la propiedad de atraer metales. Las llamaron piedras imán. Luego los geólogos lo bautizaron magnetita. Al igual que la electricidad, el fenómeno del magnetismo era observable sin necesidad de experiencia de laboratorio... si embargo su comprensión demoró mucho más que su uso. En esta unidad Ud. estudiará las características principales del magnetismo que luego nos permitirán acceder a la comprensión de su interacción con la electricidad.

3.1. Magnetismo natural e inducido. MAGNETISMO NATURAL: IMANES. INTERACCIÓN ENTRE POLOS. LÍNEAS DE FUERZA DE UN IMÁN. Los imanes ejercen fuerza unos sobre otros. En este sentido se parecen a las cargas eléctricas porque pueden atraerse o repelerse a distancia. Así como llamamos cargas a las responsables de fuerza eléctrica, la historia llamó polos magnéticos a los responsables de la fuerza magnética Los polos magnéticos se llaman norte y sur (los polos eléctricos se llaman positivo y negativo pero este nombre no

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UNIDAD 3

UNIDAD

tiene nada que ver con los signos magnéticos). Si se parte un imán a la mitad siempre se obtienen dos imanes y no dos polos separados Los polos magnéticos, al igual que los eléctricos, atraen a los polos opuestos y repelan a los iguales. El campo magnético también decrece en forma inversamente proporcional a la distancia al polo. A pesar de todas estas analogías entre la electricidad y el magnetismo existe una diferencia fundamental: No existen polos magnéticos aislados. Todo polo norte es el extremo de un imán en cuyo otro extremo hay un polo sur.

Las líneas de fuerza del campo magnético cerca de los polos son como las líneas de fuerza de campo eléctrico cerca de una carga, pero como todos los imanes tienen siempre dos polos, las líneas de un imán siempre unirán unos polos con los otros.

En las actividades le mostraremos una forma de visualizar las líneas de fuerza de un imán usando limaduras de hierro. MAGNETISMO INDUCIDO Es posible imantar ciertos objetos. Se puede hacer un imán de un objeto que antes no lo era. Cuando se acerca un imán a un clavo de hierro el clavo se “queda pegado”. Al despegarlo el clavo es capaz de atraer pequeños objetos metálicos. Decimos que se ha inducido un imán. Este fenómeno se llama magnetismo inducido*. El magnetismo inducido puede eliminarse si se calienta suficientemente el metal en que se ha creado el imán. Lea en la bibliografía y luego en las actividades la noción de dominio magnético. * La explicación de este fenómeno la podrá encontrar en la bibliografía.

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3.2. Magnetismo terrestre. Brújulas. El magnetismo se transformó en algo novedoso y muy útil cuando los chinos descubrieron las piedras imán (magnetita) apuntaban siempre en la misma dirección. Los chinos empezaron colgando adornos en forma de flecha y notaron que todas las puntas apuntaban en la misma dirección. Esta es una muy breve historia del nacimiento de la brújula. Los chinos pensaron que esta orientación era una característica de la piedra del imán. Muchos años después se descubrió que las brújulas se orientan en la tierra como lo hacen las limaduras de hierro cerca de un imán. Los inspectores chinos usaron esta propiedad de la tierra imán para orientarse en los largos recorridos que debían hacer en ese territorio.

3.3. Características del campo magnético terrestre. Inclinación y declinación magnética. La Tierra se comporta como un gran imán y todos los imanes pequeños (las brújulas) se orienta de modo que sus polos sur apuntan al polo norte de la Tierra y viceversa. Los polos norte y sur geográficos están ubicados sobre el eje de rotación de la Tierra. Pero el gran imán terrestre no está alineado con ellos. Para los efectos cotidianos podemos suponer que las brújulas apuntan al Norte, pero para la navegación esta declinación magnética resulta crucial. La declinación mide el ángulo formando entre el meridiano magnético y el meridiano geográfico en cada lugar del planeta. No basta con conocer la declinación magnética para poder situarse en el globo terrestre, es necesario conocer también la inclinación magnética (el ángulo que forma la aguja de la brújula con el horizonte) en el lugar.

Actividad n° 1 Está actividad le permitirá establecer los conceptos básicos de esta unidad. Lea el capitulo de magnetismo en algunos de los libros recomendados. Utilice como guía las palabras destacadas en negrita del texto anterior.

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Preste especial atención a la lectura de los párrafos relacionados con esas palabras porque estas se refieren a los conceptos centrales de la unidad. • Realice su ficha, complete con las fórmulas y los conceptos centrales de la unidad. • Responda las siguientes preguntas. Puede hacerlo consultando su libro y sus fichas: a. Señale las analogías entre fuerzas eléctricas y magnéticas. b. ¿Cuál es la principal diferencia entre cargas eléctricas y polos magnéticos? c. ¿Por qué las líneas de campo magnético siempre terminan sobre el imán que las genera? d. ¿Qué diferencia existe entre magnetismo natural e inducido? e. Describa con sus palabras la noción de dominios magnéticos , y cómo esto explica las características de imán de los objetos. f. ¿Qué es brújula? Explique su funcionamiento. g. ¿Qué es la declinación magnética? h. ¿Qué es la inclinación magnética?

Actividad n° 2 En esta actividad usted podrá hacer una lectura “magnética” de una historia de infancia. Lea detenidamente el siguiente relato:

Cuando era un niño pequeño me gustaba ir a visitar a mi tía que era costurera. Ella tenía una mesa larga, con una máquina de coser y todo el piso alrededor de la máquina estaba siempre lleno de alfileres. Mi tía tenía una herradura de metal que usaba para juntar los alfileres que se le caían . Un día mi tía tuvo que salir y me dijo; -“junta los alfileres...pero con cuidado, no te pinches...” Era mi oportunidad... Busqué la herradura y quise usarla para levantar los alfileres, pero en cuanto la acerqué a los alfileres del piso todos se tiraron sobre la herradura como hacen los jugadores de fútbol cuando uno mete un gol. Ahora tenía casi todos los alfileres pero no sabía como sacarlos de la herradura. En los bordes de la herradura los alfileres se habían juntados todos y parecían como pelos parados. Empecé a sacarlos uno por uno de la herradura y los puse en la caja. Ya había sacado un montón de alfileres del imán pero cuando miré la cajita los alfileres estaban todos pegados entre ellos. Me fijé a ver que pasaba... por qué se había juntado... pero la herradura estaba lejos... Agarré un alfiler que estaba en el imán y cuando lo quise poner en la cajita se le pegó un alfiler de la mesa, y cuando los acerqué a la cajita se les pegó otro más y me quedé con tres alfileres, cada uno colgando del otro... Los saqué rápido y los puse en la cajita porque mi tía ya estaba por llegar. Cuando llegó mi tía me felicitó porque los había levantado casi todos, pero yo no pude explicarle por qué los alfileres se habían portado así conmigo.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Explique las siguientes situaciones utilizando los términos aprendidos en esta unidad: a. ¿Por qué se “juntaron” todos los alfileres en el imán? b. ¿Por qué aparecían como “pelos parados”? c. ¿Por qué quedaron todos “como pegados” en la cajita? d. ¿Cómo se produjo la cadena de alfileres colgando? e. ¿Cree usted que al día siguiente los alfileres seguirían “pegados”?

Actividad n° 3 En está actividad le proponemos que averigüe algunas características del magnetismo a partir de recursos multimediales. Usted podrá buscar la información necesaria en el video “Magnetismo” de la colección “El universo mecánico” o en el CD ROM “Enciclopedia de la ciencias” o en el CD ROM “¿Cómo funcionan las cosas?”. Podrá consultarlos en el Centro de Recursos Multimediales de la Sede. a. ¿De qué manera se puede magnetizar un material? b. ¿Cómo se graba un cassette? c. ¿De qué manera se puede desmagnetizar un material o desgrabar un cassette? d. ¿Por qué se sugiere no dejar los cassettes cerca de motores eléctricos o cerca de parlantes de equipos de audio? e. Señale algunas de las aplicaciones de los imanes que se mencionan en los materiales. (Es posible que algunas de ellas incluyan fenómenos eléctricos, menciónelos igual porque los veremos en la unidad siguiente). f. ¿Por qué las limaduras de hierro se orientan como pequeñas “brújulas”?

Actividad n° 4 Con esta actividad usted podrá observar las líneas de fuerza de los imanes. Materiales necesarios: • Limaduras de hierro (puede conseguirlas en algún taller mecánico).

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• Distintos imanes (de los que se pegan en las heladeras, herradura, etc.) • Una hoja de papel blanco Procedimiento: • Coloque las limaduras de hierro sobre la hoja de papel cubriéndola de modo uniforme. • Coloque los distintos imanes debajo de la hoja de papel (para evitar que las limaduras se adhieran al imán) • Dibuje las líneas que forman los distintos imanes. Observe cuidadosamente para ver si las limaduras quedan paralelas al papel o si quedan “paradas”. A partir de estas experiencias responda las siguientes preguntas. a. ¿Cómo se ven las líneas de fuerza de un solo polo? ¿Cómo hizo para lograrlo? b. ¿Qué forma tienen las líneas de fuerza de los imanes de heladera? c. ¿Por qué las limaduras quedan siempre perpendiculares a los bordes del imán? d. ¿Qué sucede si se colocan dos imanes juntos? e. Para pensar: ¿Por qué los imanes de la heladera se pegan de un solo lado?

Actividad n° 5

Para completar el estudio de esta unidad, le proponemos que resuelva los ejercicios de su libro.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Actividades de Autoevaluación FISICA Al terminar de estudiar está unidad se espera que usted pueda: • Conocer las características principales de la interacción magnética. • Utilizar los conceptos de fuerza magnética y de campo magnético en la resolución de problemas de aplicación. • Comprender el funcionamiento de la brújula como instrumento de orientación. Para que pueda comprobar si lo ha logrado, le proponemos, a modo de ejemplo, las siguientes preguntas que le permitirán volver a pensar en los conceptos centrales de esta unidad, y a continuación le ofrecemos las respuestas para que pueda confrontarlas con las que usted elaboró. a. Usted dispone de dos imanes de barra. De las distintas formas que le proponemos, diga: • ¿En cuáles de ellas quedarían unidos? ¿Por qué?. • De las que quedan “pegadas”: ¿Cuál resultará más difícil de separar?

(1)

(2)

(3)

(4)

b. Si el campo magnético terrestre estuviera orientado en forma perpendicular al eje de rotación del planeta: • ¿Cuál sería la declinación magnética de una brújula del Ecuador? • ¿Cuál sería la inclinación magnética en el mismo lugar?

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Respuestas a las Actividades de Autoevaluación FISICA a. Las configuraciones en donde quedan unidos son la (2) y la (3) porque son las únicas en las que los polos opuestos están enfrentados y pueden atraerse. En los otros dos casos los polos iguales se hallan más cerca y se produce la repulsión. La configuración (3) es más fácil de separar que la (2), porque en ella solamente se tocan los extremos. b. La declinación magnética sería de 90 grados porque es la diferencia de ubicación entre los meridianos magnéticos y geográficos.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

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Corrientes Eléctricas y Magnetismo Contenidos 4.1. Campo magnético de una corriente eléctrica. 4.2. Inducción magnética. 4.3. Ferromagnetismo, diamagnetismo, paramagnetismo. 4.4. Electroimanes.

Bibliografía • Hewitt, P.; Física Conceptual. Editorial Adisson Wesley, Buenos Aires, 1993. • Rela A. y Sztajman; Física 2, Editorial Troquel, Buenos Aires, 1981.

Presentación de la Unidad En la unidad anterior vimos el fenómeno del magnetismo natural, mencionamos fenómenos de magnetismo inducido cuando un imán se adhería a un metal o cuando atraía pequeñas limaduras de hierro. En esta unidad estudiaremos la relación entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos. Veremos también que toda corriente eléctrica produce un campo magnético a su alrededor. Los campos magnéticos pueden desviar haces de partículas mediante el uso de campos magnéticos en forma adecuada. Esta es por ejemplo, la base del funcionamiento del televisor,

4.1. Campo Magnético de una corriente eléctrica. Hace casi 200 años, en una clase de física en la Universidad Hans Oerested descubrió un efecto hasta entonces desconocido: si se colocaba una brújula cerca de un cable que conducía electricidad, la aguja de la brújula se desviaba como si estuviese cerca de algún imán. Oerested comprendió que este fenómeno podía tener importancia y se dedico varios años a estudiar los campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas. Cuando los extremos de un conductor (por ejemplo un cable) se encuentran conectados a una diferencia de voltaje (como por ejemplo la que se produce entre los bornes de una pila o la que entregan en nuestros domicilios las empresas eléctricas), se produce un flujo de carga. La corriente eléctrica es un flujo de

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UNIDAD 4

UNIDAD

carga. Si la corriente tiene una dirección y sentido se trata de una corriente continua y si en cambio la corriente va y viene (cambia constantemente de sentido) se trata de una corriente alterna. En un conductor sólido, los electrones son los encargados de transportar la carga por el circuito. Como el movimiento de la carga eléctrica produce un campo magnético, estas cargas moviéndose dentro del conductor inducen un campo magnético muy notorio en el espacio cercano al conductor. Los valores que en cada punto del espacio toma el campo magnético “B” (intensidad, dirección y sentido) dependerá de la corriente eléctrica que circula y de la forma del conductor. Por ejemplo, la corriente que circula por un conductor rectilíneo produce un campo magnético que se arrolla alrededor de él. La dirección de la corriente va a determinar la dirección y el sentido del campo magnético.

4.2. Inducción magnética. El proceso de generar un campo magnético (B) a partir de un conductor, tal como vimos en el punto anterior es conocido como inducción magnética. Vamos a comentar algunas características de la misma. • Si el conductor es un hilo rectilíneo, genera un campo magnético circular (más exactamente, cilíndrico). La intensidad del campo es menor a medida que aumenta la distancia al conductor y mayor cuanto mayor es la intensidad de la corriente que circula por el conductor.

La dirección de B es la que señalan los dedos de la mano derecha cerrados contra la palma, cuando el pulgar apunta en el sentido de la corriente.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Si la corriente no circula por un conductor rectilíneo, es mas difícil identificar el campo magnético. Sin embargo siempre podemos asegurar que las líneas del campo B, van a rodear al conductor , tal como se muestra en las figuras.

Las figuras muestran a una espira que se puede pensar como un lazo de corriente. En la figura A, se grafican las líneas del campo magnético más cercanas al conductor. En la figura B, en cambio, se grafican las líneas internas que generan círculos más amplios, que no se dibujan por razones de espacio. Un solenoide es un conjunto de estas espiras, también llamado bobina y en el interior de esta el campo magnético es aproximadamente paralelo al eje de la bobina. El campo se curva en los extremos. Pensemos que si la bobina es suficientemente larga, en el centro de la bobina el campo es paralelo al eje. Los solenoides son de gran utilidad en muchos usos técnicos porque con ellos se consiguen campos de gran valor y constancia.

FUERZA DE UN CAMPO MAGNÉTICO SOBRE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA Ampére, haciendo pasar corrientes por dos hilos paralelos, uno fijo y oto móvil, descubrió que cuando las corrientes eran del mismo sentido, los hilos se atraían y en caso contrario, se repelían y separaban. Este campo B, da lugar a una fuerza magnética (como todo campo), que a su

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vez perpendicular al campo y a la dirección de la corriente. La intensidad de la fuerza magnética es proporcional al campo magnético y a la intensidad de la corriente . Las fuerzas magnéticas actúan sólo sobre las cargas en movimiento (los electrones que corren por dentro del conductor).

4.3. Ferromagnetismo, Paramagnetismo y Diamagnetismo. Los materiales tienen propiedades magnéticas que dependen de la estructura se sus átomos. Sin duda el más sorprendente es el hierro, cuya clase de magnetismo es llamado ferromagnetismo. Sin embargo, todas las sustancias ordinarias muestran algunos efectos magnéticos, aunque muy pequeños (de mil a un millón de veces menores que los efectos de los materiales ferromagnéticos). Estos efectos pueden ser de dos clases: • Cuando los materiales son atraídos hacia los campos se dice que las sustancias son paramagnéticas. • Cuando, en cambio los materiales son repelidos, se llama diamagnéticas.

FERROMAGNETISMO Para conocer está clase de magnetismo debemos recordar que dentro de los átomos se encuentran electrones. A partir de esto podemos imaginar y definir a los electrones girando como una corriente eléctrica que, por lo tanto, genera un campo magnético. Entonces podríamos pensar que cada átomo genera un campo magnético microscópico. El campo magnético de cada átomo de hierro es tan intenso que los átomos se alinean unos con otros formando regiones que se llaman dominios magnéticos. Cada dominio está totalmente magnetizado y se compone de millones de átomos. La diferencia entre un trozo de hierro ordinario y un trozo de hierro magnetizado es que: en el primer caso, los dominios están orientados al azar, mientras que en el segundo caso se hallan orientados hacia una dirección fija. Cuando se aproxima un imán inten-

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so al hierro que no está magnetizado, se produce una alineación de todos los dominios en una dirección dada. Esto permanece a menos que se lo caliente, o que el hierro reciba un golpe, lo que también puede reducir la alineación de los dominios del imán. En la mayoría de los otros materiales los átomos no pueden formar dominios magnéticos.

4.4. Electroimanes. Si se introduce un trozo de hierro adentro de una bobina que transporta corriente, las líneas del campo magnético adentro de la bobina son aproximadamente paralelas al eje de la misma. Este campo magnético va a inducir que los dominios del hierro se alineen, lo que incrementa aún más la intensidad del campo magnético. A este dispositivo se lo llama electroimán.

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Si colocamos un trozo de hierro sin magnetizar, después de haber hecho circular corriente por la bobina, el hierro quedará magnetizado. Cuanto mayor es la corriente (intensidad, N° de espiras) que circula por la bobina mayor será el campo magnético resultante y mayor será la magnetización final del hierro. En la investigación y en práctica se usan potentes electroimanes. Un caso notable son los electroimanes ubicados en las vías, que pueden elevar trenes de alta velocidad. Mientras los trenes convencionales vibran cuando se desplazan a altas velocidades sobre sus rieles, un tren que se transporta sobre un colchón magnético no sufre vibraciones Actividad n° 1 Está actividad le servirá para establecer los conceptos básicos de esta unidad. Lea el capítulo de Magnetismo e Inducción magnética de algunos de los libros recomendados. Puede obviar los párrafos referentes a magnitudes vectoriales. Use las palabras en negrita del texto anterior como guía. Preste especial atención en la lectura de los párrafos relacionados con ellas. Puede contestar las siguientes preguntas con el libro. 1. ¿Qué representan las líneas de campo de una corriente que circula por un conductor rectilíneo? 2. ¿cómo son las líneas de campo de una corriente que circula por un conductor rectilíneo? 3. Explique las características de los materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos. Busque ejemplos de cada uno de ellos, que no sean citados en el material de lectura. 4. ¿Qué es una espira? ¿Qué es un solenoide? 5. ¿Qué es un electroimán? ¿qué diferencia encuentra con un imán?

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Actividades de Autoevaluación FISICA 1. Por un cable rectilíneo circula una corriente en la dirección que se indica en la figura. Describa, utilizando la representación gráfica de los vectores cómo es el campo magnético (intensidad, dirección, sentido) en los puntos 1 y 2.

•1 •2

Física • Bloque 5 • UNIDAD 4

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Respuestas a las Actividades de Autoevaluación FISICA 1. Nota: La dirección del campo magnético en los puntos 1 y 2 está en un plano perpendicular a la dirección de la corriente y su sentido es hacia adentro del plano de la hoja.

•1 •2

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

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Inducción electromagnética Contenidos 5.1. Fuerza electromotriz Inducida. Ley de Lenz. 5.2. Dínamos y transformadores. 5.3. Corriente alterna. 5.4. Ondas electromagnéticas.

Bibliografía • Hewitt, P.; Física conceptual. Editorial Adisson Wesley. Buenos Aires 1993. • Rela y Sztrajman. Física Tomo II. Editorial Troquel. Buenos Aires, 1981.

Presentación de la unidad Hacia 1820, ya que se sabía que las cargas en movimiento generan campos magnéticos y que a su vez, los campos magnéticos hacen fuerzas sobre las cargas que se mueven. Hasta aquí, estaba claro que se producían ciertas interacciones entre cargas en movimiento y campos magnéticos. ¿Es posible producir electricidad a partir del magnetismo? Ciertamente se puede, y este es el tema del que se trata esta unidad. Aquí usted estudiará los mecanismos que permiten transformar campos magnéticos en eléctricos y analizaremos la importancia tecnológica que este descubrimiento implicó para la sociedad. Todo campo magnético que varía genera un campo eléctrico y también todo campo eléctrico que varía genera un campo magnético

5.1. Fuerza electromotriz Inducida. Ley de Lenz. A principios de 1800 existían solamente dos maneras de generar electricidad: • Usando generadores electroestáticos (que ud. ha estudiado en la unidad 1 de este bloque)

Física • Bloque 5 • UNIDAD 5

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UNIDAD 5

UNIDAD

• Usando pilas “voltaicas” (que ud. ha estudiado en la unidad 2 de este bloque) Hacia 1830, en los Estados Unidos, dos físicos, Michael Faraday y Joseph Henry descubrieron que se podía generar una corriente eléctrica a partir de imanes. Sus descubrimientos mostraron que se podía producir una corriente en un cable sin necesidad de pilas ni generadores, sólo con mover un imán dentro de una espira o bien mover una espira dentro del campo de un imán. Al mover un imán dentro del alambre se genera una corriente. El movimiento de un imán dentro del conductor produce corriente eléctrica que puede ser medida por un amperímetro. Lo mismo sucede si se mueve el conductor y se deja fijo el imán. El movimiento relativo entre ambos produce una corriente eléctrica. Esto significa que en el conductor se genera una diferencia de potencial.

El fenómeno descripto se conoce como inducción electromagnética, Faraday descubrió que el voltaje inducido en la bobina al mover el imán es: Faraday descubrió que el voltaje inducido en la bobina al mover el imán es: • Proporcional al número de espiras de la bobina. • Proporcional a la velocidad de cambio del campo magnético dentro de dichas espiras. A estas dos reglas se las conoce como Ley de Faraday.

Hemos visto que al sacar y meter un imán dentro de una bobina se produce una fuerza electromotriz inducida, es decir que se generan una corriente dentro de la bobina. Respecto de esta corriente, se puede afirmar que: • Cuando la intensidad del campo magnético aumenta (cuando se introduce el imán), la corriente circula en una determinada dirección y sentido. • Cuando disminuye el campo magnético (cuando el imán se retira de la bobina), la corriente circula en la misma dirección pero en sentido contrario.

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Para conocer el sentido en que circula la corriente existe una regla, conocida como Ley de Lenz que afirma: la corriente inducida en un circuito al variar un campo magnético se opone al efecto que la genera. Es decir que la corriente inducida va a generar un campo opuesto (campo inducido) al campo que la genera.

5.2. Dínamos y Transformadores Como ya dijimos, es posible generar voltaje moviendo un imán cerca de una espira, o moviendo una espira en el campo de un imán. A los fines tecnológicos, esta última manera es mas cómoda: se deja fijo un imán y alguien o algo mueve las espiras. Este es el principio de funcionamiento de cualquier generador de electricidad. Este generador, accionado manualmente, Energía eléctrica produce una diferencia de potencial que Suministro de producida hace circular la corriente que enciende la energía mecánica lámpara. La diferencia de potencial entre los bornes de la lámpara no será constante, sino que Espira dependerá de la manera en que se haga giratoria girar la bobina dentro del imán. TRANSFORMADORES Otra aplicación del fenómeno de inducción electromagnética son los transformadores. Consideramos dos bobinas puestas una junto a la otra. Una de ellas (llamada primario o de alimentación) es por donde ingresa la corriente, y la otra (secundario o de salida), de donde sale la corriente. Si la corriente es variable, como en el caso de la corriente alterna de uso doméstico, produce en el primero un campo magnético variable. Este campo magnético variable va inducir en el secundario una corriente, como consecuencia de la LEY de FARADAY. El voltaje en el secundario será proporcional al número de espiras del secundario Cuando la corriente varía en el primario, eso produce un campo magnético variable que genera una corriente en el secundario. La corriente, o la diferencia de potencial en el secundario dependerá de la relación entre el número de espiras en el secundario respecto del primario.

Física • Bloque 5 • UNIDAD 5

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En general en los transformadores domésticos se utiliza un núcleo de hierro en donde se arrollan ambos bobinados, debido a que intensifica el campo magnético. La relación entre los voltajes de las bobinas y el número de espiras es : V sec V prim

=

N sec N prim

V representa el voltaje o diferencia de potencial en el primario y / o secundario. N representa el número de vueltas en cada bobinado.

• Cuando el número de vueltas del primario es mayor que el del secundario, el transformador reduce el voltaje (esos son los transformadores que ud. usa cuando compra un electrodoméstico que funciona con 110 Voltios, ya que en su casa el enchufe suministra 220 Voltios). • Cuando el número de vueltas del primario es menor que el del secundario, el transformador eleva el voltaje (son los elevadores de tensión).

5.3. Corriente alterna. La corriente eléctrica que se usa habitualmente y que es la que circula por la gran mayoría de aparatos eléctricos domésticos que utilizan corriente de redes es la corriente alterna. En general la forma en que se genera la corriente eléctrica determina las características de esta. En la Argentina se utilizan generadores de corriente que producen corriente alterna de 50 Hz. Por esa razón los aparatos electrodomésticos que utilizan corriente de red deben estar adecuados a estas características.

5.4. Ondas electromagnéticas. A lo largo de esta unidad hemos visto que la variación de los campos eléctricos produce campos magnéticos, y que la variación de los campos magnéticos produce campos eléctricos. Por ejemplo: si ud. toma un objeto cargado (puede ser una birome cargada por frotamiento) y lo agita en el aire de arriba hacia abajo usted está ge52

EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

nerando un campo eléctrico variable (porque las cargas que generan el campo cambian de lugar con el tiempo). Este campo eléctrico variable produce un campo magnético variable y, cuando el campo magnético varía, produce un campo eléctrico variable, y así sucesivamente. El movimiento de cargas genera un campo (tanto eléctrico como magnético) variable que se propaga en forma de ondas electromagnéticas. En el caso del movimiento de la birome las ondas tendrán una frecuencia muy baja. Esta es una de las partes más interesantes de la Física actual y fue James Clerk Maxwell quien estudió, en forma acabada, las interacciones entre campos eléctricos y magnéticos, y quien demostró que la propagación de esas ondas es lo que nosotros llamamos radiación. La luz visible, por ejemplo, es una pequeñísima parte de esta radiación. Efectivamente, la luz es una oscilación de campos eléctricos y magnéticos, que se propagan a través del espacio. Nuestros ojos captan esa variación de campos eléctricos y magnéticos y la transforman en imágenes. Pero no todo el espectro electromagnético es luz visible, sino que tiene infinidad de valores de frecuencias en las cuales puede oscilar. Cuando los objetos que emiten radiación oscilan en frecuencias bajas, nuestros ojos no pueden captarlas. Por ejemplo, este es el caso de la radiación infrarroja. Ejemplos de estas radiaciones son las ondas de radio, microondas, etc. Si en cambio la frecuencia es alta, la radiación se encuentra en el espectro del ultravioleta. Por ejemplo, rayos X, rayos gamma, etc. La transmisión radial se realiza mediante el transporte de información en ondas electromagnéticas. La frecuencia con que se emite esa radiación es la frecuencia con que se identifica la estación radial. Por ejemplo: • Una radio que emite en 101.3 MHz (mega hertz), emite ondas electromagnéticas que oscilan aproximadamente 100 millones de veces por segundo (en realidad oscila 101.300.000 veces por segundo). • Una radio cuya frecuencia del dial fuese 590 kHz (kilo hertz), emite radiación electromagnética que oscila 590.000 veces por segundo. A MODO DE CIERRE: El espectro electromagnético (que usted ha estudiado a lo largo de varias unidades de los Bloques 4 y 5, y en especial en la Unidad 7 del Bloque 4) constituye un único fenómeno, que comprende los diferentes tipos de ondas estudiadas, tales como la luz visible, las ondas de radio, microondas, rayos X, rayos Gamma, etc. Todos estos son casos de ondas electromagnéticas que se propagan por la variación de campos eléctricos y magnéticos a distintas frecuencias.

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Actividad n° 1 Esta actividad le servirá para establecer los conceptos básicos de esta unidad. Lea el capítulo de Inducción electromagnética de alguno de los libros recomendados. Puede obviar los párrafos referentes a magnitudes vectoriales. Use las palabras en negrita del texto anterior como guía. Preste especial atención en la lectura a los párrafos relacionados con esas palabras. Puede contestar las preguntas con el libro: 1. ¿ A qué se llama inducción electromagnética? 2. ¿ Cómo puede lograrse una corriente en un conductor por inducción? 3. ¿ Qué clase de corriente se logra con estos mecanismo?¿ Por qué? 4. ¿ Por qué se dice que si se genera una corriente, entonces hay una difencia de potencial? 5. ¿ Qué dicen las reglas de Faraday? 6. ¿ Qué es una fuerza electromotriz inducida? 7. Explique brevemente el funcionamiento de un generador a partir de lo leído en los libros 8. Explique el funcionamiento de un trasformador 9. Proponga un número de vueltas del primario y del secundario para que ese trasformador reduzca una difencia de potencial de 120 V a 40 V (note que el número de espiras es arbitrario, los importante es la relación o el cociente entre el número de espiras de los bobinados) 10. ¿Qué es el espectro electromagnético?¿ Cuál es la frecuencia en la que oscila la luz visible?

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

Actividades de Autoevaluación FISICA Quisiera transformar un voltaje de 220 volts a 110 volts de alterna y para ello voy a usar una bobina cuyo bobinado costa de 500 espiras ¿cuántas espiras deberá tener el secundario?

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Respuestas a las Actividades de Autoevaluación FISICA Vs

Ns

=

Vp

Np

De acuerdo con lo que vimos. Vs Ns = Np . Vp

Si paso multiplicando Np resulta que,

Ns = 500 .

110 V 220 V

Ns = 500 .

1

= 250 vueltas.

2

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Física Moderna Contenido 6.1. El surgimiento de las nuevas teorías acerca del átomo. 6.2. La cuantificación de las energías atómicas. 6.3. Efecto fotoeléctrico. 6.4. Radiactividad.

Bibliografía • Hewitt, P.; Física conceptual, Editorial Adisson Wesley. Buenos Aires 1993. • Rela y Sztrajman. Física Tomo II. Editorial Troquel. Buenos Aires. 1981.

Presentación de la Unidad En este bloque hemos estudiado fenómenos eléctricos y magnéticos, así como la forma en que interactúan la electricidad y el magnetismo. En la unidad anterior, se mencionó que tanto la luz como la radiación pueden ser interpretados como campos electromagnéticos que se propagan. Hacia fines del siglo pasado los físicos realizaron numerosas experiencias haciendo pasar grandes corrientes eléctricas en un tubo donde había un gas muy diluido (a muy baja presión). Esas experiencias llevaron al descubrimiento de la teoría que veremos muy brevemente en esta última unidad. La explicación y comprensión en profundidad de los contenidos a desarrollarse en esta unidad exceden ampliamente los límites y objetivos de este curso. Es por esto que el propósito de esta inclusión consiste sólo en ofrecerle cierta información general sobre los mismos, para que conozca básicamente de qué se trata. Naturalmente que, si usted está interesado en profundizar estos temas, podrá hacerlo consultando la bibliografía. En esta unidad le mostraremos el conjunto de experiencias y teorías acerca del átomo que se fueron desarrollando en distintas partes de Europa entre fines del siglo XIX y principios del siglo XX, y que permitieron armar, como un rompecabezas, la noción moderna que la ciencia tiene del átomo.

Física • Bloque 5 • UNIDAD 6

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UNIDAD 6

UNIDAD

6.1. El surgimiento de las nuevas teorías acerca del átomo. LOS MODELOS ATÓMICOS DE FIN DEL SIGLO XIX Hacia fines del siglo XIX los científicos descubrieron que aplicando una gran diferencia de potencial a un tubo de vidrio que contenía un gas enrarecido (a muy baja presión) se podía generar luminosidad. El tipo de luminosidad que aparecía dependía del gas que llenara el tubo y de la presión a la que se hallase (que siempre era por debajo de un décimo de atmósfera). Para generar esa diferencia de potencial se colocaban dos placas metálicas (electrodos) conectados a una fuente de tensión. El electrodo positivo es llamado ánodo, y el negativo, cátodo. Además observaron que ciertos rayos parecían viajar desde el cátodo hasta el ánodo. Debido a esto se los llamó rayos catódicos Este tipo de experiencias llevaron a la conclusión de que la materia estaba compuesta por partículas muy pequeñas, cargadas unas en forma negativa y otras positivamente. Es interesante señalar que los diversos caminos que llevaron a estos descubrimientos, y que aquí no podemos relatar, constituyen uno de los capítulos mas interesantes de la Física. Las partículas cargadas en forma negativa se llamaron electrones. Su carga y su masa eran muy pequeñas. El electrón tiene una masa casi 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.

Carga del electrón: 1,6 - 10

-19

c

Masa del electrón: 9,1 - 10

-31

kg.

Entonces, surgió entre los físicos la siguiente pregunta: Si la materia contiene electrones negativos y también cargas positivas, ¿cómo están ubicadas estas cargas, para que la sustancias resulten con carga neutra (o sin carga neta)? Es decir, una vez que los científicos ya supieron que la materia estaba compuesta por átomos que eran neutros, el problema para ellos consistía en describir este átomo con sus cargas positivas y negativas. Con este propósito se desarrollaron numerosas experiencias, a partir de las cuales surgieron dos modelos:

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EDUCACIÓN ADULTOS 2000 • Física

• Modelo de Thomson (el átomo budín). Thomson supuso que los átomos eran como un pequeñísimo budín de carga positiva donde se hallaban insertas (a modo de pasas de uva) las cargas negativas. • Modelo de Rutherford (el átomo planetario) Rutherford, a partir de otras experiencias, postuló otro modelo. El átomo es como un sistema solar en miniatura. En el centro (como si fuera el sol) hay una gran masa con carga positiva, y a su alrededor (como si fueran los planetas) giran los electrones. La gran masa del núcleo ocupa un lugar muy pequeño. A diferencia del modelo de Thomson este átomo era casi totalmente vacío. Los electrones giraban a una distancia tan grande del núcleo que podía pensarse que toda la masa del átomo estaba en el núcleo. Para darnos una noción de escala, imaginemos que, si el núcleo fuera una naranja ubicada en el centro de la cancha de River, el primer electrón (el más cercano) sería un espectador dando vueltas por la popular. El modelo atómico de Rutherford tenía un gran problema. Según la teoría de Maxwell, los electrones (partículas cargadas negativamente) que giran, emiten radiación; y de ese modo van perdiendo energía. Al perder energía los electrones deberían caerse en el núcleo... pero eso no sucedía. El átomo de Rutherford era muy cautivante, porque imitaba a los planetas en escala diminuta, pero no podía explicar esta contradicción. Rutherford lo sabía, y aún así sostuvo su modelo, hasta que surgió uno nuevo que pudo explicar lo que su modelo no podía. Desde este punto de vista, ninguno de los dos modelos propuestos resultó adecuado. Ninguno pudo dar una explicación satisfactoria de las características de los átomos que los científicos habían medido en sus laboratorios. Hubo que esperar unos años más hasta que un danés llamado Niels Bohr hiciera una propuesta de un átomo totalmente distinto, con el cual explicar las propiedades y los datos que se podían medir en los laboratorios.

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6.2. Cuantificación de las cargas atómicas. EL MODELO DE BOHR Llevó muchos años de discusión hasta que los físicos aceptaron el modelo atómico moderno*. Le expondremos a ud. algunas características del modelo de Bohr acerca de la configuración del átomo: • El átomo posee un núcleo (donde existen partículas de carga positiva, los protones; y partículas sin carga, los neutrones) que está rodeado por electrones que se hallan a distancias muy grandes del núcleo en órbitas llamadas estacionarias. Cada órbita está descripta por un número cuántico, que se refiere a su órbita. • Cuando un electrón del átomo se mueve en una órbita estable, no gana ni pierde energía. • Si se entrega energía al átomo, los electrones se excitan y pasan a órbitas de energía superior, que se encuentran a mayor distancia del núcleo. • Cuando el electrón retorna al nivel anterior de energía, no excitado, libera o emite fotones. Cuando un átomo recibe energía y sus electrones pasan de un nivel más bajo a uno más alto, decimos que se trata de un proceso de absorción. Cuando el electrón retorna a su nivel de energía y emite un fotón, hablamos de un proceso de emisión. Si ud. desea mayor información acerca de los modelos actuales del átomo, de los niveles de energía de los electrones y de cómo interactúan loa átomos entre sí, puede remitirse a la Unidad 3 del Bloque 4 de Química.

6.3. El efecto fotoeléctrico. Entre los fenómenos sin explicación que existían a principios de siglo, encontramos el efecto fotoeléctrico. El efecto es el siguiente: un metal se coloca bajo un haz de luz y se varía la frecuencia de la luz que se le aplica. Al alcanzar un cierto valor de la frecuencia, (dependiente de cada metal) el metal pierde electrones. Si el metal se encuentra conectado en un circuito, estos electrones generan una corriente eléctrica que se puede medir. * El mejor modelo que explica los comportamientos de la materia a nivel microscópico no se puede describir a este nivel.

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Lo curioso de este efecto no es el hecho de que se produzca esta corriente eléctrica, sino el hecho de que esta dependa sóolo de la frecuencia de la luz y no de la intensidad del haz incidente. En el año 1905, el joven Einstein dio una explicación insólita, por lo sencilla y efectiva, de este fenómeno. Einstein propuso que la luz que llegaba al metal estaba compuesta por partículas luminosas llamadas fotones. Este modelo de la luz como fotones, retoma la antigua idea de Newton, que proponía un modelo en el que la luz estaba compuesta por partículas. Recuerde el tema de la naturaleza dual de la luz, visto en la Unidad 7 del Bloque 4.

La energía de los fotones no dependía de la intensidad del haz sino de la frecuencia de la luz. Conocer con claridad el efecto fotoeléctrico ha permitido diseñar aplicaciones como las células fotoeléctricas que se utilizan en sistemas de alarmas o de aperturas y cierres de puertas. En estos la continuidad o el corte de un haz de luz que no es percibido por el ojo humano determina que se produzca un corte en el circuito eléctrico. Este corte por ejemplo, activa la apertura o cierre de puertas automáticas.

6.4. Radioactividad Entre 1896 y 1898, los físicos Henri Becquerel y Mme. Curie descubrieron que varios de los elementos químicos más pesados (elementos cuyo núcleo estaba compuesto por gran cantidad de neutrones y protones), emitían espontáneamente una radiación penetrante, capaz de velar una placa fotográfica. En diferentes laboratorios se estudió ese tipo de radiación mediante distintos dispositivos y se llegó a la conclusión de que las radiaciones eran de tres tipos. • Rayos Gamma (y) • Rayos Beta (ß) • Rayos Alfa (∞) El elemento* más estudiado fue el Radio y por eso se llamó a esta propiedad radioactividad. La mayor parte de la radiación a la que estamos expuestos es de origen natural (por ejemplo, la que viene del Sol). Esta radiación estaba aquí mucho antes que la humanidad existiese. Si nuestros cuerpos no fueran capaces de tolerarla, no * Revise este concepto en el Bloque 4 de Química

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estaríamos aquí. La radiación mas peligrosa para nuestros cuerpos son los rayos gamma, ya que al inducir sobre nuestros cuerpos genera daños celulares en los tejidos. Si la radiación no es muy intensa, el cuerpo puede regenerar esos tejidos, pero en el caso de que sea muy fuerte, no. Esto es lo que ocurre cuando se producen detonaciones atómicas o accidentes plantas nucleares. Mas allá de la catástrofe inicial, quedan residuos radiactivos durante muchísimos años emitiendo este tipo de radiaciones. Sin embargo, la radiación es utilizada con fines medicinales, como el iodo radiactivo, la bomba de cobalto o las radiaciones utilizadas en la esterilización de productos medicinales. Actividad n° 1 Esta actividad le servirá para establecer los conceptos básicos de esta unidad. Lea el capitulo de teoría atómica de alguno de los libros recomendados. Puede obviar los párrafos referentes a experiencias de laboratorio. Use las palabras en negrita del texto anterior como guía. Preste especial atención en la lectura a los párrafos relacionados con esas palabras. Puede contestar las preguntas siguientes con el libro. 1. 2. 3. 4.

¿Qué son los rayos catódicos? Describa los modelos atómicos de Thomson y de Rutherford. ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? ¿Qué es la radioactividad?

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Actividades de Autoevaluación. FISICA 1. Describa el modelo de Bohr. 2. ¿En qué casos la radioactividad puede ser perjudicial?

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Respuestas a las Actividades de Autoevaluación FISICA 1. En 1931, Bohr propone una teoría que concordaba con los experimentos conocidos en la época y que además era de gran simplicidad matemática. Se basaba en los siguientes postulados: • En el átomo, un electrón se mueve en órbita circular alrededor del núcleo, bajo la influencia de la fuerza eléctrica y obedece a las leyes de la mecánica clásica. • Pero de la infinidad de órbitas que permite la mecánica clásica, el electrón sólo puede moverse en algunas. • En la órbita la energía del electrón es constante. • Un electrón emite radiación electromagnética al moverse de una órbita a otra. La frecuencia de dicha radiación es proporcional al cambio de energía entre la órbita inicial y la órbita final 2. La radioactividad perjudicial corresponde a la emisión de rayos gamma. Estos tienen una altísima frecuencia de vibración, y pueden traspasar muchos materiales. En nuestros cuerpos son capaces de generar alteraciones celulares en los tejidos.

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