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ACUSTICA
EL SONIDO Y SU PROPAGACION
CONCEPTO:
El sonido es una onda mecánica, longitudinal y tridimensional.
Mecánica, porque requiere de un medio físico para propagarse.
Longitudinal, porque cuando viaja en el aire sus partículas vibran en la misma dirección que se propaga.
Tridimensional, porque se propaga en todas las direcciones.
Durante el movimiento de la onda sonora, se generan zonas de compresión, donde las moléculas están mas cercanas unas de otras y la presión es más alta , y zonas de rarefacción, donde las moléculas se separan y la presión es más baja.
La velocidad de propagación del sonido (Vs) depende de las características del medio por el cual viaja la onda sonora.
Vs (Sólidos) > Vs (Líquido) > Vs (gaseoso)
Moléculas unidas Moléculas aisladas Moléculas dispersas
Aluminio, hierro Agua de mar, dulce Aire 20°C
Vs = 5100 m / s Vs = 1560 m / s Vs = 343 m / s
VELOCIDAD DEL SONIDO
REFLEXION: ¿Has presenciado una tormenta eléctrica? Si es así, habrás podido notar que aunque el relámpago (luz) y el trueno (sonido) se producen en el mismo instante, éste último se oye después de haber visto la luz que produce el rayo. La razón es que la velocidad del sonido en el aire es mucho menor que la de la luz.
La velocidad de la onda de sonido depende de las características del medio donde se propaga. Estos factores son la compresibilidad, la densidad, la masa molecular (en el caso de los gases) y la temperatura.
En el caso de la variación de temperatura, se ha determinado experimentalmente que, para temperaturas comprendidas entre entre 0 y 35°C, la velocidad del sonido aumenta 0,6 m/s por cada grado Celsius que se incremente la temperatura. El sonido tiene una velocidad de 331 m/s a 0°C; y su expresión es la siguiente:
Vs = 331 m/s + 0,6 m/s x T x ( 1/ °C)
Para cálculos matemáticos se considera la velocidad de propagación del sonido en el aire Vs = 340 m/s, sin considerar como dato la temperatura.
El sonido NO puede propagarse en el vacío (en el espacio), porque es una onda mecánica y necesita medios físico para viajar.
CARACTERISTICAS DEL SONIDO
El Tono.- Existen sonidos agudos y graves. Por ejemplo, la voz de una mujer o de una niño es, por lo general, mas aguda que la de un hombre adulto. Este parámetro, llamado tono o altura. depende de la frecuencia de la onda sonora. Mientras mayor sea esta, mas agudo será el sonido. A su vez, mientras menor sea, mas grave será el sonido.
La intensidad.- Esta cualidad permite diferenciar los sonidos intensos de los débiles y está estrechamente relacionada con la cantidad de energía que transporta una onda sonora. A mayor amplitud de la onda, mayor energía transportada; por lo tanto, el sonido tiene mayor intensidad. La unidad de medida es el decibel (dB), que está relacionado con la capacidad de oír.
En esta escala , el nivel mínimo o umbral de audición corresponde a 0 dB; los sonidos en este umbral no puede percibir al oído humano. El nivel máximo o umbral del dolor corresponde a 120 dB; por encima de este valor percibimos una sensación dolorosa.
Variación de la Intensidad.- El valor de la intensidad depende esencialmente del medio de propagación y la distancia desde el foco emisor del sonido. La intensidad del sonido disminuye a medida que se propaga debido a que el medio en el que lo hace absorbe un poco de energía.
Cuando se emite un sonido, éste se propaga en todas las direcciones, produciendo un frente de onda esférico en las tres dimensiones. El área de una superficie esférica es 4¶r². Por lo tanto, la intensidad del sonido a una distancia r de la fuente es la relación de la cantidad de potencia es esa área:
I = P / A = P / 4¶r²
Donde P es la potencia del emisor del sonido en watts (W), y A es el área del frente de onda en m². Cómo puedes notar en el gráfico a medida que aumenta el radio, el área será mayor y por ende la intensidad disminuirá.
Nivel de Intensidad.- El nivel de intensidad establece una escala que permite catalogar a los sonidos comparando su intensidad con la mas baja perceptible al oído humano.
ß = 10dB.log (I/Io)
Donde Io es la intensidad correspondiente a (10)-12 W/m², mientras que I es la intensidad del sonido que se evalúa. El nivel de intensidad se expresa en decibeles (dB).
El timbre.- El timbre es una de las cualidades mas importantes que tiene el sonido y nos permite identificar el instrumento o la persona que lo emite. Por ejemplo, varios instrumentos pueden emitir la misma nota musical, pero al analizar el gráfico de la onda producida por cada uno, se nota que son diferentes entre ellos.
Cuando varias fuentes emiten sonidos similares, pero de timbres diferentes, por ejemplo, en una orquesta sus ondas se superponen, originando una nueva. En la siguiente figura, se muestra la superposición de dos ondas que generan una tercera.
A la que tiene mayor amplitud se la conoce como onda predominante y tiene la misma amplitud y frecuencia que la resultante. Las frecuencias de las ondas de menor amplitud son múltiplos enteros de la frecuencia que tiene la predominante.
SIMULADOR DE ONDAS ACUSTICAS
EXPLICACION
Ejemplo 1: Sabiendo que la velocidad del sonido en el aire es de 1235 km/h. ¿A que distancia está una tormenta si desde que vimos un rayo pasan 4.5 segundos hasta que oímos el trueno?
Vs = 1235 km/h = 343 m/s MRU → d = Vs.t = 343 m/s . 4.5 s = 1543 metros
Ejemplo 2:
VIDEO EXPLICATIVO
A continuación se encontrará dos videos tutoriales del tema como material de apoyo, donde el estudiante de 3ero de bachillerato reforzará los conocimientos adquiridos en clases; con esto adquirirá solidez en sus conocimientos obtenidos.
EJERCICIOS PROPUESTOS
FENÓMENOS DEL SONIDO
CONCEPTOS:
La reflexión del sonido
Es el fenómeno que se produce cuando las ondas sonoras llegan hasta un obstáculo que se opone a su propagación y se reflejan, cambiando de dirección o de sentido. Los ejemplos más evidentes de reflexión son el eco y la reverberación.
El eco.- Se produce cuando el oído es capaz de diferenciar el sonido emitido del reflejado. Para que esto ocurra, ambos sonidos deben llegar al oído con una diferencia de tiempo de 0,1 s o más. Como el sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s, la distancia a la que debe estar situado el obstáculo para que se produzca el eco tiene que ser aproximadamente 17 m o más.
La reverberación
Es el fenómeno que se presenta cuando las ondas sonoras experimentan múltiples reflexiones y estas llegan al oído con una diferencia de menos de 0,1 s. Cuando esto ocurre, se entorpece la claridad de la audición porque el oído no diferencia entre el sonido emitido y el reflejado, ya que ambos se mezclan. Para que se produzca reverberación, el obstáculo en el que se refleja el sonido debe encontrarse a una distancia menor de 17 m.
La refracción del sonido.- cuando el sonido se propaga a través del aire, puede experimentar algunas alteraciones en cuanto a su velocidad o dirección. Esto se debe a que este medio puede cambiar sus características como la presión, debido al viento o la temperatura. Lo mismo puede ocurrir cuando el sonido pasa de un medio a otro, como del aire al agua, o a través de una pared.
La difracción del sonido.- Gracias al fenómeno de difracción, una onda es capaz de sortear obstáculos, doblar esquinas, etc. Cuando esto sucede, esta interferencia actúa como si fuera un nuevo punto de partida de la onda, de manera que no se corta allí. Algo parecido se produce cuando una onda atraviesa una rendija, como se observa en la imagen.
EXPLICACION
Ejercicio:
Cuatro segundos después de dejar caer una piedra en un pozo, se escucha el sonido que produce al chocar contra la superficie del agua. ¿A que profundidad está la superficie del agua del pozo?
Solución:
VIDEO EXPLICATIVO
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EJERCICIOS PROPUESTOS
EFECTO DOPPLER
CONCEPTO
El efecto Doppler es el cambio de frecuencia de las ondas debido al movimiento relativo entre la fuente y el observador.
La percepción del sonido depende del sistema de referencia o del lugar donde nos encontremos. Por ejemplo, si viajamos dentro de un auto, escucharemos siempre el mismo sonido que emite el motor, pero si estamos de pie junto a una calzada y vemos un carro acercarse, escucharemos un sonido que se agudiza cuando se aproxima y que se vuelve grave cuando se aleja.
Este efecto ocurre porque la fuente de ondas sonoras, el auto, está en movimiento respecto a un observador, el peatón. El observador percibe la onda que emite la fuente con una frecuencia diferente a la que la emite. Este fenómeno es el efecto Doppler en honor al físico y matemático austriaco Christian Doppler (1803 - 1850).
La ecuación general donde aplica el efecto Doppler, está basado en la siguiente expresión:
Hay varios casos de movimientos relativos entre la fuente de un sonido (emisor) y el observador (receptor). Para todos los casos se tiene lo siguiente:
El observador está en reposo y la fuente se acerca a él
La señal será captada por el observador con una frecuencia mayor que la emitida
El observador se encuentra en reposo y la fuente se aleja de él
La señal será captada por el observador con una frecuencia menor que la emitida
La fuente está en reposo y el observador se acerca a ella
La frecuencia de la señal emitida se percibe con mayor intensidad por el observador
La fuente está en reposo y el observador se aleja de ella
La señal que emite la fuente se percibe con una menor frecuencia por el observador
La fuente y el observador se acercan entre si
La señal emitida por la fuente será percibida con mayor frecuencia por el observador
La fuente y el observador se alejan entre si
La señal emitida por la fuente se percibirá con menor frecuencia por el observador
EXPLICACION
VIDEO EXPLICATIVO
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EJERCICIOS PROPUESTOS
ELECTROSTATICA
CONCEPTO
Se entiende por electrostática a la rama de la física que se encarga del estudio y análisis del comportamiento de las cargas eléctricas en estado de equilibrio o, lo que es lo mismo, los efectos que se generan en los cuerpos como resultado de sus cargas eléctricas, ya sean de atracción o rechazo. A este efecto se le conoce como fenómeno electrostático.
La electricidad estática se entiende como el fenómeno que ocurre entre dos cuerpos que acumulan carga eléctrica, ya sea por procesos de inducción o fricción. Esta acumulación de energía se puede producir, por ejemplo, si dos materiales se frotan entre sí, pasando los electrones de una superficie a otra a través del diferencial de nivel energético.
Si un material con carga eléctrica atrae o rechaza los electrones de otro material, se produce lo que se conoce como carga inducida, en la que se genera una zona con mayor carga positiva en el segundo material, provocando atracción.
En electrostática, el nivel de carga depende de factores como el material (si es conductor, semiconductor o aislante), así como de sus propiedades físicas y eléctricas, humedad, temperatura, presión y velocidad de separación de cuerpos.
Carga eléctrica
La naturaleza y los objetos que nos rodean están formados por átomos, las cuales se encuentran constituidos, a su vez, por protones, electrones y neutrones, de ellos los protones y electrones presentan una propiedad conocida con el nombre de carga eléctrica.
Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos: positiva, como las que tienen los protones, o negativa, como la de los electrones.
La electricidad es una propiedad característica de la materia. Sin embargo, los cuerpos que nos rodean se presentan generalmente en un estado eléctricamente neutro: el número de electrones y de protones en el interior de sus átomos es el mismo y por ello, la carga positiva de los protones y la carga negativa de los electrones es exactamente igual.
Pero los átomos pueden ganar o perder electrones y convertirse en iones; de esta forma, los cuerpos neutros adquieren una carga eléctrica. Si un átomo pierde electrones por cualquier causa (frotamiento), el cuerpo se carga positivamente; el cuerpo que gana estos electrones, en cambio, se carga negativamente.
Por consiguiente, la carga eléctrica, al ser una ganancia o pérdida de electrones, es una magnitud física medible y cuantificable. La cantidad de electricidad neta de una cuerpo será igual a un número entero de n veces la carga del electrón.
En el Sistema Internacional (S.I.), la unidad de carga eléctrica es el coulomb (C), que equivale a la carga eléctrica de unos seis trillones de electrones.
Cuantificación de la carga
La carga eléctrica no puede tomar valores arbitrarios, sino solo aquellos que sean múltiplos enteros de la carga eléctrica mínima. El valor fundamental es la carga eléctrica que posee el electrón, representado por e. Cualquier carga q que exista físicamente se puede escribir de la siguiente forma:
Carga eléctrica de los cuerpos
Conservación de la carga
La carga que adquiere un cuerpo se conserva, es decir, no puede ser destruida, sino únicamente transferida a otro cuerpo o elemento.
Cuando el vidrio se frota con seda, pierde sus electrones y la ceda los gana, entonces, el vidrio queda cargado positivamente y la seda cargada negativamente, Así, podemos afirmar que, cuando frotamos dos objetos, estos se cargan eléctricamente con cargas de distinto signo.
En toda transferencia de cargas eléctricas se cumple el principio de conservación de la carga, que se anuncia así: "La cantidad de carga de un sistema aislado es constante".
Conductores, aislantes y semiconductores
En la naturaleza, todos los cuerpos tienen la posibilidad de ser electrizados, pero no todos presentan la misma facilidad al paso de la electricidad. Según cuanto faciliten la transmisión de electricidad, los cuerpos se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores.
Conductores
Son materiales que permiten con gran facilidad que las cargas eléctricas se desplacen de una de sus regiones a otra.
En los metales, por ejemplo, los electrones exteriores de los átomos no están ligados a ningún núcleo y se mueven libremente; por ello casi todos los metales son buenos conductores. Además, se puede considerar como buenos conductores al cuerpo de los animales, al aire húmedo y al agua.
Aislantes
Algunos materiales impiden que la carga eléctrica se desplace con gran facilidad, debido a que existen pocos electrones en las capas exteriores de sus átomos. Estos materiales reciben el nombre de aislantes.
La mayoría de los no metales son aislantes. Igualmente se considera como aislante a los gases, pues solo conducen la electricidad en condiciones especiales.
Semiconductores
Son elementos cuya conductividad no es tan buena como la de un conductor ni tan baja como la de un aislante. Su conductividad puede depender de los factores del medio.
Formas de cargar un cuerpo
La materia en su estado natural es neutra, es decir, tiene la misma cantidad de electrones que de protones. La electrización se produce cuando un objeto gana o pierde electrones. Si el objeto gana electrones, se carga negativamente; si pierde electrones, se carga positivamente.
Los electrones saltan de un cuerpo a otro cuando la fuerza que los mantiene unidos al átomo es mas débil que la que los trata de separar de él.
Los métodos para separar los electrones, y por lo tanto cargar eléctricamente un cuerpo son:
Por frotamiento
Cuando la materia se frota, ocurre la transferencia de electrones de un cuerpo a otro. Así, algunas sustancias, debido a su estructura molecular o atómica, pueden ganar o perder electrones frente a otros cuerpos. Por ejemplo, el vidrio, al ser frotado con seda, pierde gran cantidad de electrones y queda cargado positivamente. El ámbar, por su parte, al frotarlo con la piel, gana electrones y queda cargado negativamente.
Por contacto
Este método consiste en poner en contacto un cuerpo conductor, previamente cargado, con otro cuerpo inicialmente neutro. Después del contacto, ambos cuerpos quedan cargados con el mismo signo.
Por inducción
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Al aproximar un cuerpo cargado a otro cuerpo, preferiblemente conductor, que no está cargado, este último se polariza; es decir, una de sus partes se carga positivamente y la otra negativamente. La carga obtenida por este método es de signo opuesto a la carga del inductor.
EXPLICACION
VIDEO EXPLICATIVO
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EJERCICIOS PROPUESTOS
FUERZA ENTRE CARGAS ELECTRICAS
Fuerza Eléctrica
CONCEPTO
La segunda ley de Coulomb, deducida por Charles - Augustín Coulomb (1736 - 1806) dice:
<<Dos cargas eléctricas se atraen o se repelen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La fuerza depende, además, del medio en el que se encuentran dichas cargas>>.
La fuerza que se ejerce entre dos cargas puntuales está dirigida a lo largo de la línea que las une. Es de atracción si las cargas son de signos opuestos, y de repulsión si las cargas tienen el mismo signo.
Fuerza eléctrica en otros medios
La influencia del medio en el que se encuentran las cargas cambia la constante k, que se expresa como:
donde: kd = constante dieléctrica del medio material y es un número que carece de unidades.
Principio de superposición de la fuerza eléctrica
La interacción entre dos cargas puntuales no varía por la presencia de otras cargas. Por ello, se puede calcular por separado la fuerza eléctrica existente entre cada par de cargas. La fuerza resultante sobre una determinada carga de un sistema (q0) será la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercida sobre dicha carga. Este hecho se conoce como principio de superposición.
EXPLICACION
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EJERCICIOS PROPUESTOS
CAMPO ELECTRICO
CONCEPTO
Un campo eléctrico es la perturbación que genera una carga eléctrica en el espacio que lo rodea. De esta manera, si colocamos una carga de prueba en dicho campo, actuará sobre ella una fuerza eléctrica.
La carga crea en el campo una tensión que obliga a las pequeñas cargas a moverse hacia ella o a alejarse de ella. A mayor carga, mayor es la deformación o alteración del espacio que rodea al objeto eléctricamente cargado.
Es como la deformación de una superficie elástica cuando se coloca sobre ella un objeto pesado: la superficie se hunde y todo objeto liviano que caiga sobre ella describirá una trayectoria determinada.
Michael Faraday fue quien introdujo el término de campo eléctrico para referirse a la influencia que un objeto cargado eléctricamente ejerce sobre el espacio que lo rodea.
Para caracterizar cuantitativamente la fuerza que, debido al campo eléctrico, actúa sobre las partículas y los cuerpos cargados, utilizamos el vector intensidad del campo eléctrico E.
Las líneas de fuerza
Son líneas que se utilizan para representar gráficamente un campo eléctrico, y son tangentes en cada punto a la intensidad del campo. A partir de la observación de un campo electrostático, podemos apreciar el valor de su intensidad en una zona o un punto determinado por la densidad de líneas.
Las líneas de fuerza de un campo eléctrico se pueden materializar al producir campos eléctricos intensos. Las siguientes imágenes muestran el campo producido por dos cargas.
Intensidad del campo eléctrico
Es una magnitud vectorial que mide la acción del campo eléctrico en cada punto de la región alrededor de la carga.
Para determinar el campo eléctrico en un punto del espacio influenciado por este, se utiliza una carga de prueba positiva q0 muy pequeña y se mide la intensidad de fuerza F que actúa sobre ella.
El vector intensidad del campo eléctrico (E) es el cociente entre la fuerza (F) y la magnitud de la carga de prueba (q0).
donde:
F = fuerza eléctrica en newtons
q0 = carga eléctrica, en newtons
E = intensidad del campo eléctrico, en N/C
k = constante de proporcionalidad en el vacío
q = carga de la que se emite el campo eléctrico, en coulombs
d = distancia entre la carga y el punto de medición del campo, en metros.
Principio de superposición de los campos
Si una región está influenciada por los campos de varias cargas, como muestra la figura, el campo eléctrico resultante es la suma vectorial del campo producido por cada carga. Este hecho se conoce como principio de superposición.
Si, en un punto dado del espacio, varias partículas cargadas crean campos eléctricos cuyas intensidades son E1, E2, E3,......En, la intensidad resultante será la suma vectorial de las intensidades parciales.
Líneas de campo
Las líneas de campo son las que se utilizan para representar gráficamente un campo eléctrico. Tienen las siguientes características:
Las líneas de campo de una carga positiva son líneas salientes, y las líneas de campo de una carga negativa son líneas entrantes.
Las líneas de campo se originan en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
El sentido de las líneas de campo en todos los puntos es el mismo que el del campo eléctrico.
Se trazan de tal modo que la tangente a ellas en cada punto coincide con la ditrección del vector E.
El número de líneas de campo es proporcional al valor absoluto de las cargas.
La intensidad del campo eléctrico es proporcional a la densidad de líneas de campo, esto es, al número de líneas por unidad de área que atraviesan por una superficie normal a la dirección del campo.
Las líneas de campo nunca se cruzan.
EXPLICACION
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EJERCICIOS PROPUESTOS
ELECTRODINAMICA
Corriente eléctrica
CONCEPTO
La corriente eléctrica consiste en el desplazamiento ordenado de cargas eléctricas, que se mueven por un hilo conductor.
Para que se produzca una corriente, se necesitan:
Cargas que se puedan moverse.
Sustancias o elementos conductores por donde puedan desplazarse las cargas.
Generadores, es decir, dispositivos que, manteniendo el desequilibrio de cargas y aportando la energía necesaria, consigan el movimiento de dichas cargas.
Naturaleza de la corriente eléctrica
Ya sabes que la corriente eléctrica es el flujo ordenado de electrones en un material conductor. Sin embargo, en un análisis mas profundo, para que exista corriente eléctrica, es necesario que los electrones mas alejados del núcleo de un átomo se desliguen de este último y circulen libremente hasta ingresar a otro.
Efectos de la corriente eléctrica
El paso de la corriente eléctrica presenta algunos efectos, que se describen a continuación:
Efectos caloríficos: Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, este aumenta su temperatura.
Efectos luminosos: El paso de la corriente eléctrica puede producir luz, como en una bombilla, un tubo fluorescente o una pantalla de televisor.
Efectos sonoros: La corriente eléctrica, junto a fenómenos electromagnéticos, puede producir ondas acústicas.
Efectos químicos: Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor iónico, es capaz de producir un cambio químico en él.
Efectos magnéticos: El paso de la corriente eléctrica a través de un conductor crea un campo magnético similar al que produce un imán.
Efectos mecánicos: El desarrollo de los motores eléctricos ha permitido transformar la energía eléctrica en movimiento y trabajo mecánico.
Sentido de la corriente eléctrica
En un circuito, los electrones se desplazan del polo negativo hacia el positivo. Este es el sentido real de la corriente eléctrica.
En el sentido convencional, la corriente se desplaza del polo positivo al negativo. La razón es que se estableció el sentido de la corriente antes de conocer la existencia de los electrones.
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EJERCICIOS PROPUESTOS
MAGNITUDES ELÉCTRICAS
CONCEPTO
En un circuito eléctrico, es necesario conocer la intensidad de corriente que pasa por cada elemento y la diferencia de potencial o tensión que se produce, relacionadas con la resistencia eléctrica.
Para visualizar lo que representan estas magnitudes en el circuito, piensa en él como una conexión de agua. Tienes un tanque lleno de agua y una manguera que sale de su base. Si el tanque está lleno (como una pila cargada), se genera una gran presión en la manguera para que fluya el agua (en el caso de la pila, esta provoca una gran diferencia de potencial o voltaje para que fluya la corriente). La cantidad de agua que pasa por la manguera viene a ser como la intensidad de corriente que fluye por el cable de un circuito, y la resistencia que ofrece una manguera delgada al paso del agua es similar a la resistencia eléctrica con respecto al flujo de la corriente.
Como puedes notar, las tres magnitudes: voltaje, intensidad y resistencia están relacionadas en el circuito.
Imagina que puedes hacer un corte transversal en un conductor y contar las cargas que pasan cada segundo.
La intensidad de corriente eléctrica (I) se define como la cantidad de carga por unidad de tiempo que atraviesa la sección transversal de un hilo conductor.
La intensidad se mide con aparato llamado amperímetro. La relación de la intensidad de corriente indica que por un conductor circula una intensidad de 1 A cuando lo atraviesa una carga de 1 C cada segundo.
La diferencia de potencial
La diferencia de potencial (también conocido como voltaje) entre dos puntos A y B, VA - VB es la energía por unidad de carga que se emplea para mover una carga de prueba q0 desde el punto A hasta el punto B a velocidad constante.
En el Sistema Internacional, el voltaje se mide en voltios (V). Para medirlo en un elemento de un circuito se utiliza un voltímetro.
La resistencia
Cuando una determinada intensidad de corriente atraviesa un elemento de un circuito, los electrones chocan con las partículas fijas presentes en el conductor.
Perderán cierta cantidad de energía dependiendo de la oposición o resistencia que ese elemento ofrezca al paso de la corriente .
La resistencia (R) de un conductor es la oposición que ofrece al paso de la corriente. Depende de su longitud, de su grosor y del material del que está hecho (cobre, plomo, plata, etc.). Para un determinado material, la resistencia es mayor cuanto mas largo y estrecho sea el conductor.
La fuerza electromotriz (E)
Llamado también FEM, es la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica.
La fuerza electromotriz se define como el trabajo por unidad de carga positiva que debe emplearse para llevarla de un lugar de menor potencial (-) a otro de mayor potencial (+).
La unidad con que se mide la fuerza electromotriz es el J/C, que equivale al voltio.
La FEM necesita la existencia de una diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos o polos (uno negativo y otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de movilizar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.
Para entender mejor lo que es la fuerza electromotriz, podemos compararla con el funcionamiento de una bomba de agua: la bomba es la fuerza (FEM) que impulsa el agua (la corriente) a través de la tubería, como puedes ver en la figura de la izquierda.
La Ley de Ohm
La intensidad, la diferencia de potencial y la resistencia están relacionadas a través de una expresión propuesta por el físico alemán Georg Simón Ohm (1789 - 1854).
En 1826, Ohm comprobó experimentalmente que la intensidad de corriente I que circula por un alambre es directamente proporcional a la diferencia de potencial V entre los extremos del alambre e inversamente proporcional a su resistencia R. Esta relación es conocida como la Ley de Ohm.
I = V / R
donde: I = intensidad de corriente, en amperios (A)
V = diferencia de potencial, en voltios (V)
R = resistencia eléctrica, en ohmios
EXPLICACION
EJERCICIOS PROPUESTOS
ASOCIACION DE RESISTENCIAS
CONCEPTOS
En un circuito los elementos están conectados uno a continuación de otro, pero esta disposición puede hacerse de diferentes formas: en serie, en paralelo o formando una agrupación mixta.
Resistencias en serie
Son resistencias conectadas una a continuación de la otra, en donde la salida de una se conecta con el ingreso de la siguiente, y así sucesivamente. Imagina que es como una cadena de personas tomadas de las manos.
En esta conexión se presenta las siguientes características:
La intensidad de la corriente es igual para todos los puntos del circuito.
Itotal = I1 + I2 + I3
La suma de los voltajes parciales es igual al voltaje proporcionado por la fuente
E = V1 + V2 + V3 = Vtotal
La resistencia total es igual a la suma de las resistencias parciales existentes.
Rtotal = R1 + R2 + R3
Resistencias en paralelo
Son resistencias conectadas de tal forma que la intensidad de corriente se distribuye hacia la entrada de todas al mismo tiempo. Piensa en una escalera cuyos peldaños son la resistencias; la intensidad entra a todos los peldaños por un lado y sale por el otro.
En esta conexión se presentan las siguientes características:
La intensidad total del circuito es igual a la suma de las intensidades que pasan por cada una de las resistencias.
Itotal = I1 + i2 + I3
Todas las resistencias experimentan el mismo voltaje.
E = V1 = V2 = V3 = Vtotal
La inversa de la resistencia total es igual a la suma de las inversas de las resistencias parciales.
1 / Rtotal = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3
Finalmente, los circuitos mixtos son la combinación entre aquellos aquellos en serie y en paralelo. En ellos, la corriente eléctrica puede seguir diferentes caminos, según la conexión y las resistencias habilitadas.
EXPLICACION
VIDEO EXPLICATIVO
EJERCICIOS PROPUESTOS
ENERGIA ELÉCTRICA
CONCEPTO
Cuando hay diferencia de potencial entre dos puntos, existe energía potencial eléctrica. Esta genera un campo eléctrico que mueve cargas eléctricas. A su vez, este movimiento produce energía cinética en las cargas, lo que se conoce como energía eléctrica.
Podemos obtener energía eléctrica a partir de la energía química (pilas), mecánica (generadores), luminosa (celdas solares) y hasta con dos materiales a diferentes temperaturas (termocuplas). También podemos convertir la energía eléctrica en otras que sean de utilidad. Por ejemplo, es posible convertir la energía eléctrica en mecánica, al poner en funcionamiento una licuadora o una lavadora, y transformarla en energía calórica en una cocina eléctrica de resistencia.
Energía eléctrica suministrada por una fuente
La energía E suministrada por una batería de FEM E es el trabajo que hace la fuente sobre una carga q para llevarla a un potencial mayor.
E = q . E
donde:
E = energía suministrada, en Joules (J)
q = carga eléctrica, en coulomb (C)
E = fuerza electromotriz, en voltios (V)
Efecto Joule
Los electrones acelerados en un conductor alcanzan cierta cantidad de energía cinética, pero los constantes choques con los átomos o iones del material causan que parte de ella se transforme rápidamente en energía interna. Esto produce un aumento de temperatura en el material, que luego se disipa como calor.
La energía Q disipada por una resistencia R es:
Q = q . V
donde:
Q = energía disipada, en Joules (J)
q = carga eléctrica, en coulomb (C)
V = diferencia de potencial, en voltios (V)
El efecto Joule es un fenómeno bueno para ciertas cosas y malo para otras. Por ejemplo, es el responsable del sobrecalentamiento y destrucción de componentes electrónicos que se dañan ante el paso de corriente. Por otra parte, tiene muchas aplicaciones beneficiosas, como cocinas, calefactores, termos, disyuntores, etc.
Potencia eléctrica
En nuestro país es muy difundido el uso de duchas eléctricas de resistencias. Son económicas y de fácil instalación, aunque siempre debe hacerlo un técnico eléctrico.
Las características técnicas de una ducha promedio son:
Como puedes notar, las duchas A y B tienen la misma potencia, es decir, calentarán el agua al mismo tiempo; pero para lograrlo, la ducha A utilizará el doble de intensidad de corriente que la ducha B. Como se sabe que la intensidad de corriente es el flujo de carga en un tiempo determinado; entonces, la ducha A utiliza mas carga eléctrica que la ducha B para el mismo propósito. Esto nos lleva a definir la potencia eléctrica .
La potencia es la energía que se transfiere en un circuito en una unidad de tiempo
P = E / t
donde:
P = potencia, en vatios (w)
E = energía, en Joules (j)
t = tiempo, en segundos (s)
Reemplazando las ecuaciones de la energía eléctrica suministrada y disipada, se tiene:
Para una batería:
P = I . E
Para una resistencia:
P = V . I = I² . R = V² / R
Al expresar en Joules la energía (E) consumida por los aparatos eléctricos, se producen números muy grandes. Por tal razón, es conveniente expresarla en kilovatios-hora (kwh), como se ve en una factura de luz.
E = P . t
1 kwh = (1 kJ / s)(3600s) = 3600kJ
EXPLICACION
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EJERCICIOS PROPUESTOS
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
CONCEPTO
Un circuito eléctrico está formado por un conjunto de elementos conectados entre sí, de manera que constituyen una ruta que permite la circulación de la corriente eléctrica.
Un circuito se compone básicamente de los siguientes dispositivos: un generador de corriente, una resistencia o un receptor, un interruptor y conductores.
Generador de corriente eléctrica (pila o batería)
Fuente de energía que genera un voltaje entre sus terminales y logra que los electrones se desplacen por el circuito.
Conductores (cables o alambres)
Llevan la corriente a los demás componentes del circuito. Los cables están formados por una por uno o mas alambres hechos de un material conductor.
Receptores
Son los encargados de recibir y transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía.
Un receptor se caracteriza por su resistencia óhmica. Consume energía eléctrica aportada por la fuente de tensión y la transforma en otra forma de energía, con lo que produce un efecto útil: luz, calor, etc.
Un ejemplo de receptor son los focos o bombillas, que transforman la energía eléctrica en energía radiante. Otro ejemplo, es un motor eléctrico, que transforma la energía eléctrica en mecánica.
Interruptor
Dispositivo de control que permite o impide el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito. Si está cerrado, permite el paso de corriente; cuando no lo hace, está abierto.
Resistencia eléctrica
Se define como la mayor o menor oposición que presentan los cuerpos al paso de la corriente eléctrica. Se representa con R y su unidad es el ohmio.
Los siguientes símbolos se usan para representar los elementos de un circuito.
Los circuitos en serie y en paralelo
Al igual que en la asociación de resistencias, los elementos que componen un circuito se pueden disponer de dos maneras básicas: en serie y en paralelo.
Serie
Los elementos se disponen uno a continuación de otro en una misma rama del circuito.
Se caracterizan por lo siguiente:
La intensidad de la corriente es la misma en todos los puntos del circuito.
El circuito deja de funcionar si un receptor no sirve.
Paralelo
Los elementos se disponen en distintas ramas del circuito, que se vuelven a reunir.
Se caracterizan por lo siguiente:
Los puntos tienen la misma diferencia de potencial.
El resto de receptores sigue funcionando si uno se daña.
Electrólisis
Es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. Ciertas sustancias son conductoras de electricidad y al mismo tiempo, se descomponen al paso de la corriente eléctrica, a estas sustancias se las llama electrolitos.
La electrólisis es la base para la construcción de las baterías y pilas.
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