Presentación Contenido Temático Recursos Evaluación Bibliografía Créditos
Prof. Pedro Eche Querevalú CTA 5to de Secundaria 2010
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Presentación En todos los ámbitos de la vida moderna podemos encontrar hoy en día muchos dispositivos y equipos que emplean motores eléctricos de diversos modelos, tamaños y potencias para realizar un determinado trabajo. Todos ellos, sin excepción, funcionan con corriente alterna (C.A.), o de lo contrario con corriente directa (C.D.), conocida también como corriente continua (C.C.). Sin embargo, la mayoría de los dispositivos y equipos que requieren poca potencia para poner en funcionamiento sus mecanismos emplean solamente motores de corriente directa de pequeño tamaño, que utilizan como fuente suministradora de corriente eléctrica o fuerza electromotriz (F.E.M.) pilas, batería, o un convertidor de corriente alterna en directa.
Vista interna de un pequeño motor de corriente directa (C.D. o C.C.) de 3 volt, alimentado por dos pilas tipo AA, de 1 ½ volt cada una, conectadas en serie.
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Contenido Temático EL CAMPO ELÉCTRICO LA INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA POTENCIAL ELÉCTRICO CONDENSADOR ELÉCTRICO ENERGÍA ELÉCTRICA ALMACENADA POR UN CONDENSADOR ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES
PROBLEMAS RESUELTOS
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CAMPO ELÉCTRICO: E La fuerza eléctrica es, al igual que la fuerza gravitacional, una fuerza a distancia. Una carga eléctrica puede ejercer una fuerza eléctrica sobre otra carga a través del medio que la rodea, sin la necesidad del contacto directo. Para comprender este hecho se introduce el concepto de CAMPO ELÉCTRICO. “EL CAMPO ELÉCTRICO es el medio que le permite a un cuerpo cargado eléctricamente ejercer una fuerza eléctrica sobre otro cuerpo cargado o polarizado”.
Campo eléctrico creado en el punto P por una carga de fuente q1 positiva (a) y por una otra negativa (b). CONTINUA>>
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INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO Para determinar la intensidad del campo eléctrico en una región determinada del espacio se utiliza una carga de prueba positiva (por convención) q0. Si observamos la acción de una fuerza eléctrica sobre esta carga de prueba entonces existe un campo eléctrico. La intensidad del campo eléctrico (E) es el cociente entre la fuerza eléctrica (F) que experimenta una carga de prueba positiva (q0) y el valor de la carga de prueba.
F E q0 En el SI el campo eléctrico se mide en N/C El campo eléctrico es una magnitud vectorial, su dirección y sentido en un punto del espacio es igual que la dirección y sentido de la fuerza que actúa sobre una carga de prueba positiva colocada en dicho punto.
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LA INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO GENERADO POR UNA ESFERA O CARGA PUNTUAL Acabamos de definir cómo medir la intensidad del campo eléctrico en un punto del espacio sin importarnos qué carga eléctrica genera dicho campo. No obstante podemos calcular la intensidad del campo en un punto del espacio en función de la carga puntual o esférica Q que genera el campo, usando la ley de Coulomb.
F E q0
Unidades SI E= N/C
Q.q0 k. 2 d E q0 Q E k. 2 d
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LÍNEAS DE FUERZA ELÉCTRICAS Para representar el campo eléctrico que no observamos utilizamos unas líneas imaginarias llamadas líneas de fuerza también llamados líneas de campo. “Son líneas imaginarias que representa al campo eléctrico que no observamos”. Se dibujan siguiendo la trayectoria de una partícula cargada positivamente en el interior del campo. Otra definición: Son líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va variando la dirección del campo eléctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona libremente, por lo que las líneas de campo salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas. La densidad de líneas de fuerza en una región del espacio es directamente proporcional a la intensidad de campo eléctrico.
Las líneas de campo creadas por una carga positiva están dirigidas hacia afuera; coincide con el sentido que tendría la fuerza electrostática sobre otra carga positiva.
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PROBLEMA Calcula la fuerza que experimenta una carga eléctrica positiva de 10 µC cuando se coloca dentro de un campo eléctrico de valor 800 N/C dirigido hacia la derecha. Datos: 1 µC=10-6 C
Calculamos la fuerza eléctrica usando la intensidad del campo eléctrico.
E
F q0
F q0 .E F 10.(106 C )(800N / C ) F 10.(106 )(8.102 N ) F 8.103 N Rpta:- La fuerza eléctrica es igual a 8.10-3 N y está dirigida hacia la dercha
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ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA Para calcular la energía potencial eléctrica es necesario fijar un punto de referencia en el cual se considere que la carga q tiene una energía potencial eléctrica igual a cero. Tal punto está a una distancia infinita de la carga Q. “La energía potencial eléctrica (U) que posee una carga (q) en un punto P situado a una distancia (d) de la carga (Q), es igual al trabajo externo necesario para traer la carga (q) desde el infinito hasta el punto P en contra de la fuerza eléctrica”
U p W externo P Q.q U p k. d
Unidades La energía y el trabajo se expresan en Joules (J) La energía potencial eléctrica puede ser positiva o negativa, esto se debe a que el trabajo externo puede ser a favor del movimiento (cargas de igual signo) o en contra del movimiento (cargas de signos diferentes).
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POTENCIAL ELÉCTRICO (V) Las cargas eléctricas generan un campo eléctrico a su alrededor, lo que les permite ejercer fuerzas a distancia. Si utilizamos el concepto de energía en lugar de fuerza, los campos eléctricos tienen la propiedad de proporcionar energía potencial eléctrica a cualquier carga que se coloque en el interior del campo. Tal propiedad se mide con una magnitud escalar llamada potencial eléctrico. “El potencial eléctrico (V) en un punto P del campo eléctrico se calcula como el cociente entre la energía potencial eléctrica (U) proporcionada a una carga de prueba positiva (q0) en dicho punto y el valor de dicha carga de prueba”
Vp
Up q0
El potencial eléctrico en un punto P en términos de la carga eléctrica Q que genera el campo eléctrico se calcula:
Vp
Up q
Vp
0 Unidades SI Potencial eléctrico en voltios(V) 1V=1J/C
k.
Q.q0 d V k. Q p q0 d
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EL CONDENSADOR ELÉCTRICO Un condensador eléctrico es aquel dispositivo capaz de retener cargas eléctricas de manera que la energía potencial eléctrica quede almacenada. Allá por el año 1745, el físico holandés Pieter Van Musschenbrock, de la Universidad de Leyden, descubrió que las cargas eléctricas podían ser almacenadas en una botella de vidrio forrada por una fina capa de estaño, por dentro y por fuera, y cuya capa metálica interior estaba en contacto mediante un conductor a un generador electrostático.
El condensador eléctrico más simple es el condensador de placas paralelas, formado por dos láminas metálicas muy finas A y B, separadas y aisladas una de la otra por una lámina delgada de un material dieléctrico, como por ejemplo el plástico.
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¿Cómo se carga un condensador? En la antigüedad los condensadores se cargaban mediante un generador electrostático (generador de Van der Graff o de Wimshurst). Hoy podemos cargar fácilmente un condensador conectándolo a una batería. La batería polariza las placas matálicas generando una diferencia de potencial entre ellas conocida como voltaje. La cantidad de carga q que almacena un condensador depende directamente del voltaje V que aplica la batería.
q C.V
Donde: Q se expresa en coulomb (C) V en voltios (V) C es una constante llamada capacidad eléctrica que depende de la geometría del condensador y se expresa en faradios (F). 1F= 1 C/V Como un faradio es una unidad muy grande generalmente se usan submúltiplos, como el microfaradio (1µF=10-9 F) O el nanofaradio (1 nF=10-9 F)
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Energía eléctrica almacenada por un condensador Para calcular la energía eléctrica almacenada por un condensador usamos la siguiente fórmula:
En el SI: U es la energía se expresa en Joules (J)
1 U q.V 2
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ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES En SERIE Las placas van conectadas una a continuación de otra; la primera placa y la última se conectan a una diferencia de potencial V. En este tipo de asociación cada condensador almacena la misma cantidad de carga y la diferencia de potencial total se reparte para cada condensador. Se cumple:
qtotal = q 1=q 2=q3 Vtotal = V 1+ V 3+ V4
1 Ctotal
1 1 1 C1 C2 C3
V
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ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES En PARALELO Cada condensador es conectado a la misma diferencia de potencial entre sus placas. En este tipo de asociación cada condensador almacena la carga proporcional a su capacidad.
Se cumple:
qtotal = q 1+q 2+q3 Vtotal = V 1= V 2= V3 Ctotal = C1 + C2 + C3
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PROBLEMA ¿Cuál es la máxima y mínima capacidad equivalente que se puede obtener con tres condensadores 20 µF , 30 µF y 60 µF?. IMPORTANTE La máxima capacidad se obtiene en una asociación en paralelo, y la mínima en una asociación en serie. Máxima capacidad (PARALELO):
Ctotal = C1 + C2 + C3 Ctotal=20 µF + 30 µF + 60 µF Ctotal= 110 µF Mínima Capacidad (SERIE):
1 Ctotal 1 Ctotal 1 Ctotal
1 1 1 C1 C2 C3
1 1 1 20F 30F 60F
1 Ctotal 110F 10F
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Recursos Haz clic en “Actividades interactivas” para ingresar para desarrollar las actividades educativas lúdicas
Actividades interactivas
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Créditos Electrostática II - introducción http://www.asifunciona.com/electrotecnia/af_motor_cd/af_motor_cd_1.htm
Condensador eléctrico http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=36
Condensador teoría http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/plano/plano.htm Condensadores http://andreita1124.blogspot.com/2008/07/electricidad_22.html
Electrostática http://www.ifent.org/lecciones/electrostatica/eletica21.asp
Cargas eléctricas http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Portada.html Cargas eléctricas http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electrostatica/ke_electrostatica_1.htm Imagen http://www.telefuerza.com/sabias_que/archivos/c48baa_20070610192344-rayo.jpg
Experimento http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/act_permanentes/conciencia/experimentos/electrostatica.htm Simulaciones http://www.educaplus.org/cat-66-p1-Electrost%C3%A1tica_F%C3%ADsica.html?PHPSESSID=qrkdiltr Experimentos sencillos de electrostática http://fs210secc1002.wordpress.com/electrostatica/