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Modulo Completo Física Química 2

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MÓDULO DE FÍSICA Y QUÍMICA SEGUNDO DE BACHILLERATO GENERAL UNIFICADO COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA ´´´CONTINENTAL´´ NOMBRE……………………………………………………………… CURSO………………………………………………………………… PARALELO…………………………………………………………… TUTOR…………………………………………………………………
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página I Contenido Bloque 1 .......................................................................................................................1 Electricidad y magnetismo ............................................................................................1 Ficha Nº 1.....................................................................................................................1 Partículas inestable del átomo........................................................................................ Flujo de electrones: electricidad y magnetismo.............................................................1 Electricidad...................................................................................................................3 Naturaleza de la electricidad.........................................................................................3 ¿qué es el flujo eléctrico? .............................................................................................4 La corriente eléctrica.....................................................................................................5 Sentido de la corriente..................................................................................................5 Términos usados en electricidad...................................................................................6 Resistencia...................................................................................................................7 Ley de ohm...................................................................................................................8 Aclaraciones a la ley de ohm ........................................................................................8 Energía, calor y potencia eléctrica ................................................................................9 Transformación de una forma de energía en otra .......................................................12 Leyes de la energía ....................................................................................................13 Efecto joule.................................................................................................................14 Aplicaciones del efecto joule.......................................................................................15 Investigo 1 ..................................................................................................................17 Investigo 1 ..................................................................................................................17 Glosario 1 ...................................................................................................................18 Resumo 1 ...................................................................................................................19 Cuestionario 1.............................................................................................................20 Ficha Nº 2...................................................................................................................22 Resistencia eléctrica y circuitos eléctricos ..................................................................22 Resistividad de un material.........................................................................................23 Asociación de resistencias..........................................................................................24 Resistencias en serie..................................................................................................24 Resistencia equivalente..............................................................................................25 Resistencia en paralelo...............................................................................................25
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página II Electrólisis ..................................................................................................................26 Proceso ......................................................................................................................26 Amperímetro, voltímetro y galvanómetro ....................................................................26 Investigo 2 ..................................................................................................................29 Glosario 2 ...................................................................................................................30 Resumo 2 ...................................................................................................................31 Cuestionario 2.............................................................................................................32 Ficha N°3....................................................................................................................34 Magnetismo ................................................................................................................34 Magnetismo natural: los imanes .................................................................................34 Magnetismo artificial: la imantación ............................................................................35 Líneas de campo magnético.......................................................................................36 Fuerza magnética sobre una carga eléctrica ..............................................................37 Fuerzas sobre corrientes ............................................................................................37 Acción de un campo magnético sobre un circuito .......................................................38 Fuentes de campos magnéticos .................................................................................38 El motor eléctrico........................................................................................................38 El campo magnético terrestre .....................................................................................39 Investigo 3 ..................................................................................................................41 Glosario 3 ...................................................................................................................42 Resumo 3 ...................................................................................................................43 Cuestionario 3.............................................................................................................44 Ficha Nº 4...................................................................................................................46 Inducción electromagnética ........................................................................................46 Los experimentos de faraday y henry .........................................................................46 Inducción electromagnética ........................................................................................47 Ley de faraday............................................................................................................48 Autoinducción .............................................................................................................49 Inducción mutua .........................................................................................................49 Generadores y motores eléctricos ..............................................................................50 el alternador................................................................................................................50 el dinamo...................................................................................................................51 El transformador .........................................................................................................52 Leyes del magnetismo................................................................................................53
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página III Investigo 4 ..................................................................................................................55 Glosario 4 ...................................................................................................................56 Resumo 4 ...................................................................................................................57 Cuestionario 4.............................................................................................................58 Ficha N°5...................................................................................................................60 Corriente continua y corriente alterna .........................................................................60 Circuitos eléctricos......................................................................................................61 Energía en los circuitos...............................................................................................62 Potencia eléctrica .......................................................................................................63 Investigo 5 ..................................................................................................................67 Glosario 5 ...................................................................................................................68 Resumo 5 ...................................................................................................................69 Cuestionario 5.............................................................................................................70 Bloque 2 .....................................................................................................................72 Calor y temperatura ....................................................................................................72 Ficha Nº 6...................................................................................................................72 Calor y temperatura ....................................................................................................72 La medida de la temperatura ......................................................................................72 La medida del calor ....................................................................................................74 Calorimetría................................................................................................................75 Transmisión del calor..................................................................................................76 Conducción del calor ..................................................................................................76 Convección del calor...................................................................................................76 Radiación del calor .....................................................................................................77 Investigo 6 ..................................................................................................................79 Glosario 6 ...................................................................................................................80 Resumo 6 ...................................................................................................................81 Cuestionario 6.............................................................................................................82 Ficha Nº 7...................................................................................................................83 Dilatación de sólidos y líquidos ...................................................................................83 Dilatación en sólidos...................................................................................................83 Dilatación superficial...................................................................................................84 Dilatación volumétrica.................................................................................................84 Dilatación en líquidos..................................................................................................85
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página IV Punto de fusión y punto de ebullición..........................................................................86 Cambios de fase.........................................................................................................86 Factores que afectan los cambios de fase..................................................................87 Investigo 7 ..................................................................................................................90 Glosario 7 ...................................................................................................................91 Resumo 7 ...................................................................................................................92 Cuestionario 7.............................................................................................................93 Ficha Nº 8...................................................................................................................94 Termodinámica...........................................................................................................94 Proceso adiabático .....................................................................................................95 Proceso isométrico .....................................................................................................96 La segunda ley de la termodinámica...........................................................................96 Las máquinas térmicas...............................................................................................97 La entropía .................................................................................................................99 Investigo 8 ................................................................................................................ 101 Glosario 8 ................................................................................................................. 102 Resumo 8 ................................................................................................................. 103 Cuestionario 8........................................................................................................... 104 Bloque 3 ................................................................................................................... 105 Los estados de la materia, propiedades y comportamiento ...................................... 105 Ficha Nº 9................................................................................................................. 105 Los estados físicos de la materia.............................................................................. 105 Fuerzas que actúan sobre las moléculas................................................................. 106 Estado gaseoso........................................................................................................ 106 Propiedades generales de los gases ........................................................................ 107 Teoría cinética molecular de los gases..................................................................... 107 Postulados de la teoría cinética molecular................................................................ 107 Medición de la presión de los gases ......................................................................... 108 Tipos de temperatura, el cero absoluto..................................................................... 109 Número de avogadro: masa atómica y molecular, mol.............................................. 110 Número de avogadro ................................................................................................ 111 Cálculo del número de avogadro ............................................................................. 111 Investigo 9 ................................................................................................................ 113 Glosario 9 ................................................................................................................. 114
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página V Resumo 9 ................................................................................................................. 115 Cuestionario 9........................................................................................................... 116 Ficha Nº 10............................................................................................................... 118 Leyes de los gases................................................................................................... 118 Ley de Boyle – Mariotte ............................................................................................ 118 Ley de charles (i parte) ............................................................................................. 119 Ley de charles (ii parte) ............................................................................................ 120 Ley de gay lussac..................................................................................................... 121 Ley combinada ......................................................................................................... 122 Masa atómica (a)...................................................................................................... 123 Masa molecular (ma) ................................................................................................ 123 Número de avogadro ................................................................................................ 124 Ley de avogadro. Volumen molar ............................................................................. 126 Investigo 10 .............................................................................................................. 128 Glosario 10 ............................................................................................................... 129 Resumo 10 ............................................................................................................... 130 Cuestionario 10......................................................................................................... 131 Ficha Nº 11............................................................................................................... 133 Ecuación general de estado...................................................................................... 133 Cálculo de la masa molecular en función de la densidad.......................................... 135 Ley de las presiones parciales de dalton .................................................................. 136 Investigo 11 .............................................................................................................. 138 Glosario 11 ............................................................................................................... 139 Resumo 11 ............................................................................................................... 140 Cuestionario 11......................................................................................................... 141 Ficha Nº 12............................................................................................................... 143 Gases reales ............................................................................................................ 143 Ecuación de van der walls para un gas real:............................................................. 144 Aumento del porcentaje de co2 en la atmósfera....................................................... 145 Contaminación.......................................................................................................... 146 Investigo 12 .............................................................................................................. 148 Glosario 12 ............................................................................................................... 149 Resumo 12 ............................................................................................................... 150 Cuestionario 12......................................................................................................... 151
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página VI Ficha Nº 13............................................................................................................... 152 Soluciones................................................................................................................ 152 Características de las soluciones (o disoluciones): ................................................... 153 Clasificación de las soluciones ................................................................................. 153 Modo de expresar las concentraciones..................................................................... 154 Unidades físicas de concentración............................................................................ 154 Unidades químicas de concentración ....................................................................... 156 Molalidad: ................................................................................................................ 159 Investigo 13 .............................................................................................................. 161 Glosario 13 ............................................................................................................... 162 Resumo 13 ............................................................................................................... 163 Cuestionario 13......................................................................................................... 164 Bloque 4 ................................................................................................................... 166 Acidos, bases y sales ............................................................................................... 166 Ficha Nº 14............................................................................................................... 166 Ácidos y bases........................................................................................................ 166 1. Concepto de swante arrhenius.............................................................................. 166 2. Concepto de bronsted – lowry............................................................................... 167 3. Concepto de gilbert lewis...................................................................................... 168 Propiedades de los ácidos y bases.......................................................................... 168 Escala de ph............................................................................................................. 169 Indicadores del ph .................................................................................................... 169 Investigo 14 .............................................................................................................. 172 Glosario 14 ............................................................................................................... 173 Resumo 14 ............................................................................................................... 174 Cuestionario 14......................................................................................................... 175 Ficha Nº 15............................................................................................................... 177 Las sales .................................................................................................................. 177 Hidróxidos:................................................................................................................ 178 Investigo 15 .............................................................................................................. 180 Glosario 15 ............................................................................................................... 181 Resumo 15 ............................................................................................................... 182 Cuestionario 15......................................................................................................... 183 Ficha Nº 16............................................................................................................... 185
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página VII Electrolitos y no electrolitos...................................................................................... 185 Electrolitos................................................................................................................ 185 Electrolitos fuertes .................................................................................................... 186 Electrolitos débiles:.................................................................................................. 186 Manera de comprobar si una sustancia es un electrolito o no electrolito................... 187 No electrolitos........................................................................................................... 187 Electrolitos en el cuerpo humano.............................................................................. 188 Investigo 16 .............................................................................................................. 190 Glosario 16 ............................................................................................................... 191 Resumo 16 ............................................................................................................... 192 Cuestionario 16......................................................................................................... 193 Ficha Nº 17............................................................................................................... 194 Equilibrio químico ..................................................................................................... 194 Velocidad de reacción............................................................................................... 195 Mecanismos de una reacción química ...................................................................... 195 Teoría de los choques o colisiones........................................................................... 195 Principio de le chatelier............................................................................................. 196 Factores que modifican la velocidad de reacción y equilibrio químico....................... 196 Catalizadores............................................................................................................ 198 Investigo 17 .............................................................................................................. 199 Glosario 17 ............................................................................................................... 200 Resumo 17 ............................................................................................................... 201 Cuestionario 17......................................................................................................... 202 Bloque 5 ................................................................................................................... 204 Equilibrio químico y velocidad de reacción................................................................ 204 Ficha Nº 18............................................................................................................... 204 Constante de equilibrio ............................................................................................. 204 Ionización del agua................................................................................................... 205 Soluciones amortiguadoras....................................................................................... 205 Importancia del uso de las soluciones amortiguadoras............................................. 206 Investigo 18 .............................................................................................................. 208 Glosario 18 ............................................................................................................... 209 Resumo 18 ............................................................................................................... 210 Cuestionario 18......................................................................................................... 211
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página VIII Bloque 6 ................................................................................................................... 213 Proceso de transferencia de electrones.................................................................... 213 Ficha Nº 19............................................................................................................... 213 Oxidación – reducción .............................................................................................. 213 Número de oxidación................................................................................................ 216 Igualación de ecuaciones químicas .......................................................................... 219 Investigo 19 .............................................................................................................. 223 Glosario 19 ............................................................................................................... 224 Resumo 19 ............................................................................................................... 225 Cuestionario 19......................................................................................................... 226 Ficha Nº 20............................................................................................................... 228 Propiedades de los metales...................................................................................... 229 Propiedades físicas .................................................................................................. 229 Propiedades químicas .............................................................................................. 230 Celda electroquímica ................................................................................................ 231 Celdas galvánicas..................................................................................................... 231 Investigo 20 .............................................................................................................. 233 Glosario 20 ............................................................................................................... 234 Resumo 20 ............................................................................................................... 235 Cuestionario 20......................................................................................................... 236
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 1 Bloque 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA Nº 1 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán. Flujo de electrones: electricidad y magnetismo Átomo: es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. PARTÍCULAS INESTABLE DEL ÁTOMO POSITRÓN: partícula elemental, antipartícula del electrón. Posee la misma cantidad de masa y carga eléctrica; sin embargo, esta es positiva. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria. NEUTRINO: Partículas sin masa eléctricamente neutras, que responden a la fuerza nuclear débil pero no a la fuerza nuclear fuerte ni a las fuerzas electromagnéticas. DIPROTÓN: es un hipotético tipo de núcleo de helio consistente en dos protones y sin neutrones. Los diprotones no son estables. PARTÍCULA ALFA: Las partículas (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 2 Partículas presentes en el átomo: 1. Partículas estables: protón – electrón – neutrón. 2. Partículas inestables: positrón – neutrino – diprotón – partícula alfa – muón pión – quartz, etc. Partes del átomo: 1. Núcleo: sitio en el cual se alojan los protones y neutrones. En este se encuentra toda la masa del átomo. 2. Nube, corona o envoltura: es donde se encuentran los electrones en permanente dinamia con sus dos movimientos. - De traslación: alrededor del núcleo. - De rotación: sobre su propio eje. Para el tema que vamos a tratar, son los electrones los que juegan un papel muy importante, por lo que recordamos que los mismos en el átomo se encuentran ubicados en los llamados niveles cuánticos, que son siete, señalados con los números 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Antiguamente fueron conocidos como capas u órbitas que se identificaban con las letras K, L, M, N, O, P, Q. Existen los llamados subniveles u orbitales, indicados mediante las letras S, Px, Py, Pz. Así los electrones se disponen en los niveles de acuerdo a la fórmula 2N2. Carga del electrón: tiene carga negativa, esto se comprobó en el experimento realizado por Crookes en los llamados tubos de vació, donde los electrones o rayos catódicos fueron desviados en su trayectoria por los polos de un imán de acuerdo al principio de que “cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de diferente signo se atraen”.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 3 Energía del electrón: Tomando en cuenta que el núcleo del átomo se encuentra cargado positivamente, este ejerce atracción sobre los electrones, por tanto al suprimir electrones que se mueven en el nivel uno, estos tienen menor energía que los que están en el nivel siete debido a la mayor distancia que existe entre este nivel y el núcleo. Los electrones que se sitúan en el último nivel de cada átomo se denominan electrones de valencia, de gran interés en los enlaces de los átomos para formar las moléculas. ELECTRICIDAD Constituye una forma especial de transmisión de energía, caracterizada por el transporte de materia mediante el movimiento de electrones del último nivel cuántico. Naturaleza de la electricidad Electricidad viene de la palabra electrón, que significa ámbar, esta es una sustancia resinosa y gomosa, la misma que presenta una propiedad muy interesante que consiste en poder atravesar cuerpos livianos cuando son frotados en un pedazo de cuero o fragmento de piel de conejo. Ejemplos:  Frotar una regla de plástico con un pedazo de seda. La regla adquiere la carga eléctrica negativa y es capaz de atraer pedacitos de papel. Masa del electrón: 6,109 x 10-23 gramos. Masa atómica del electrón: 0,0005486 UMA.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 4  Frotar una peinilla seca en el cabello, adquiere la carga negativa y, también, puede atraer pedacitos de papel.  Los automóviles en movimiento adquieren electricidad por el rozamiento con el aire. ¿Qué es el flujo eléctrico? En la antigüedad cuando la ciencia se mezclaba con el misterio, los autores Du Fay y Franklin manifestaban que “todo cuerpo tenía fluido que no se puede ver” y que “no tiene masa”, pero sí tenía carga eléctrica, y que se podían transmitir o pasar de un cuerpo a otro. Posteriormente a este fluido se lo llamó electrones. De acuerdo a la cantidad de fluido que contenía un cuerpo existían tres clases de cuerpos, así: 1. Cuerpos positivos: aquellos que cuando son frotados adquieren carga positiva porque pierden fluido. 2. Cuerpos negativos: aquellos que adquieren carga negativa ganando fluido. 3. Cuerpos neutros: aquellos que mantienen constante fluido. De aquí se deduce la LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA, que dice “la carga eléctrica ni se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro”. Esto significa que la cantidad de fluido permanece constante. Por lo tanto, la electrización consiste en la transferencia de carga eléctrica entre dos cuerpos que se frotan y se produce el paso de electrones de un cuerpo a otro.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 5 LA CORRIENTE ELÉCTRICA Consideremos dos cuerpos metálicos: el uno tiene un exceso de electrones libres, por lo mismo tiene carga negativa; el otro, en cambio, tiene deficiencia de electrones, por lo que tiene carga positiva. Si se unen los dos cuerpos mediante un conductor, habrá un desplazamiento de electrones del que tiene exceso de electrones al que no lo tiene, hasta establecer un equilibrio. Sentido de la corriente Existen dos sentidos de desplazamiento de los electrones: 1. Sentido real: es el que se desplaza del polo negativo al polo positivo, esto es, del que tiene un mayor número de electrones libres al de menor número. Este sentido se usa en electricidad. 2. El sentido convencional: es contrario al anterior: va del polo positivo al negativo. Cabe señalar que en los metales, los electrones de los últimos niveles no permanecen unidos a los átomos, no están en los niveles. Por ello reciben el nombre de
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 6 electrones libres. Son los metales los que se caracterizan por tener electrones libres, que pueden ser desplazados fácilmente. De allí que existen metales de primera clase que tienen muchos electrones libres como la plata, el platino; metales de segunda y tercera clase que tienen pocos electrones libres como el plomo, el estaño. Términos usados en electricidad Diferencia de potencial, de voltaje o de tensión (V): es el desnivel eléctrico que existe entre dos puntos determinados en un circuito. La unidad es el voltio. Cantidad de electricidad (Q): constituye la cantidad total de electrones que circula por un alambre o conductor en un circuito eléctrico. La unidad es el Culombio = 6.3 x 1018e-. Intensidad (I): es la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en un segundo. La unidad es el Amperio (A). Esta, está relacionada con la cantidad de corriente y el tiempo. De allí se obtiene la fórmula: Todas las sustancias que poseen electrones libres como los metales, permiten el desplazamiento de cargas eléctricas a través de ellos. Por eso se llaman “conductores de la electricidad”. 𝑰 = 𝐐 𝐭 I = intensidad (en A). Q = cantidad de electricidad (en Q). t = tiempo (segundos).
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 7 Resistencia (R): es la dificultad que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. La unidad es el Ohmio (Ω). No todos los cuerpos tiene el mismo valor de resistencia; al contrario, esta depende de su constitución atómica. Por ejemplo, si se combinan dos circuitos en los que se intercala dos láminas metálicas (resistencias) una de plomo y otra de cobre, se observa que la lámina de plomo presenta mayor resistencia que la lámina de cobre. Esto significa que los electrones que vienen del generador al llegar a la lámina de plomo, muestran enorme resistencia y salen de la lámina muy pocos electrones. Lo contrario sucede cuando en el circuito se interpone una lámina de cobre: los electrones encuentran muy poca resistencia y circulan con facilidad, salen de la lámina con el mismo número de electrones de los que entran. Luego, los metales presentan diferentes resistencias al paso de electrones. El metal plomo es un mal conductor de los electrones por eso se usa más bien como fusible, en cambio el cobre es buen conductor.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 8 LEY DE OHM Establecida por el físico alemán George Simón Ohm, que dice: Amperio: es la intensidad de la corriente que circula por la resistencia de un ohmio, cuando el voltaje es de un voltio. Ohmio: es la resistencia que presenta un conductor cuando por él circula una corriente de un amperio con un voltio de potencia. Voltio: es la fuerza electromotriz necesaria para que por la resistencia de un ohmio circule un amperio de intensidad. Aclaraciones a la ley de Ohm Por lo explicado en líneas anteriores se tiene que un circuito consta de: a. Un generador o batería. b. Una resistencia. c. Un amperímetro que marca la circulación de la corriente de cierta intensidad a través de una resistencia. Conclusión: si la resistencia permanece constante, la intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje. Aumenta la intensidad cuando aumenta el voltaje. En un circuito eléctrico, la intensidad de la corriente que recorre, es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 9 ENERGÍA, CALOR Y POTENCIA ELÉCTRICA Se dice que un cuerpo posee energía cuando es capaz de realizar un trabajo, como puede demostrarse con los siguientes ejemplos: 1. Una persona amante del deporte acuático rema una canoa, pero para mover la embarcación tiene que gastar energía y así realiza el trabajo de poner en movimiento la canoa. 2. Un levantador de pesas, para levantar las pesas de 100 kilos pone en acción su energía, está realizando un trabajo. La energía le proporciona los alimentos que ingiere diariamente. 3. El vapor de agua realiza un trabajo al mover una turbina gracias a la energía que posee. Estos ejemplos permiten señalar que: entre trabajo y energía existe una relación importante. De acuerdo a la actividad, se distinguen dos clases de energía: 1. Energía cinética o de movimiento: es aquella que tiene un cuerpo o un sistema en movimiento para realizar un trabajo, por ejemplo, un torrencial aguacero, un viento fuerte, un carro en movimiento, un toro en el tentadero, cuando se lanza una piedra, cuando navega un barco. Energía es la capacidad para realizar un trabajo.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 10 Un cuerpo en movimiento tiene energía cinética y por lo tanto puede realizar un trabajo. 2. Energía potencial de reposo, gravitacional o de posición: es aquella energía almacenada que tiene un cuerpo en relación con la posición en la que se encuentra o a su composición química. Por ejemplo el agua estancada en una represa, el agua que se encuentra en una cisterna en el décimo piso, una teja que está en el techo y un martillo levantado tienen energía potencial puesto que están en capacidad de realizar un trabajo. De acuerdo a los ejemplos citados el trabajo consiste en mover turbinas, clavar un clavo, desplazarse un cuerpo. La dinamita, la gasolina y una batería tienen energía potencial debido a la composición química. Otros tipos de energía son: Energía radiante: se presenta en forma de ondas que pueden ser luminosas y visibles a simple vista como la luz solar, la luz de un foco. También pueden ser
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 11 invisibles como la energía de los rayos ultravioletas, rayos X. Energía térmica o calórica: es aquella que está relacionada con la temperatura de un cuerpo. Por ejemplo, la energía que produce una cocina de gas que calienta y hierven los líquidos. Energía nuclear: es aquella que por efecto de ruptura o fusión de átomos se libera en forma extraordinaria. Actualmente es motivo de estudio para el provecho de la humanidad, sobre todo si se toma en consideración que los yacimientos de petróleo del mundo se agotarán en poquísimo tiempo.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 12 Transformación de una forma de energía en otra Es posible que una forma de energía se transforme en otras. Por ejemplo, en una central eléctrica se tiene una serie de formas de energía, iniciándose desde la potencial que es la posición del agua en lo alto del reservorio, esta desciende por los tubos transformándose en cinética, el agua mueve las turbinas y se transforma en eléctrica y ésta puede convertirse en luz, en térmica en los reverberos y en mecánica cuando mueve los motores.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 13 Otros ejemplos de transformaciones de energía se pueden apreciar en la siguiente lista.  Luz solar.  Fotosíntesis.  Quemar leña.  Producción de vapor.  Mover un generador.  Encender un foco.  Mover una máquina de coser. (energía lumínica) (energía química) (energía calórica) (energía calórica) (energía eléctrica) (energía lumínica) (energía mecánica) LEYES DE LA ENERGÍA Al aplicar la ecuación de Einstein se comprueba que si un kilogramo de masa se transforma en energía, se produce tanto calor, que se puede elevar la temperatura de 215 000 000 kilogramos de agua, en unos 100 grados centígrados. Ley de la conservación de la energía: “La energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma” Albert Einstein en 1905 manifestó que la materia y la energía están en íntima relación, lo que está demostrado en la ecuación: E = mc2 . E = cantidad de energía (expresada en julios) m = cantidad de materia (expresada en kg) c = velocidad de la luz al cuadrado (300 000 km/s)
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 14 Por lo tanto, la materia se puede convertir en energía y la energía en materia, pero el total de la masa y la energía del universo es constante. La materia y energía son dos formas diferentes en una misma cosa. Potencia eléctrica de un circuito En el gráfico se demuestra que “cuando la cargas eléctricas pasan de un punto a otro, esto es, del punto, pierden energía eléctrica”, la misma que se transforma en otro tipo de energía como lumínica, calórica, una radio, TV, plancha, aspiradora, afeitadora, etc. Del gráfico se aprende también, que si el circuito estaría formado por el alambre que une la salida y la entrada de la corriente a la batería, la intensidad no variaría, y la potencia sería la misma. Pero si se interrumpe el tránsito de la corriente intercalando unas resistencias representadas por un foco, una radio, un televisor, una plancha, entre los puntos A, B del circuito indicando, es lógico pensar y comprobar que la intensidad o potencia va a disminuir, pues existirá una diferencia entre los puntos A y B. Habrá más energía, más potencia en el punto A y menor en el B. De manera que la energía perdida entre estos dos puntos se transformará en otro tipo de energía: lumínica, calórica, etc. Efecto joule Consiste en la transformación de la energía eléctrica en calor (energía térmica) mediante una resistencia que ha sido atravesada por una corriente eléctrica.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 15 Con el gráfico se demuestra que la energía eléctrica ha disminuido su valor porque las cargas al pasar del punto A al B se transforman en energía calórica, es decir en calor, que se pone en manifiesto porque la resistencia se pone al rojo y emite calor. La intensidad de la corriente disminuye. Un fenómeno similar se observa cuando se prende un reverbero eléctrico, una ducha eléctrica, un foco. Este efecto de transformación de la energía eléctrica en calor se llama efecto joule. Aplicaciones del efecto joule Principalmente se lo usa y aplica en el hogar para obtener calor y luz. Con los ejemplos ya citados de un foco, planta, TV, aspiradora, horno eléctrico, cocina eléctrica, ducha, queda explicado. En el caso particular de un foco común en su interior existe un alambre, resistencia o filamento hecho de un metal especial como tungsteno que se caracteriza porque se funde a alta temperatura y está en forma enrollada. Este filamento que se calienta obteniéndose la conversión de la energía eléctrica en calor y luz. El efecto Joule, también se usa en la fabricación e instalación de los llamados fusibles, que se emplean para limitar la corriente que circula a través de un circuito eléctrico. Están fabricados con metales o aleaciones que se funden a bajas temperaturas como el estaño y el plomo. Cuando la corriente normal circula por el fusible, este aguanta, no se funde; pero sí hay un aumento de voltaje, el fusible se funde (se hace líquido) por lo cual se desconecta el circuito evitando que los aparatos electrodomésticos se quemen o se produzca un corto circuito provocando incendios.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 16 Por lo expuesto, se ha demostrado que la energía eléctrica se transforma en calor y luego en luz. BIBLIOGRAFÍA:  ARMENDARIS, G., (2012). Armendaris 2: Física y Química, 2do Año de Bachillerato General Unificado. Ediciones Maya. Quito – Ecuador:  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 17 FICHA Nº 1 LA ELECTRICIDAD INVESTIGO 1 INVESTIGO 1 Investigar sobre el Átomo, sus partes y las 3 teorías atómicas. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ NOMBRE: _________________________________ CURSO: ___________________________________ PARALELO _____________________________
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 18 GLOSARIO 1 1. Defina los siguientes términos:  Electricidad: _________________________________________________________  Electrones libres: _________________________________________________________  Corriente eléctrica: _________________________________________________________  Resistencia: _________________________________________________________  Intensidad: _________________________________________________________ 2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la lección con su concepto:  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 19 RESUMO 1 Dibuje un circuito simple y explique su funcionamiento.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 20 CUESTIONARIO 1 1. ESCRIBA LA LETRA V O F SI CONSIDERA QUE LA RESPUESTA ES VERDADERA O FALSA: a) Cuando una peinilla sea se frota en el cabello, adquiere carga. ( ) b) Cuando se frotan dos cuerpos se produce paso de electrones. ( ) c) Una carga eléctrica se destruye. ( ) d) Cuando un cuerpo pierde electrones, se carga negativamente. ( ) e) En lo mismo decir tensión que voltaje. ( ) f) La intensidad de la corriente se mide en Culombios. ( ) g) La intensidad es directamente proporcional al voltaje. ( ) h) Los electrones libres se localizan en los niveles cuánticos ( ) i) Cuando los electrones se mueven el fenómeno se llama electricidad( ) j) El electrón tiene un solo movimiento ( )
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 21 2. COLOQUE EN EL PARÉNTESIS LA LETRA QUE LE CORRESPONDE A CADA ENUNCIADO A. Luz solar, luz de un foco, rayos ultravioletas, rayos X. ( ) ENERGÍA POTENCIAL B. Bombas nucleares. ( ) ENERGÍA TÉRMICA C. Torrencial aguacero, viento fuerte, carro en movimiento. ( ) ENERGÍA RADIANTE D. Energía que produce una cocina de gas que calienta y hierve líquidos. ( ) ENERGÍA CINÉTICA E. Agua estancada en una represa, martillo levantado. ( ) ENERGÍA NUCLEAR Firma del Profesor Calificación Firma del Estudiante
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 22 Bloque 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA Nº 2 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán. RESISTENCIA ELÉCTRICA Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS Las planchas, los focos y las hornillas de las cocinas eléctricas, así como algunos elementos de ciertos aparatos eléctricos, suelen ser llamados resistencias, debido a que presentan una tendencia a evitar que una corriente eléctrica fluya a través de ellos. Esta característica se conoce con el nombre de resistencia eléctrica (R). Cuando un voltaje (V) se aplica a los extremos de un conductor eléctrico, fluye en el conductor una corriente eléctrica, i. De esta manera, la resistencia del conductor se expresa como: Esta expresión permite demostrar que, a medida que aumenta la resistencia generada por el conductor, disminuye la intensidad de corriente que pasa por él. En el SI, la resistencia eléctrica se expresa en Ohmios (V), en memoria del físico alemán George S. Ohm.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 23 Resistividad de un material La resistencia de cualquier material con un área transversal uniforme depende de cuatro aspectos: longitud, área de la sección transversal, clase del material y temperatura. Si consideramos diferentes conductores, como los que se observan en la figura 10, es posible calcular que, cuando hay una mayor longitud, existe una gran probabilidad de choques entre las cargas, por lo cual se ofrece una mayor oposición al paso de la corriente y aumenta así la resistencia del material. Experimentalmente se encuentra que la resistencia, R, y la longitud, l, son dos magnitudes directamente proporcionales, es decir: Si la superficie transversal presenta una mayor área (figura 10b), existe un mayor flujo eléctrico, así como ocurre con el flujo de agua en un tubo de gran diámetro en comparación con uno más angosto. Si este flujo es mayor, la resistencia que ofrece el conductor es menor, por lo cual se presenta una relación inversamente proporcional: Sin embargo, también influye la resistividad eléctrica (r) propia de cada material. Por tanto, la resistencia eléctrica de un conductor queda definida por la expresión: Así, para cada material, la medida de la resistencia de un conductor de 1 m de largo y de 1 m2 de área se conoce como resistividad y se mide en ohmios por metro La resistividad de un material y, por tanto, la resistencia dependen de la temperatura, ya que al elevar la temperatura de
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 24 un conductor aumenta la rapidez del movimiento aleatorio de las cargas; por ello, disminuye el orden de su arreglo, lo cual influye en el flujo de electrones. Asociación de resistencias En los circuitos eléctricos se utilizan conductores que se caracterizan por su resistencia. Estos conductores, utilizados para unir el resto de los elementos de un circuito, tienen una resistencia despreciable y solamente las llamadas resistencias eléctricas tienen un valor significativo de esta magnitud. En un circuito pueden usarse varias resistencias. En esta situación se define la resistencia equivalente (Req) de un conjunto de resistencias como el valor de una resistencia hipotética por la cual, al aplicarle la misma diferencia de po- tencial que al conjunto, circula la misma intensidad de corriente eléctrica que en el conjunto. En la siguiente figura se representa la resistencia equivalente para un conjunto de resistencias. Resistencias en serie Dos o más resistencias se encuentran asociadas en serie cuando están conectadas unas a continuación de otras, de tal forma que cada una de ellas es parte del circuito, como se observa en la figura 11. En este caso, todas las cargas que circulan por la primera resistencia pasan por la segunda y las que circulan por la segunda resistencia pasan por la tercera, y así sucesivamente. Por tanto, la intensidad de corriente que fluye por cada resistencia siempre es la misma, es decir:
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 25 Resistencia Equivalente Resistencia en paralelo En el caso de las resistencias asociadas en paralelo, estas se encuentran unidas de sus extremos; es decir que cada una de ellas forma parte de una rama diferente que divide el circuito, tal como se observa en la figura 12. Como las resistencias no se encuentran distribuidas de la misma manera, las cargas que llegan al punto A se reparten: Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R1. Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R2. Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R3. DEFINICIÓN: La resistencia equivalente a varias resistencias asociadas en serie es igual a la suma de todas las resistencias conectadas.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 26 Por tanto, la intensidad de corriente «se divide» por cada una de las ramas. Como la carga eléctrica se conserva, el número de cargas que circulan por las tres ramas corresponde al número de carga que ingresó en el punto A y que posteriormente saldrá por el punto B, es decir: i = i1 + i2 + i3 Las cargas eléctricas no se reparten por las diferentes ramas de forma aleatoria; estas se desplazan hacia la rama del circuito en la cual la resistencia es menor. De esta manera, la intensidad es menor por la rama del circuito en la que la resistencia es mayor. Electrólisis La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación). Proceso  Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo.  Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 27 AMPERÍMETRO, GALVANÓMETRO , VOLTÍMETRO Y MULTÍMETRO AMPERÍMETRO: mide la intensidad de corriente que circula por una conexión. Este artefacto se conecta intercalado al inicio o al final de la conexión, de tal manera que la corriente pase a través de él. GALVANÓMETRO: es todo instrumento que puede indicar la presencia de corriente en una conexión. De acuerdo con su calibración, este instrumento puede medir intensidades de varios cientos de amperios; es decir, se pueden realizar mediciones en amperios, miliamperios o microamperios. VOLTÍMETRO: mide la diferencia de potencial o voltaje. Para medir el voltaje al que se encuentra conectado un foco, se conecta cada terminal del voltímetro del foco, sin intercalar el instrumento en la conexión. MULTÍMETRO: instrumentos de medida que permiten realizar medidas del voltaje o de la corriente de una conexión. Son muy habituales y se encuentran con mayor facilidad en el mercado que los amperímetros y voltímetros.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 28 BIBLIOGRAFÍA:  Armendaris Gavilanes, Gerardo. Resistencia y Circuitos eléctricos. Física y Química. Primera Edición. Quito – Ecuador: Maya ediciones. 2012. Pags. 22 – 24. Impreso.  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México. Impreso.  Ball, David. Fisicoquímica. Cleveland State University. Estados Unidos. Cengage Learning. Impreso.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 29 FICHA Nº 2 RESISTENCIAS Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS INVESTIGO 2 Investiga explica la utilidad que brindan las resistencias eléctricas: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ NOMBRE: _________________________________ CURSO: ____________PARALELO:______________ NOMBRE DEL TUTOR: ________________________ FECHA: ____________________________________
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 30 GLOSARIO 2 1. Defina los siguientes términos:  Electrolito:_______________________________________________  Electrodo:________________________________________________  Voltaje:__________________________________________________  Resistencia eléctrica:______________________________________  Magnitud:________________________________________________ 2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la lección con su concepto:  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 31 RESUMO 2 Realice un resumen de los instrumentos de medición más utilizados en electricidad:
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 32 CUESTIONARIO 2 1. SEÑALE LA RESPUESTA CORRECTA: I. La resistencia de cualquier material con un área transversal uniforme depende de: a. La longitud, área de la sección transversal, clase del material y temperatura. b. La masa, el peso y la densidad. c. Del área de la sección transversal, de la gravedad, del material por la que está constituido. II. La función de un generador eléctrico es: a) No suministrar energía a los electrones libres de un conductor. b) Suministrar energía a los protones y neutrones de un conductor, de tal modo que pueda recorrer la conexión eléctrica. c) Suministrar energía a los electrones libres de un conductor, de tal modo que pueda recorrer la conexión eléctrica. III. Resistencia equivalente de un conjunto de resistencias es: a) El inverso de la resistencia equivalente de varias resistencias asociadas en paralelo es igual a la suma de los inversos de las resistencias que se asocien. b) El valor de una resistencia hipotética por la cual, al aplicarle la misma diferencia de potencial que al conjunto, circula la misma intensidad de corriente eléctrica que en el conjunto. c) No se crea ni se destruye, únicamente se transforma. 2. ESCRIBA VERDADERO (V) O FALSO (F) SEGÚN CORRESPONDA: a) La resistencia tiene como unidad el Ohm. ( ) b) La resistencia eléctrica ayuda a conducir la corriente eléctrica. ( ) c) La resistividad depende de la clase o tipo de material ( ) d) las resistencias en serie se encuentran unidos de sus extremos o rama diferentes. ( ) e) La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. ( )
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 33 3. COLOQUE EN EL PARÉNTESIS LA LETRA QUE LE CORRESPONDA. A. Amperímetro Indica la presencia de corriente en una reacción B. Voltímetro Mide la intensidad de corriente C. Galvanómetro Mide el voltaje Firma del Profesor Calificación Firma del Estudiante
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 34 BLOQUE 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA 3 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán. Analizar circuitos magnéticos con la descripción inicial de los instrumentos de medición más utilizados en este campo, como los galvanómetros, amperímetros y voltímetros MAGNETISMO Magnetismo natural: Los imanes Los fenómenos magnéticos, como los eléctricos, se conocen desde la Antigüedad; sin embargo, pudieron explicarse recién en el siglo XIX. No se sabe en qué momento se percibió por primera vez la existencia de los fenómenos magnéticos, aunque existe una referencia de hace 2 000 años sobre ciertas piedras que atraían metales. El nombre magnetismo proviene de Magnesia, una ciudad de la antigua Grecia en la que abundaba un mineral con propiedades magnéticas, que en la actualidad se conoce con el nombre de magnetita. Un imán natural es un mineral metálico que tiene la propiedad de atraer a otros metales. Se encuentra formado por elementos como el hierro, el cobalto y el níquel.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 35 Todo imán tiene dos polos magnéticos, el polo norte y el polo sur, cuya interacción produce dos tipos de fuerza: fuerzas de repulsión y fuerzas de atracción. Las fuerzas de repulsión se producen al interactuar polos del mismo tipo (sur y sur o norte y norte). Las fuerzas de atracción se generan cuando interactúan polos de distinto tipo (sur y norte). En la siguiente figura se puede observar el comportamiento de los polos del imán. Este arreglo de las limaduras permite demostrar la semejanza entre las líneas de fuerza de un dipolo eléctrico y el comportamiento de cargas eléctricas con los polos de un imán. Una gran diferencia entre ellos es que se puede obtener un solo tipo de carga aislada, positiva o negativa, pero jamás se podrá obtener un solo polo; es decir, no existen los monopolos magnéticos. La comparación con las cargas eléctricas puede extenderse a la intensidad de la fuerza y su dependencia con la distancia: la fuerza de repulsión o atracción entre dos polos magnéticos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre ellos. Magnetismo artificial: La imantación En la exploración magnética, no todos los materiales son atraídos por un imán. Esta atracción suele presentarse con mayor fuerza en el hierro, el níquel y el cobalto, por lo cual a estos materiales se los conoce con el nombre de ferromagnéticos, palabra proveniente del latín ferrum, que significa ‘hierro’. Asimismo, existen otros materiales, denominados diamagnéticos, como el plástico, la madera, el aluminio, el plomo y el cobre, en los cuales la atracción magnética no es significativa.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 36 Pero ¿qué tienen en especial los materiales ferromagnéticos para ser atraídos fuertemente por un imán? Las propiedades magnéticas están relacionadas con su estructura atómica. El movimiento de los electrones permite que cada átomo se comporte como un imán; de esta manera, todos los átomos se alinean paralelamente entre sí distribuyéndose en grupos con la misma orientación, denominados dominios magnéticos. Los objetos de material ferromagnético pueden transformarse en imanes bajo un proceso denominado imantación, el cual consiste en dejar durante cierto tiempo el material en contacto con un imán y, así, producir un imán artificial. Esta imantación puede ser temporal o permanente. Líneas de campo magnético Hemos mencionado que la fuerza con la cual se atraen o se repelen dos imanes disminuye al aumentar la distancia entre ellos, y que lo mismo sucede con la fuerza que un imán ejerce sobre un objeto de material ferromagnético. Sin embargo, si el imán y el objeto se encuentran a una distancia relativamente grande, el objeto no experimenta ningún tipo de atracción. En este caso, se dice que el objeto está fuera del campo magnético generado por el imán. La intensidad del campo magnético se mide en una unidad llamada tesla (T), en honor de Nikola Tesla, científico que realizó trabajos relacionados con la electricidad y el magnetismo. También realizó una experiencia en la cual suele emplearse otra unidad, denominada gauss (G). Para poder visualizar el campo magnético, Michael Faraday (1791-1887) esparció limaduras de hierro sobre un papel ubicado encima de un imán. Faraday observó que las limaduras se situaban en líneas cerradas, es decir, líneas que parten de un polo del imán y que llegan al otro polo, y determinó que dichas líneas no se cortaban. En un imán, estas líneas se denominan líneas de campo y, por convenio, se dice que salen del polo norte e ingresan al polo sur. Estas líneas de campo presentan ciertas características. En el exterior del imán, cada línea se orienta desde el polo norte al polo sur. Las líneas son cerradas, es decir, no se interrumpen en Definición: Se denomina campo magnético (B) a la región del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnéticas producidas por el imán.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 37 la superficie del imán. El vector de campo magnético en cada punto del espacio es tangente a la línea de campo que pasa por ese punto. La cantidad de líneas por unidad de área en la vecindad de un punto es proporcional a la intensidad del campo en dicho punto. Las líneas nunca se intersecan ni se cruzan en ningún punto del espacio. Fuerza magnética sobre una carga eléctrica Cuando una carga eléctrica se encuentra en un campo magnético y se desplaza dentro de él, experimenta una fuerza debida a la acción del campo. Esta fuerza magnética que experimenta una carga cuando se encuentra en un campo magnético es: Directamente proporcional al valor de la carga q: cuanto mayor sea esta, mayor será la fuerza que actuará sobre la carga. Directamente proporcional a la velocidad v de la carga, de tal forma que, si la carga está en reposo, el campo no actúa sobre ella. Directamente proporcional al valor del campo magnético en el cual se encuentra inmersa la carga. Directamente proporcional al seno del ángulo a que se forma entre la dirección del campo magnético y la dirección de la velocidad. Si el ángulo es de 0° o de 180°, el campo no actúa sobre la carga, solo actúa sobre la componente perpendicular de la velocidad con relación a la dirección del campo magnético. Fuerzas sobre corrientes El campo magnético formado por el enfrentamiento de los polos de un imán de herradura se considera un campo magnético constante. Si colocamos en este campo B un alambre por el cual circula una corriente i, este experimenta una fuerza magnética perpendicular al plano que forman el campo magnético y el alambre. Para hallar la expresión de esta fuerza, consideremos que el conductor por el cual fluye corriente es de longitud l, y que las cargas lo recorren en un tiempo t. Por lo ello, su velocidad es: Definición de velocidad: Al reemplazar l en la ecuación de fuerza magnética: Definición de corriente eléctrica:
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 38 Por tanto, la fuerza magnética que experimenta un conductor por el cual fluye corriente eléctrica y se encuentra en un campo magnético B es: La dirección se obtiene con la regla de la mano derecha, haciendo coincidir la dirección convencional de la corriente con la del pulgar, los demás dedos con la dirección del campo magnético y la palma de la mano con la dirección de la fuerza. Acción de un campo magnético sobre un circuito Un circuito rectangular como el que se muestra en la siguiente figura consiste en un conductor, denominado espira, que puede girar libremente alrededor del eje e, si se encuentra en el campo magnético generado por los dos imanes. La corriente que fluye desde A hasta D genera una fuerza magnética perpendicular al plano y que sobresale de él. Por otra parte, la corriente que fluye de D a C no genera fuerza y la corriente que fluye desde C hasta B provoca una fuerza perpendicular al plano e ingresa en él. Por tanto, las fuerzas forman una dupla y generan un giro alrededor de e en sentido positivo. Fuentes de campos magnéticos El motor eléctrico Una de las aplicaciones más útiles de la fuerza experimentada por un conductor eléctrico en presencia de un campo magnético perpendicular a él es el motor eléctrico. El funcionamiento del motor eléctrico se basa en la rotación de una serie de espiras conductoras por las cuales circula una corriente, cuando se encuentran al interior del campo magnético creado por un imán. Un
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 39 motor necesita de una fuente de poder, que puede ser una pila, la cual produce una corriente que siempre tiene el mismo sentido. Una variación de este tipo de motor es aquel en el que el movimiento rotatorio de la espira se produce a través de una fuerza externa. En este caso se genera una corriente de intensidad variable, pero cuyo sentido siempre es el mismo. En la figura de la izquierda se representa un motor eléctrico. Al pasar la corriente por la espira, como esta se encuentra ubicada en un campo magnético (el creado por los imanes fijos), comienza a girar y produce así su movimiento a partir de dicha corriente eléctrica. El campo magnético terrestre La primera aplicación práctica del magnetismo la constituyó un imán empleado en la navegación. Las referencias de la utilización de imanes en la navegación marítima se remontan al siglo XII, cuando se observó que uno de los polos de un imán se orientaba siempre hacia el norte geográfico. Por tal razón, a partir de allí se comenzó a emplear imanes para la orientación geográfica. El físico y médico inglés William Gilbert, basándose en sus estudios de magnetismo, fue la primera persona en sugerir que la Tierra actuaba como un gran imán cuyo campo terrestre es tal que las líneas de campo salen aproximadamente del polo sur y circundan la Tierra siguiendo los meridianos hasta entrar por el polo norte. Por esta razón es que una brújula señala aproximadamente el norte, debido a la acción del campo magnético terrestre. Un fenómeno sorprendente que ocurre en el campo magnético de la Tierra es que sus polos magnéticos se han invertido varias veces durante el transcurso de la existencia del planeta. Este fenómeno de inversión de los polos se ha presentado a intervalos de miles de años. En la actualidad, el polo norte magnético se encuentra próximo al polo sur geográfico y el polo sur magnético se ubica cerca al polo norte geográfico.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 40 Una de las propiedades que permite orientarse a las aves migratorias es la capacidad que tienen para detectar la intensidad y la dirección del campo magnético terrestre Dicha capacidad se explicaría por dos mecanismos complementarios. Uno está relacionado con la acción de la luz. Las moléculas de rodopsina que se encuentran en las células de la retina del ojo absorben fotones y se convierten en pequeños imanes transitorios, alineándose en la dirección del campo. Este mecanismo se complementaría con el efecto producido por los cristales de magnetita presentes en el cráneo de las aves. BIBLIOGRAFÍA:  Armendaris Gavilanes, Gerardo. Resistencia y Circuitos eléctricos. Física y Química. Primera Edición. Quito – Ecuador: Maya ediciones. 2012. Impreso.  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México. Impreso.  Ball, David. Fisicoquímica. Cleveland State University. Estados Unidos. Cengage Learning. Impreso.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 41 FICHA Nº 3 MAGNETISMO INVESTIGO 3 Realizar una investigación sobre las consecuencias del debilitamiento del campo magnético terrestre. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ NOMBRE: _________________________________ CURSO: ____________PARALELO:______________ NOMBRE DEL TUTOR: ________________________ FECHA: ____________________________________
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 42 GLOSARIO 3 1. Defina los siguientes términos:  Magnetismo:______________________________________________  Imán natural_______________________________________________  Imantación:_______________________________________________  Campo magnético: _________________________________________  Solenoide:________________________________________________ 2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la lección con su concepto:  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 43 RESUMO 3 Con sus propias palabras realice un resumen de los aspectos más importantes contenidos en la ficha, para ello puede utilizar un mapa conceptual, cuadro sinóptico ó un escrito:
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 44 CUESTIONARIO 3 1. SEÑALE LA RESPUESTA CORRECTA:  Todo imán tiene dos polos magnéticos, estos son: a) Polo este y polo oeste. b) Polo este y polo norte. c) Polo norte y polo sur. d) Polo oeste y polo sur.  El electroimán es: a) La región del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnéticas producidas por el imán. b) Una bobina larga cuyo núcleo se encuentra formado de hierro y produce un campo magnético cuando pasa cierta corriente por las espiras de la bobina. c) Se encarga de transformar en sonido las señales eléctricas que llegan al amplificador de un equipo de sonido.  El plástico, la madera y el aluminio son materiales : a) Magnéticos b) Diamagnéticos c) Imanes 2. COMPLETE CON LA PALABRA CORRECTA: a) Los polos opuestos se…………………………….. y los polos iguales se……........ b) Los imanes poseen dos polos, el polo…………….. y polo………….. 3. ESCRIBA VERDADERO (V) O FALSO (F) SEGÚN CORRESPONDA. a) La magnetita es un material con propiedades electromagnéticas ( ) b) Todo imán tiene dos polos opuestos ( ) c) el campo magnético está formado por fuerzas electromagnéticas ( ) d) Los polos de la Tierra se han invertido varias veces ( )
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 45 Firma del Profesor Calificación Firma del Estudiante
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 46 BLOQUE 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA Nº 4 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Interpretar el proceso de inducción electromagnética como resultado de la interacción entre bobinas por las cuales circula la corriente eléctrica. Relacionar las estructuras de los generadores y de los motores eléctricos a partir del análisis de sus partes y sus funciones específicas. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Los experimentos de Faraday y Henry Después del hallazgo de Oersted en 1820 con relación al campo magnético inducido por una corriente eléctrica, los físicos empezaron a realizar experimentos para hallar el proceso contrario; es decir, que a partir de un campo magnético se produzca una corriente eléctrica. Esta época de esfuerzo culminó con éxito en el año 1831, en el cual Joseph Henry en Estados Unidos y, de manera independiente, Michael Faraday en Inglaterra puso en manifiesto que un campo magnético variable en el tiempo era capaz de generar electricidad. Los trabajos realizados por los investigadores se resumen en un experimento por medio del cual es posible crear corriente eléctrica en un circuito a partir de fenómenos magnéticos. Este experimento consiste en un circuito eléctrico formado por una espira conectada a un galvanómetro y un imán de barra colocado perpendicular a la espira (figura a). Cuando se acerca e introduce el imán a la espira, se observa que el galvanómetro indica el paso de una corriente por ella, la misma que se interrumpe cuando el imán se detiene. Si ahora se saca el imán de la espira, se vuelve a observar el paso de la corriente mientras el imán está en movimiento, pero esta vez en sentido contrario al de la situación anterior
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 47 Faraday concluyó respecto a este fenómeno que la corriente eléctrica aparece porque, al acercarse o alejarse el imán de la espira, se produce un cambio en el número de líneas de campo magnético que atraviesan la espira, tal como se observa en la siguiente figura. Inducción electromagnética Faraday y Henry establecieron que era posible generar corriente eléctrica a través de un alambre con el simple hecho de ingresar y sacar un imán de una bobina. Con ello demostraron que no era indispensable la utilización de algún generador eléctrico; solo con el movimiento relativo entre el alambre y un campo magnético era factible inducir un voltaje. Sin embargo, la magnitud de este voltaje inducido depende de la rapidez con la cual el alambre recorre las líneas de campo magnético, ya que si este movimiento es muy lento, el valor del voltaje es muy pequeño, mientras que si el movimiento se realiza con cierta rapidez, el voltaje inducido presenta un valor mayor. Asimismo, la cantidad de espiras también permite obtener diferentes valores para el voltaje inducido, ya que cuanto mayor es el número de espiras de alam- bre que se desplazan en el campo magnético, mayores son el voltaje inducido y la corriente en el alambre.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 48 En conclusión, no importa qué acción es la que induce el voltaje, ya que este se genera debido al movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético. Por ello es posible afirmar que toda variación en el flujo del campo magnético a través del área limitada por un circuito genera corriente eléctrica en él. Este fenómeno de inducir voltaje alternando el campo magnético en torno a un conductor se denomina inducción electromagnética. Las corrientes generadas por la inducción electromagnética se conocen como corrientes inducidas, como lo son las corrientes que se generan al momento de cerrar o abrir un circuito. Ley de Faraday Faraday, durante sus observaciones, estableció que cuánto más rápido cambia el flujo magnético, mayor es la corriente inducida en la bobina. En el momento de introducir o retirar el imán en la bobina, el galvanómetro registra una corriente en ella. Pero este valor del galvanómetro aumenta a medida que aumenta la rapidez en la introducción o el retiro del imán. La ley de inducción de Faraday enuncia que el valor de la fuerza electromotriz (fem) inducida en el conductor que limita la superficie atravesada por el flujo magnético depende de la rapidez de la variación del flujo magnético. Esta ley se expresa como: Donde es la variación del flujo magnético y es la variación del tiempo. Después de analizar esta consecuencia de los trabajos de Faraday, Maxwell imaginó que tal vez este fenómeno inverso fuera verdadero, es decir, que un campo eléctrico variable debería inducir un campo magnético. DEFINICIÓN: La fuerza electromotriz fem (e) inducida en un circuito es igual a la variación con respecto al tiempo (t) del flujo (F) que atraviesa dicho circuito. Estas experiencias se traducen en la ley de Faraday.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 49 Autoinducción Al variar la corriente que recorre un circuito, también lo hace el flujo magnético del propio circuito. Esta variación de flujo es la causa de una fem inducida en el circuito. Si la permeabilidad magnética es constante, la fem es proporcional a la variación de la intensidad de corriente en la unidad de tiempo. Donde L es una constante llamada coeficiente de autoinducción o simplemente autoinducción del circuito. Si hay un signo menos, indica que la fem asociada autoinducida se opone a la variación de la corriente que la produce. Si ε se expresa en V y el cociente Δi/Δt en A/s, L viene medida en henrios (H). La autoinducción de un circuito es de 1 H cuando se induce en él una fem de 1 V al variar la corriente que lo recorre a razón de 1 A/s. Inducción mutua Al variar la corriente que circula por el circuito primario de un acoplamiento, se induce una fem en el secundario, por el que pasa parte del flujo magnético del primario. La fem inducida en el secundario, ε2, es proporcional a la variación de corriente en el primario en la unidad de tiempo, Δi1/Δt. Donde M es una constante llamada coeficiente de autoinducción mutua o inducción mutua del sistema. Si ε se expresa en V y el cociente Δi/Δt en A/s, M viene medida en henrios (H).
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 50 Generadores y motores eléctricos Aunque las baterías y las pilas generan electricidad, estas presentan ciertas limitaciones, ya que no sirven para aparatos eléctricos con un gran consumo energético, como la mayor parte de los electrodomésticos. En este caso, es necesario implementar el uso de alternadores y dinamos, cuya estructura se encuentra formada por un imán fijo y una bobina que gira en el campo magnético creado por el imán. El alternador. Cuando la bobina se encuentra en reposo, no es posible generar corriente. Pero, a medida que la bobina gira, se origina una variación de campo magnético y se genera una corriente eléctrica que cambia periódicamente de sentido. La corriente eléctrica generada se envía al exterior a través de un colector conectado a la bobina y unido a dos escobillas o contactos de salida. El alternador es un generador de corriente alterna. Los generadores de las centrales eléctricas, por ejemplo, son alternadores.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 51 El dinamo. El funcionamiento de una dinamo es similar al del alternador. El colector está formado por un único anillo y, mediante un sistema mecánico sencillo, se consigue que los extremos de la bobina hagan contacto alternativamente con las escobillas, de tal manera que una sea siempre positiva y la otra, negativa. De este modo, la corriente alterna generada se transforma en corriente continua. Una de las aplicaciones más corrientes de la dinamo ha sido la de generar energía eléctrica para el funcionamiento de un automóvil. Sin embargo, su utilización disminuyó debido a que presentaba problemas al suministrar corriente cuando el motor estaba en pleno rendimiento. La producción de corriente alterna es muy sencilla; por tal razón es la más utilizada tanto a nivel doméstico como a nivel industrial. Su producción se encuentra relacionada con la variación en el flujo magnético que atraviesa un conductor, es decir, al giro a gran velocidad entre los polos de un electroimán (inductor) de una bobina (inducido) en un campo magnético. Al producirse el giro, el flujo magnético que el inductor genera sobre el inducido experimenta una variación continua, por lo cual se produce una corriente alterna en el inducido, que es transportada por medio de cables hasta los lugares donde posteriormente será utilizada. Cuando al inducido se le genera una velocidad angular (v) constante mientras está en el interior del inductor (se crea un campo magnético uniforme B), se induce una corriente debido a que el movimiento hace variar el flujo magnético sobre el inducido. La fuerza electromotriz inducida que se genera en cada espira cambia de manera sinusoidal y se expresa como: Como la función seno toma como máximo valor la unidad, εmáx es: Para el caso de que el inducido conste de N espiras iguales, el valor de la fem máxima generada por el inducido es: Si se unen los extremos del inducido a una resistencia R y consideramos despreciable la resistencia propia del inducido, circulará una corriente que en aplicación de la ley de Ohm es igual a: De acuerdo con el valor máximo del seno, entonces:
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 52 El transformador Al observar las indicaciones técnicas de muchos aparatos eléctricos utilizados a diario, es posible encontrar que se especifica el voltaje al cual puede someterse para que funcione, es decir, el voltaje que tiene el generador del circuito. Los aparatos eléctricos que se conectan a la red eléctrica reciben un voltaje residencial de 110 V suministrado por la compañía de energía eléctrica en nuestro país. Asimismo, ciertos aparatos que funcionan con un voltaje menor y una corriente continua, suministrada por las pilas, pueden conectarse a la red eléctrica y funcionar sin llegar a ocasionar algún daño en el aparato. Para tal efecto, emplean la ayuda de un elemento denominado transformador, que modifica y rectifica la corriente eléctrica. El transformador convierte la corriente de la red eléctrica en una corriente con menor diferencia de potencial y el rectificador convierte la corriente alterna en continua. Un transformador está compuesto de dos partes: el devanado primario (primera bobina) y el devanado secundario (segunda bobina), tal como se representa en la siguiente figura. Cuando circula corriente alterna por el primario, se induce una corriente alterna al secundario. Si el transformador es un reductor de voltaje, la cantidad de espiras en el primario será mayor que en el secundario, por lo cual la corriente inducida presentará un menor voltaje que el inicial. Pero si el transformador es un elevador de voltaje, el secundario tendrá mayor cantidad de espiras y, por tanto, un mayor voltaje. La relación entre el voltaje proporcionado por el generador a la bobina primaria (V1) y el voltaje obtenido de salida (V2) es: Según la ley de Faraday, la relación entre la fuerza electromotriz inducida y el número de espiras es: Si suponemos que la resistencia del conductor es despreciable y, por lo tanto, el efecto Joule no se percibe, seguramente la potencia suministrada a la bobina
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 53 primaria deberá ser igual a la potencia suministrada a la bobina secundaria. Como la potencia eléctrica es P 5 i ? V, obtenemos: Leyes del magnetismo A finales del siglo XVIII y durante el siglo XIX, los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron el quehacer diario de los físicos de la época. El uso del concepto de campo magnético y eléctrico solo se difundió cuando James Clerk Maxwell demostró que todos los fenómenos eléctricos y magnéticos podían describirse y sintetizarse en tan solo cuatro ecuaciones. La primera ecuación relaciona la carga y la distribución del campo magnético. Incluye la ley de Coulomb pero es más general, ya que abarca cargas en movimiento. Esta ecuación es la ley de Gauss, en la que el flujo eléctrico es igual a la carga neta encerrada en la superficie (Q) sobre la constante de permisividad en el espacio vacío (e0). La segunda ecuación es la aplicación de la ley de Gauss al campo magnético, lo que corrobora la inexistencia de monopolos magnéticos y establece que las distribuciones de fuentes magnéticas son siempre neutras en el sentido de que poseen un polo norte y un polo sur, por lo que su flujo a través de cualquier superficie cerrada es nulo. La tercera ecuación corresponde a la ley de Faraday, según la cual un campo eléctrico es producido por un campo magnético fluctuante. La cuarta ecuación es la ley de Faraday aplicada al campo magnético, que determina que un campo magnético es producido por un campo eléctrico fluctuante. A partir de las dos últimas ecuaciones, Maxwell concluyó que el resultado neto de estos dos campos variantes, eléctricos y magnéticos, es la producción de una onda electromagnética que se propaga por el espacio, y define de esta manera la composición electromagnética de luz. En general, las ondas electromagnéticas se originan en cargas eléctricas aceleradas y de acuerdo con su frecuencia pueden ser de radio, ultravioletas infrarrojas etc.
COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 54 BIBLIOGRAFÍA:  Armendaris Gavilanes, Gerardo. Resistencia y Circuitos eléctricos. Física y Química. Primera Edición. Quito – Ecuador: Maya ediciones. 2012. Impreso.  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México. Impreso.  Ball, David. Fisicoquímica. Cleveland State University. Estados Unidos. Cengage Learning. Impreso.
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  • 1. MÓDULO DE FÍSICA Y QUÍMICA SEGUNDO DE BACHILLERATO GENERAL UNIFICADO COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA ´´´CONTINENTAL´´ NOMBRE……………………………………………………………… CURSO………………………………………………………………… PARALELO…………………………………………………………… TUTOR…………………………………………………………………
  • 2. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página I Contenido Bloque 1 .......................................................................................................................1 Electricidad y magnetismo ............................................................................................1 Ficha Nº 1.....................................................................................................................1 Partículas inestable del átomo........................................................................................ Flujo de electrones: electricidad y magnetismo.............................................................1 Electricidad...................................................................................................................3 Naturaleza de la electricidad.........................................................................................3 ¿qué es el flujo eléctrico? .............................................................................................4 La corriente eléctrica.....................................................................................................5 Sentido de la corriente..................................................................................................5 Términos usados en electricidad...................................................................................6 Resistencia...................................................................................................................7 Ley de ohm...................................................................................................................8 Aclaraciones a la ley de ohm ........................................................................................8 Energía, calor y potencia eléctrica ................................................................................9 Transformación de una forma de energía en otra .......................................................12 Leyes de la energía ....................................................................................................13 Efecto joule.................................................................................................................14 Aplicaciones del efecto joule.......................................................................................15 Investigo 1 ..................................................................................................................17 Investigo 1 ..................................................................................................................17 Glosario 1 ...................................................................................................................18 Resumo 1 ...................................................................................................................19 Cuestionario 1.............................................................................................................20 Ficha Nº 2...................................................................................................................22 Resistencia eléctrica y circuitos eléctricos ..................................................................22 Resistividad de un material.........................................................................................23 Asociación de resistencias..........................................................................................24 Resistencias en serie..................................................................................................24 Resistencia equivalente..............................................................................................25 Resistencia en paralelo...............................................................................................25
  • 3. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página II Electrólisis ..................................................................................................................26 Proceso ......................................................................................................................26 Amperímetro, voltímetro y galvanómetro ....................................................................26 Investigo 2 ..................................................................................................................29 Glosario 2 ...................................................................................................................30 Resumo 2 ...................................................................................................................31 Cuestionario 2.............................................................................................................32 Ficha N°3....................................................................................................................34 Magnetismo ................................................................................................................34 Magnetismo natural: los imanes .................................................................................34 Magnetismo artificial: la imantación ............................................................................35 Líneas de campo magnético.......................................................................................36 Fuerza magnética sobre una carga eléctrica ..............................................................37 Fuerzas sobre corrientes ............................................................................................37 Acción de un campo magnético sobre un circuito .......................................................38 Fuentes de campos magnéticos .................................................................................38 El motor eléctrico........................................................................................................38 El campo magnético terrestre .....................................................................................39 Investigo 3 ..................................................................................................................41 Glosario 3 ...................................................................................................................42 Resumo 3 ...................................................................................................................43 Cuestionario 3.............................................................................................................44 Ficha Nº 4...................................................................................................................46 Inducción electromagnética ........................................................................................46 Los experimentos de faraday y henry .........................................................................46 Inducción electromagnética ........................................................................................47 Ley de faraday............................................................................................................48 Autoinducción .............................................................................................................49 Inducción mutua .........................................................................................................49 Generadores y motores eléctricos ..............................................................................50 el alternador................................................................................................................50 el dinamo...................................................................................................................51 El transformador .........................................................................................................52 Leyes del magnetismo................................................................................................53
  • 4. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página III Investigo 4 ..................................................................................................................55 Glosario 4 ...................................................................................................................56 Resumo 4 ...................................................................................................................57 Cuestionario 4.............................................................................................................58 Ficha N°5...................................................................................................................60 Corriente continua y corriente alterna .........................................................................60 Circuitos eléctricos......................................................................................................61 Energía en los circuitos...............................................................................................62 Potencia eléctrica .......................................................................................................63 Investigo 5 ..................................................................................................................67 Glosario 5 ...................................................................................................................68 Resumo 5 ...................................................................................................................69 Cuestionario 5.............................................................................................................70 Bloque 2 .....................................................................................................................72 Calor y temperatura ....................................................................................................72 Ficha Nº 6...................................................................................................................72 Calor y temperatura ....................................................................................................72 La medida de la temperatura ......................................................................................72 La medida del calor ....................................................................................................74 Calorimetría................................................................................................................75 Transmisión del calor..................................................................................................76 Conducción del calor ..................................................................................................76 Convección del calor...................................................................................................76 Radiación del calor .....................................................................................................77 Investigo 6 ..................................................................................................................79 Glosario 6 ...................................................................................................................80 Resumo 6 ...................................................................................................................81 Cuestionario 6.............................................................................................................82 Ficha Nº 7...................................................................................................................83 Dilatación de sólidos y líquidos ...................................................................................83 Dilatación en sólidos...................................................................................................83 Dilatación superficial...................................................................................................84 Dilatación volumétrica.................................................................................................84 Dilatación en líquidos..................................................................................................85
  • 5. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página IV Punto de fusión y punto de ebullición..........................................................................86 Cambios de fase.........................................................................................................86 Factores que afectan los cambios de fase..................................................................87 Investigo 7 ..................................................................................................................90 Glosario 7 ...................................................................................................................91 Resumo 7 ...................................................................................................................92 Cuestionario 7.............................................................................................................93 Ficha Nº 8...................................................................................................................94 Termodinámica...........................................................................................................94 Proceso adiabático .....................................................................................................95 Proceso isométrico .....................................................................................................96 La segunda ley de la termodinámica...........................................................................96 Las máquinas térmicas...............................................................................................97 La entropía .................................................................................................................99 Investigo 8 ................................................................................................................ 101 Glosario 8 ................................................................................................................. 102 Resumo 8 ................................................................................................................. 103 Cuestionario 8........................................................................................................... 104 Bloque 3 ................................................................................................................... 105 Los estados de la materia, propiedades y comportamiento ...................................... 105 Ficha Nº 9................................................................................................................. 105 Los estados físicos de la materia.............................................................................. 105 Fuerzas que actúan sobre las moléculas................................................................. 106 Estado gaseoso........................................................................................................ 106 Propiedades generales de los gases ........................................................................ 107 Teoría cinética molecular de los gases..................................................................... 107 Postulados de la teoría cinética molecular................................................................ 107 Medición de la presión de los gases ......................................................................... 108 Tipos de temperatura, el cero absoluto..................................................................... 109 Número de avogadro: masa atómica y molecular, mol.............................................. 110 Número de avogadro ................................................................................................ 111 Cálculo del número de avogadro ............................................................................. 111 Investigo 9 ................................................................................................................ 113 Glosario 9 ................................................................................................................. 114
  • 6. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página V Resumo 9 ................................................................................................................. 115 Cuestionario 9........................................................................................................... 116 Ficha Nº 10............................................................................................................... 118 Leyes de los gases................................................................................................... 118 Ley de Boyle – Mariotte ............................................................................................ 118 Ley de charles (i parte) ............................................................................................. 119 Ley de charles (ii parte) ............................................................................................ 120 Ley de gay lussac..................................................................................................... 121 Ley combinada ......................................................................................................... 122 Masa atómica (a)...................................................................................................... 123 Masa molecular (ma) ................................................................................................ 123 Número de avogadro ................................................................................................ 124 Ley de avogadro. Volumen molar ............................................................................. 126 Investigo 10 .............................................................................................................. 128 Glosario 10 ............................................................................................................... 129 Resumo 10 ............................................................................................................... 130 Cuestionario 10......................................................................................................... 131 Ficha Nº 11............................................................................................................... 133 Ecuación general de estado...................................................................................... 133 Cálculo de la masa molecular en función de la densidad.......................................... 135 Ley de las presiones parciales de dalton .................................................................. 136 Investigo 11 .............................................................................................................. 138 Glosario 11 ............................................................................................................... 139 Resumo 11 ............................................................................................................... 140 Cuestionario 11......................................................................................................... 141 Ficha Nº 12............................................................................................................... 143 Gases reales ............................................................................................................ 143 Ecuación de van der walls para un gas real:............................................................. 144 Aumento del porcentaje de co2 en la atmósfera....................................................... 145 Contaminación.......................................................................................................... 146 Investigo 12 .............................................................................................................. 148 Glosario 12 ............................................................................................................... 149 Resumo 12 ............................................................................................................... 150 Cuestionario 12......................................................................................................... 151
  • 7. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página VI Ficha Nº 13............................................................................................................... 152 Soluciones................................................................................................................ 152 Características de las soluciones (o disoluciones): ................................................... 153 Clasificación de las soluciones ................................................................................. 153 Modo de expresar las concentraciones..................................................................... 154 Unidades físicas de concentración............................................................................ 154 Unidades químicas de concentración ....................................................................... 156 Molalidad: ................................................................................................................ 159 Investigo 13 .............................................................................................................. 161 Glosario 13 ............................................................................................................... 162 Resumo 13 ............................................................................................................... 163 Cuestionario 13......................................................................................................... 164 Bloque 4 ................................................................................................................... 166 Acidos, bases y sales ............................................................................................... 166 Ficha Nº 14............................................................................................................... 166 Ácidos y bases........................................................................................................ 166 1. Concepto de swante arrhenius.............................................................................. 166 2. Concepto de bronsted – lowry............................................................................... 167 3. Concepto de gilbert lewis...................................................................................... 168 Propiedades de los ácidos y bases.......................................................................... 168 Escala de ph............................................................................................................. 169 Indicadores del ph .................................................................................................... 169 Investigo 14 .............................................................................................................. 172 Glosario 14 ............................................................................................................... 173 Resumo 14 ............................................................................................................... 174 Cuestionario 14......................................................................................................... 175 Ficha Nº 15............................................................................................................... 177 Las sales .................................................................................................................. 177 Hidróxidos:................................................................................................................ 178 Investigo 15 .............................................................................................................. 180 Glosario 15 ............................................................................................................... 181 Resumo 15 ............................................................................................................... 182 Cuestionario 15......................................................................................................... 183 Ficha Nº 16............................................................................................................... 185
  • 8. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página VII Electrolitos y no electrolitos...................................................................................... 185 Electrolitos................................................................................................................ 185 Electrolitos fuertes .................................................................................................... 186 Electrolitos débiles:.................................................................................................. 186 Manera de comprobar si una sustancia es un electrolito o no electrolito................... 187 No electrolitos........................................................................................................... 187 Electrolitos en el cuerpo humano.............................................................................. 188 Investigo 16 .............................................................................................................. 190 Glosario 16 ............................................................................................................... 191 Resumo 16 ............................................................................................................... 192 Cuestionario 16......................................................................................................... 193 Ficha Nº 17............................................................................................................... 194 Equilibrio químico ..................................................................................................... 194 Velocidad de reacción............................................................................................... 195 Mecanismos de una reacción química ...................................................................... 195 Teoría de los choques o colisiones........................................................................... 195 Principio de le chatelier............................................................................................. 196 Factores que modifican la velocidad de reacción y equilibrio químico....................... 196 Catalizadores............................................................................................................ 198 Investigo 17 .............................................................................................................. 199 Glosario 17 ............................................................................................................... 200 Resumo 17 ............................................................................................................... 201 Cuestionario 17......................................................................................................... 202 Bloque 5 ................................................................................................................... 204 Equilibrio químico y velocidad de reacción................................................................ 204 Ficha Nº 18............................................................................................................... 204 Constante de equilibrio ............................................................................................. 204 Ionización del agua................................................................................................... 205 Soluciones amortiguadoras....................................................................................... 205 Importancia del uso de las soluciones amortiguadoras............................................. 206 Investigo 18 .............................................................................................................. 208 Glosario 18 ............................................................................................................... 209 Resumo 18 ............................................................................................................... 210 Cuestionario 18......................................................................................................... 211
  • 9. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página VIII Bloque 6 ................................................................................................................... 213 Proceso de transferencia de electrones.................................................................... 213 Ficha Nº 19............................................................................................................... 213 Oxidación – reducción .............................................................................................. 213 Número de oxidación................................................................................................ 216 Igualación de ecuaciones químicas .......................................................................... 219 Investigo 19 .............................................................................................................. 223 Glosario 19 ............................................................................................................... 224 Resumo 19 ............................................................................................................... 225 Cuestionario 19......................................................................................................... 226 Ficha Nº 20............................................................................................................... 228 Propiedades de los metales...................................................................................... 229 Propiedades físicas .................................................................................................. 229 Propiedades químicas .............................................................................................. 230 Celda electroquímica ................................................................................................ 231 Celdas galvánicas..................................................................................................... 231 Investigo 20 .............................................................................................................. 233 Glosario 20 ............................................................................................................... 234 Resumo 20 ............................................................................................................... 235 Cuestionario 20......................................................................................................... 236
  • 10. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 1 Bloque 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA Nº 1 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán. Flujo de electrones: electricidad y magnetismo Átomo: es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. PARTÍCULAS INESTABLE DEL ÁTOMO POSITRÓN: partícula elemental, antipartícula del electrón. Posee la misma cantidad de masa y carga eléctrica; sin embargo, esta es positiva. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria. NEUTRINO: Partículas sin masa eléctricamente neutras, que responden a la fuerza nuclear débil pero no a la fuerza nuclear fuerte ni a las fuerzas electromagnéticas. DIPROTÓN: es un hipotético tipo de núcleo de helio consistente en dos protones y sin neutrones. Los diprotones no son estables. PARTÍCULA ALFA: Las partículas (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente.
  • 11. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 2 Partículas presentes en el átomo: 1. Partículas estables: protón – electrón – neutrón. 2. Partículas inestables: positrón – neutrino – diprotón – partícula alfa – muón pión – quartz, etc. Partes del átomo: 1. Núcleo: sitio en el cual se alojan los protones y neutrones. En este se encuentra toda la masa del átomo. 2. Nube, corona o envoltura: es donde se encuentran los electrones en permanente dinamia con sus dos movimientos. - De traslación: alrededor del núcleo. - De rotación: sobre su propio eje. Para el tema que vamos a tratar, son los electrones los que juegan un papel muy importante, por lo que recordamos que los mismos en el átomo se encuentran ubicados en los llamados niveles cuánticos, que son siete, señalados con los números 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Antiguamente fueron conocidos como capas u órbitas que se identificaban con las letras K, L, M, N, O, P, Q. Existen los llamados subniveles u orbitales, indicados mediante las letras S, Px, Py, Pz. Así los electrones se disponen en los niveles de acuerdo a la fórmula 2N2. Carga del electrón: tiene carga negativa, esto se comprobó en el experimento realizado por Crookes en los llamados tubos de vació, donde los electrones o rayos catódicos fueron desviados en su trayectoria por los polos de un imán de acuerdo al principio de que “cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de diferente signo se atraen”.
  • 12. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 3 Energía del electrón: Tomando en cuenta que el núcleo del átomo se encuentra cargado positivamente, este ejerce atracción sobre los electrones, por tanto al suprimir electrones que se mueven en el nivel uno, estos tienen menor energía que los que están en el nivel siete debido a la mayor distancia que existe entre este nivel y el núcleo. Los electrones que se sitúan en el último nivel de cada átomo se denominan electrones de valencia, de gran interés en los enlaces de los átomos para formar las moléculas. ELECTRICIDAD Constituye una forma especial de transmisión de energía, caracterizada por el transporte de materia mediante el movimiento de electrones del último nivel cuántico. Naturaleza de la electricidad Electricidad viene de la palabra electrón, que significa ámbar, esta es una sustancia resinosa y gomosa, la misma que presenta una propiedad muy interesante que consiste en poder atravesar cuerpos livianos cuando son frotados en un pedazo de cuero o fragmento de piel de conejo. Ejemplos:  Frotar una regla de plástico con un pedazo de seda. La regla adquiere la carga eléctrica negativa y es capaz de atraer pedacitos de papel. Masa del electrón: 6,109 x 10-23 gramos. Masa atómica del electrón: 0,0005486 UMA.
  • 13. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 4  Frotar una peinilla seca en el cabello, adquiere la carga negativa y, también, puede atraer pedacitos de papel.  Los automóviles en movimiento adquieren electricidad por el rozamiento con el aire. ¿Qué es el flujo eléctrico? En la antigüedad cuando la ciencia se mezclaba con el misterio, los autores Du Fay y Franklin manifestaban que “todo cuerpo tenía fluido que no se puede ver” y que “no tiene masa”, pero sí tenía carga eléctrica, y que se podían transmitir o pasar de un cuerpo a otro. Posteriormente a este fluido se lo llamó electrones. De acuerdo a la cantidad de fluido que contenía un cuerpo existían tres clases de cuerpos, así: 1. Cuerpos positivos: aquellos que cuando son frotados adquieren carga positiva porque pierden fluido. 2. Cuerpos negativos: aquellos que adquieren carga negativa ganando fluido. 3. Cuerpos neutros: aquellos que mantienen constante fluido. De aquí se deduce la LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA, que dice “la carga eléctrica ni se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro”. Esto significa que la cantidad de fluido permanece constante. Por lo tanto, la electrización consiste en la transferencia de carga eléctrica entre dos cuerpos que se frotan y se produce el paso de electrones de un cuerpo a otro.
  • 14. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 5 LA CORRIENTE ELÉCTRICA Consideremos dos cuerpos metálicos: el uno tiene un exceso de electrones libres, por lo mismo tiene carga negativa; el otro, en cambio, tiene deficiencia de electrones, por lo que tiene carga positiva. Si se unen los dos cuerpos mediante un conductor, habrá un desplazamiento de electrones del que tiene exceso de electrones al que no lo tiene, hasta establecer un equilibrio. Sentido de la corriente Existen dos sentidos de desplazamiento de los electrones: 1. Sentido real: es el que se desplaza del polo negativo al polo positivo, esto es, del que tiene un mayor número de electrones libres al de menor número. Este sentido se usa en electricidad. 2. El sentido convencional: es contrario al anterior: va del polo positivo al negativo. Cabe señalar que en los metales, los electrones de los últimos niveles no permanecen unidos a los átomos, no están en los niveles. Por ello reciben el nombre de
  • 15. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 6 electrones libres. Son los metales los que se caracterizan por tener electrones libres, que pueden ser desplazados fácilmente. De allí que existen metales de primera clase que tienen muchos electrones libres como la plata, el platino; metales de segunda y tercera clase que tienen pocos electrones libres como el plomo, el estaño. Términos usados en electricidad Diferencia de potencial, de voltaje o de tensión (V): es el desnivel eléctrico que existe entre dos puntos determinados en un circuito. La unidad es el voltio. Cantidad de electricidad (Q): constituye la cantidad total de electrones que circula por un alambre o conductor en un circuito eléctrico. La unidad es el Culombio = 6.3 x 1018e-. Intensidad (I): es la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en un segundo. La unidad es el Amperio (A). Esta, está relacionada con la cantidad de corriente y el tiempo. De allí se obtiene la fórmula: Todas las sustancias que poseen electrones libres como los metales, permiten el desplazamiento de cargas eléctricas a través de ellos. Por eso se llaman “conductores de la electricidad”. 𝑰 = 𝐐 𝐭 I = intensidad (en A). Q = cantidad de electricidad (en Q). t = tiempo (segundos).
  • 16. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 7 Resistencia (R): es la dificultad que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. La unidad es el Ohmio (Ω). No todos los cuerpos tiene el mismo valor de resistencia; al contrario, esta depende de su constitución atómica. Por ejemplo, si se combinan dos circuitos en los que se intercala dos láminas metálicas (resistencias) una de plomo y otra de cobre, se observa que la lámina de plomo presenta mayor resistencia que la lámina de cobre. Esto significa que los electrones que vienen del generador al llegar a la lámina de plomo, muestran enorme resistencia y salen de la lámina muy pocos electrones. Lo contrario sucede cuando en el circuito se interpone una lámina de cobre: los electrones encuentran muy poca resistencia y circulan con facilidad, salen de la lámina con el mismo número de electrones de los que entran. Luego, los metales presentan diferentes resistencias al paso de electrones. El metal plomo es un mal conductor de los electrones por eso se usa más bien como fusible, en cambio el cobre es buen conductor.
  • 17. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 8 LEY DE OHM Establecida por el físico alemán George Simón Ohm, que dice: Amperio: es la intensidad de la corriente que circula por la resistencia de un ohmio, cuando el voltaje es de un voltio. Ohmio: es la resistencia que presenta un conductor cuando por él circula una corriente de un amperio con un voltio de potencia. Voltio: es la fuerza electromotriz necesaria para que por la resistencia de un ohmio circule un amperio de intensidad. Aclaraciones a la ley de Ohm Por lo explicado en líneas anteriores se tiene que un circuito consta de: a. Un generador o batería. b. Una resistencia. c. Un amperímetro que marca la circulación de la corriente de cierta intensidad a través de una resistencia. Conclusión: si la resistencia permanece constante, la intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje. Aumenta la intensidad cuando aumenta el voltaje. En un circuito eléctrico, la intensidad de la corriente que recorre, es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia.
  • 18. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 9 ENERGÍA, CALOR Y POTENCIA ELÉCTRICA Se dice que un cuerpo posee energía cuando es capaz de realizar un trabajo, como puede demostrarse con los siguientes ejemplos: 1. Una persona amante del deporte acuático rema una canoa, pero para mover la embarcación tiene que gastar energía y así realiza el trabajo de poner en movimiento la canoa. 2. Un levantador de pesas, para levantar las pesas de 100 kilos pone en acción su energía, está realizando un trabajo. La energía le proporciona los alimentos que ingiere diariamente. 3. El vapor de agua realiza un trabajo al mover una turbina gracias a la energía que posee. Estos ejemplos permiten señalar que: entre trabajo y energía existe una relación importante. De acuerdo a la actividad, se distinguen dos clases de energía: 1. Energía cinética o de movimiento: es aquella que tiene un cuerpo o un sistema en movimiento para realizar un trabajo, por ejemplo, un torrencial aguacero, un viento fuerte, un carro en movimiento, un toro en el tentadero, cuando se lanza una piedra, cuando navega un barco. Energía es la capacidad para realizar un trabajo.
  • 19. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 10 Un cuerpo en movimiento tiene energía cinética y por lo tanto puede realizar un trabajo. 2. Energía potencial de reposo, gravitacional o de posición: es aquella energía almacenada que tiene un cuerpo en relación con la posición en la que se encuentra o a su composición química. Por ejemplo el agua estancada en una represa, el agua que se encuentra en una cisterna en el décimo piso, una teja que está en el techo y un martillo levantado tienen energía potencial puesto que están en capacidad de realizar un trabajo. De acuerdo a los ejemplos citados el trabajo consiste en mover turbinas, clavar un clavo, desplazarse un cuerpo. La dinamita, la gasolina y una batería tienen energía potencial debido a la composición química. Otros tipos de energía son: Energía radiante: se presenta en forma de ondas que pueden ser luminosas y visibles a simple vista como la luz solar, la luz de un foco. También pueden ser
  • 20. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 11 invisibles como la energía de los rayos ultravioletas, rayos X. Energía térmica o calórica: es aquella que está relacionada con la temperatura de un cuerpo. Por ejemplo, la energía que produce una cocina de gas que calienta y hierven los líquidos. Energía nuclear: es aquella que por efecto de ruptura o fusión de átomos se libera en forma extraordinaria. Actualmente es motivo de estudio para el provecho de la humanidad, sobre todo si se toma en consideración que los yacimientos de petróleo del mundo se agotarán en poquísimo tiempo.
  • 21. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 12 Transformación de una forma de energía en otra Es posible que una forma de energía se transforme en otras. Por ejemplo, en una central eléctrica se tiene una serie de formas de energía, iniciándose desde la potencial que es la posición del agua en lo alto del reservorio, esta desciende por los tubos transformándose en cinética, el agua mueve las turbinas y se transforma en eléctrica y ésta puede convertirse en luz, en térmica en los reverberos y en mecánica cuando mueve los motores.
  • 22. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 13 Otros ejemplos de transformaciones de energía se pueden apreciar en la siguiente lista.  Luz solar.  Fotosíntesis.  Quemar leña.  Producción de vapor.  Mover un generador.  Encender un foco.  Mover una máquina de coser. (energía lumínica) (energía química) (energía calórica) (energía calórica) (energía eléctrica) (energía lumínica) (energía mecánica) LEYES DE LA ENERGÍA Al aplicar la ecuación de Einstein se comprueba que si un kilogramo de masa se transforma en energía, se produce tanto calor, que se puede elevar la temperatura de 215 000 000 kilogramos de agua, en unos 100 grados centígrados. Ley de la conservación de la energía: “La energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma” Albert Einstein en 1905 manifestó que la materia y la energía están en íntima relación, lo que está demostrado en la ecuación: E = mc2 . E = cantidad de energía (expresada en julios) m = cantidad de materia (expresada en kg) c = velocidad de la luz al cuadrado (300 000 km/s)
  • 23. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 14 Por lo tanto, la materia se puede convertir en energía y la energía en materia, pero el total de la masa y la energía del universo es constante. La materia y energía son dos formas diferentes en una misma cosa. Potencia eléctrica de un circuito En el gráfico se demuestra que “cuando la cargas eléctricas pasan de un punto a otro, esto es, del punto, pierden energía eléctrica”, la misma que se transforma en otro tipo de energía como lumínica, calórica, una radio, TV, plancha, aspiradora, afeitadora, etc. Del gráfico se aprende también, que si el circuito estaría formado por el alambre que une la salida y la entrada de la corriente a la batería, la intensidad no variaría, y la potencia sería la misma. Pero si se interrumpe el tránsito de la corriente intercalando unas resistencias representadas por un foco, una radio, un televisor, una plancha, entre los puntos A, B del circuito indicando, es lógico pensar y comprobar que la intensidad o potencia va a disminuir, pues existirá una diferencia entre los puntos A y B. Habrá más energía, más potencia en el punto A y menor en el B. De manera que la energía perdida entre estos dos puntos se transformará en otro tipo de energía: lumínica, calórica, etc. Efecto joule Consiste en la transformación de la energía eléctrica en calor (energía térmica) mediante una resistencia que ha sido atravesada por una corriente eléctrica.
  • 24. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 15 Con el gráfico se demuestra que la energía eléctrica ha disminuido su valor porque las cargas al pasar del punto A al B se transforman en energía calórica, es decir en calor, que se pone en manifiesto porque la resistencia se pone al rojo y emite calor. La intensidad de la corriente disminuye. Un fenómeno similar se observa cuando se prende un reverbero eléctrico, una ducha eléctrica, un foco. Este efecto de transformación de la energía eléctrica en calor se llama efecto joule. Aplicaciones del efecto joule Principalmente se lo usa y aplica en el hogar para obtener calor y luz. Con los ejemplos ya citados de un foco, planta, TV, aspiradora, horno eléctrico, cocina eléctrica, ducha, queda explicado. En el caso particular de un foco común en su interior existe un alambre, resistencia o filamento hecho de un metal especial como tungsteno que se caracteriza porque se funde a alta temperatura y está en forma enrollada. Este filamento que se calienta obteniéndose la conversión de la energía eléctrica en calor y luz. El efecto Joule, también se usa en la fabricación e instalación de los llamados fusibles, que se emplean para limitar la corriente que circula a través de un circuito eléctrico. Están fabricados con metales o aleaciones que se funden a bajas temperaturas como el estaño y el plomo. Cuando la corriente normal circula por el fusible, este aguanta, no se funde; pero sí hay un aumento de voltaje, el fusible se funde (se hace líquido) por lo cual se desconecta el circuito evitando que los aparatos electrodomésticos se quemen o se produzca un corto circuito provocando incendios.
  • 25. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 16 Por lo expuesto, se ha demostrado que la energía eléctrica se transforma en calor y luego en luz. BIBLIOGRAFÍA:  ARMENDARIS, G., (2012). Armendaris 2: Física y Química, 2do Año de Bachillerato General Unificado. Ediciones Maya. Quito – Ecuador:  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México.
  • 26. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 17 FICHA Nº 1 LA ELECTRICIDAD INVESTIGO 1 INVESTIGO 1 Investigar sobre el Átomo, sus partes y las 3 teorías atómicas. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ NOMBRE: _________________________________ CURSO: ___________________________________ PARALELO _____________________________
  • 27. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 18 GLOSARIO 1 1. Defina los siguientes términos:  Electricidad: _________________________________________________________  Electrones libres: _________________________________________________________  Corriente eléctrica: _________________________________________________________  Resistencia: _________________________________________________________  Intensidad: _________________________________________________________ 2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la lección con su concepto:  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________
  • 28. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 19 RESUMO 1 Dibuje un circuito simple y explique su funcionamiento.
  • 29. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 20 CUESTIONARIO 1 1. ESCRIBA LA LETRA V O F SI CONSIDERA QUE LA RESPUESTA ES VERDADERA O FALSA: a) Cuando una peinilla sea se frota en el cabello, adquiere carga. ( ) b) Cuando se frotan dos cuerpos se produce paso de electrones. ( ) c) Una carga eléctrica se destruye. ( ) d) Cuando un cuerpo pierde electrones, se carga negativamente. ( ) e) En lo mismo decir tensión que voltaje. ( ) f) La intensidad de la corriente se mide en Culombios. ( ) g) La intensidad es directamente proporcional al voltaje. ( ) h) Los electrones libres se localizan en los niveles cuánticos ( ) i) Cuando los electrones se mueven el fenómeno se llama electricidad( ) j) El electrón tiene un solo movimiento ( )
  • 30. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 21 2. COLOQUE EN EL PARÉNTESIS LA LETRA QUE LE CORRESPONDE A CADA ENUNCIADO A. Luz solar, luz de un foco, rayos ultravioletas, rayos X. ( ) ENERGÍA POTENCIAL B. Bombas nucleares. ( ) ENERGÍA TÉRMICA C. Torrencial aguacero, viento fuerte, carro en movimiento. ( ) ENERGÍA RADIANTE D. Energía que produce una cocina de gas que calienta y hierve líquidos. ( ) ENERGÍA CINÉTICA E. Agua estancada en una represa, martillo levantado. ( ) ENERGÍA NUCLEAR Firma del Profesor Calificación Firma del Estudiante
  • 31. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 22 Bloque 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA Nº 2 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán. RESISTENCIA ELÉCTRICA Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS Las planchas, los focos y las hornillas de las cocinas eléctricas, así como algunos elementos de ciertos aparatos eléctricos, suelen ser llamados resistencias, debido a que presentan una tendencia a evitar que una corriente eléctrica fluya a través de ellos. Esta característica se conoce con el nombre de resistencia eléctrica (R). Cuando un voltaje (V) se aplica a los extremos de un conductor eléctrico, fluye en el conductor una corriente eléctrica, i. De esta manera, la resistencia del conductor se expresa como: Esta expresión permite demostrar que, a medida que aumenta la resistencia generada por el conductor, disminuye la intensidad de corriente que pasa por él. En el SI, la resistencia eléctrica se expresa en Ohmios (V), en memoria del físico alemán George S. Ohm.
  • 32. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 23 Resistividad de un material La resistencia de cualquier material con un área transversal uniforme depende de cuatro aspectos: longitud, área de la sección transversal, clase del material y temperatura. Si consideramos diferentes conductores, como los que se observan en la figura 10, es posible calcular que, cuando hay una mayor longitud, existe una gran probabilidad de choques entre las cargas, por lo cual se ofrece una mayor oposición al paso de la corriente y aumenta así la resistencia del material. Experimentalmente se encuentra que la resistencia, R, y la longitud, l, son dos magnitudes directamente proporcionales, es decir: Si la superficie transversal presenta una mayor área (figura 10b), existe un mayor flujo eléctrico, así como ocurre con el flujo de agua en un tubo de gran diámetro en comparación con uno más angosto. Si este flujo es mayor, la resistencia que ofrece el conductor es menor, por lo cual se presenta una relación inversamente proporcional: Sin embargo, también influye la resistividad eléctrica (r) propia de cada material. Por tanto, la resistencia eléctrica de un conductor queda definida por la expresión: Así, para cada material, la medida de la resistencia de un conductor de 1 m de largo y de 1 m2 de área se conoce como resistividad y se mide en ohmios por metro La resistividad de un material y, por tanto, la resistencia dependen de la temperatura, ya que al elevar la temperatura de
  • 33. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 24 un conductor aumenta la rapidez del movimiento aleatorio de las cargas; por ello, disminuye el orden de su arreglo, lo cual influye en el flujo de electrones. Asociación de resistencias En los circuitos eléctricos se utilizan conductores que se caracterizan por su resistencia. Estos conductores, utilizados para unir el resto de los elementos de un circuito, tienen una resistencia despreciable y solamente las llamadas resistencias eléctricas tienen un valor significativo de esta magnitud. En un circuito pueden usarse varias resistencias. En esta situación se define la resistencia equivalente (Req) de un conjunto de resistencias como el valor de una resistencia hipotética por la cual, al aplicarle la misma diferencia de po- tencial que al conjunto, circula la misma intensidad de corriente eléctrica que en el conjunto. En la siguiente figura se representa la resistencia equivalente para un conjunto de resistencias. Resistencias en serie Dos o más resistencias se encuentran asociadas en serie cuando están conectadas unas a continuación de otras, de tal forma que cada una de ellas es parte del circuito, como se observa en la figura 11. En este caso, todas las cargas que circulan por la primera resistencia pasan por la segunda y las que circulan por la segunda resistencia pasan por la tercera, y así sucesivamente. Por tanto, la intensidad de corriente que fluye por cada resistencia siempre es la misma, es decir:
  • 34. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 25 Resistencia Equivalente Resistencia en paralelo En el caso de las resistencias asociadas en paralelo, estas se encuentran unidas de sus extremos; es decir que cada una de ellas forma parte de una rama diferente que divide el circuito, tal como se observa en la figura 12. Como las resistencias no se encuentran distribuidas de la misma manera, las cargas que llegan al punto A se reparten: Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R1. Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R2. Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R3. DEFINICIÓN: La resistencia equivalente a varias resistencias asociadas en serie es igual a la suma de todas las resistencias conectadas.
  • 35. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 26 Por tanto, la intensidad de corriente «se divide» por cada una de las ramas. Como la carga eléctrica se conserva, el número de cargas que circulan por las tres ramas corresponde al número de carga que ingresó en el punto A y que posteriormente saldrá por el punto B, es decir: i = i1 + i2 + i3 Las cargas eléctricas no se reparten por las diferentes ramas de forma aleatoria; estas se desplazan hacia la rama del circuito en la cual la resistencia es menor. De esta manera, la intensidad es menor por la rama del circuito en la que la resistencia es mayor. Electrólisis La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación). Proceso  Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo.  Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).
  • 36. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 27 AMPERÍMETRO, GALVANÓMETRO , VOLTÍMETRO Y MULTÍMETRO AMPERÍMETRO: mide la intensidad de corriente que circula por una conexión. Este artefacto se conecta intercalado al inicio o al final de la conexión, de tal manera que la corriente pase a través de él. GALVANÓMETRO: es todo instrumento que puede indicar la presencia de corriente en una conexión. De acuerdo con su calibración, este instrumento puede medir intensidades de varios cientos de amperios; es decir, se pueden realizar mediciones en amperios, miliamperios o microamperios. VOLTÍMETRO: mide la diferencia de potencial o voltaje. Para medir el voltaje al que se encuentra conectado un foco, se conecta cada terminal del voltímetro del foco, sin intercalar el instrumento en la conexión. MULTÍMETRO: instrumentos de medida que permiten realizar medidas del voltaje o de la corriente de una conexión. Son muy habituales y se encuentran con mayor facilidad en el mercado que los amperímetros y voltímetros.
  • 37. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 28 BIBLIOGRAFÍA:  Armendaris Gavilanes, Gerardo. Resistencia y Circuitos eléctricos. Física y Química. Primera Edición. Quito – Ecuador: Maya ediciones. 2012. Pags. 22 – 24. Impreso.  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México. Impreso.  Ball, David. Fisicoquímica. Cleveland State University. Estados Unidos. Cengage Learning. Impreso.
  • 38. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 29 FICHA Nº 2 RESISTENCIAS Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS INVESTIGO 2 Investiga explica la utilidad que brindan las resistencias eléctricas: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ NOMBRE: _________________________________ CURSO: ____________PARALELO:______________ NOMBRE DEL TUTOR: ________________________ FECHA: ____________________________________
  • 39. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 30 GLOSARIO 2 1. Defina los siguientes términos:  Electrolito:_______________________________________________  Electrodo:________________________________________________  Voltaje:__________________________________________________  Resistencia eléctrica:______________________________________  Magnitud:________________________________________________ 2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la lección con su concepto:  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________
  • 40. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 31 RESUMO 2 Realice un resumen de los instrumentos de medición más utilizados en electricidad:
  • 41. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 32 CUESTIONARIO 2 1. SEÑALE LA RESPUESTA CORRECTA: I. La resistencia de cualquier material con un área transversal uniforme depende de: a. La longitud, área de la sección transversal, clase del material y temperatura. b. La masa, el peso y la densidad. c. Del área de la sección transversal, de la gravedad, del material por la que está constituido. II. La función de un generador eléctrico es: a) No suministrar energía a los electrones libres de un conductor. b) Suministrar energía a los protones y neutrones de un conductor, de tal modo que pueda recorrer la conexión eléctrica. c) Suministrar energía a los electrones libres de un conductor, de tal modo que pueda recorrer la conexión eléctrica. III. Resistencia equivalente de un conjunto de resistencias es: a) El inverso de la resistencia equivalente de varias resistencias asociadas en paralelo es igual a la suma de los inversos de las resistencias que se asocien. b) El valor de una resistencia hipotética por la cual, al aplicarle la misma diferencia de potencial que al conjunto, circula la misma intensidad de corriente eléctrica que en el conjunto. c) No se crea ni se destruye, únicamente se transforma. 2. ESCRIBA VERDADERO (V) O FALSO (F) SEGÚN CORRESPONDA: a) La resistencia tiene como unidad el Ohm. ( ) b) La resistencia eléctrica ayuda a conducir la corriente eléctrica. ( ) c) La resistividad depende de la clase o tipo de material ( ) d) las resistencias en serie se encuentran unidos de sus extremos o rama diferentes. ( ) e) La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. ( )
  • 42. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 33 3. COLOQUE EN EL PARÉNTESIS LA LETRA QUE LE CORRESPONDA. A. Amperímetro Indica la presencia de corriente en una reacción B. Voltímetro Mide la intensidad de corriente C. Galvanómetro Mide el voltaje Firma del Profesor Calificación Firma del Estudiante
  • 43. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 34 BLOQUE 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA 3 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán. Analizar circuitos magnéticos con la descripción inicial de los instrumentos de medición más utilizados en este campo, como los galvanómetros, amperímetros y voltímetros MAGNETISMO Magnetismo natural: Los imanes Los fenómenos magnéticos, como los eléctricos, se conocen desde la Antigüedad; sin embargo, pudieron explicarse recién en el siglo XIX. No se sabe en qué momento se percibió por primera vez la existencia de los fenómenos magnéticos, aunque existe una referencia de hace 2 000 años sobre ciertas piedras que atraían metales. El nombre magnetismo proviene de Magnesia, una ciudad de la antigua Grecia en la que abundaba un mineral con propiedades magnéticas, que en la actualidad se conoce con el nombre de magnetita. Un imán natural es un mineral metálico que tiene la propiedad de atraer a otros metales. Se encuentra formado por elementos como el hierro, el cobalto y el níquel.
  • 44. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 35 Todo imán tiene dos polos magnéticos, el polo norte y el polo sur, cuya interacción produce dos tipos de fuerza: fuerzas de repulsión y fuerzas de atracción. Las fuerzas de repulsión se producen al interactuar polos del mismo tipo (sur y sur o norte y norte). Las fuerzas de atracción se generan cuando interactúan polos de distinto tipo (sur y norte). En la siguiente figura se puede observar el comportamiento de los polos del imán. Este arreglo de las limaduras permite demostrar la semejanza entre las líneas de fuerza de un dipolo eléctrico y el comportamiento de cargas eléctricas con los polos de un imán. Una gran diferencia entre ellos es que se puede obtener un solo tipo de carga aislada, positiva o negativa, pero jamás se podrá obtener un solo polo; es decir, no existen los monopolos magnéticos. La comparación con las cargas eléctricas puede extenderse a la intensidad de la fuerza y su dependencia con la distancia: la fuerza de repulsión o atracción entre dos polos magnéticos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre ellos. Magnetismo artificial: La imantación En la exploración magnética, no todos los materiales son atraídos por un imán. Esta atracción suele presentarse con mayor fuerza en el hierro, el níquel y el cobalto, por lo cual a estos materiales se los conoce con el nombre de ferromagnéticos, palabra proveniente del latín ferrum, que significa ‘hierro’. Asimismo, existen otros materiales, denominados diamagnéticos, como el plástico, la madera, el aluminio, el plomo y el cobre, en los cuales la atracción magnética no es significativa.
  • 45. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 36 Pero ¿qué tienen en especial los materiales ferromagnéticos para ser atraídos fuertemente por un imán? Las propiedades magnéticas están relacionadas con su estructura atómica. El movimiento de los electrones permite que cada átomo se comporte como un imán; de esta manera, todos los átomos se alinean paralelamente entre sí distribuyéndose en grupos con la misma orientación, denominados dominios magnéticos. Los objetos de material ferromagnético pueden transformarse en imanes bajo un proceso denominado imantación, el cual consiste en dejar durante cierto tiempo el material en contacto con un imán y, así, producir un imán artificial. Esta imantación puede ser temporal o permanente. Líneas de campo magnético Hemos mencionado que la fuerza con la cual se atraen o se repelen dos imanes disminuye al aumentar la distancia entre ellos, y que lo mismo sucede con la fuerza que un imán ejerce sobre un objeto de material ferromagnético. Sin embargo, si el imán y el objeto se encuentran a una distancia relativamente grande, el objeto no experimenta ningún tipo de atracción. En este caso, se dice que el objeto está fuera del campo magnético generado por el imán. La intensidad del campo magnético se mide en una unidad llamada tesla (T), en honor de Nikola Tesla, científico que realizó trabajos relacionados con la electricidad y el magnetismo. También realizó una experiencia en la cual suele emplearse otra unidad, denominada gauss (G). Para poder visualizar el campo magnético, Michael Faraday (1791-1887) esparció limaduras de hierro sobre un papel ubicado encima de un imán. Faraday observó que las limaduras se situaban en líneas cerradas, es decir, líneas que parten de un polo del imán y que llegan al otro polo, y determinó que dichas líneas no se cortaban. En un imán, estas líneas se denominan líneas de campo y, por convenio, se dice que salen del polo norte e ingresan al polo sur. Estas líneas de campo presentan ciertas características. En el exterior del imán, cada línea se orienta desde el polo norte al polo sur. Las líneas son cerradas, es decir, no se interrumpen en Definición: Se denomina campo magnético (B) a la región del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnéticas producidas por el imán.
  • 46. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 37 la superficie del imán. El vector de campo magnético en cada punto del espacio es tangente a la línea de campo que pasa por ese punto. La cantidad de líneas por unidad de área en la vecindad de un punto es proporcional a la intensidad del campo en dicho punto. Las líneas nunca se intersecan ni se cruzan en ningún punto del espacio. Fuerza magnética sobre una carga eléctrica Cuando una carga eléctrica se encuentra en un campo magnético y se desplaza dentro de él, experimenta una fuerza debida a la acción del campo. Esta fuerza magnética que experimenta una carga cuando se encuentra en un campo magnético es: Directamente proporcional al valor de la carga q: cuanto mayor sea esta, mayor será la fuerza que actuará sobre la carga. Directamente proporcional a la velocidad v de la carga, de tal forma que, si la carga está en reposo, el campo no actúa sobre ella. Directamente proporcional al valor del campo magnético en el cual se encuentra inmersa la carga. Directamente proporcional al seno del ángulo a que se forma entre la dirección del campo magnético y la dirección de la velocidad. Si el ángulo es de 0° o de 180°, el campo no actúa sobre la carga, solo actúa sobre la componente perpendicular de la velocidad con relación a la dirección del campo magnético. Fuerzas sobre corrientes El campo magnético formado por el enfrentamiento de los polos de un imán de herradura se considera un campo magnético constante. Si colocamos en este campo B un alambre por el cual circula una corriente i, este experimenta una fuerza magnética perpendicular al plano que forman el campo magnético y el alambre. Para hallar la expresión de esta fuerza, consideremos que el conductor por el cual fluye corriente es de longitud l, y que las cargas lo recorren en un tiempo t. Por lo ello, su velocidad es: Definición de velocidad: Al reemplazar l en la ecuación de fuerza magnética: Definición de corriente eléctrica:
  • 47. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 38 Por tanto, la fuerza magnética que experimenta un conductor por el cual fluye corriente eléctrica y se encuentra en un campo magnético B es: La dirección se obtiene con la regla de la mano derecha, haciendo coincidir la dirección convencional de la corriente con la del pulgar, los demás dedos con la dirección del campo magnético y la palma de la mano con la dirección de la fuerza. Acción de un campo magnético sobre un circuito Un circuito rectangular como el que se muestra en la siguiente figura consiste en un conductor, denominado espira, que puede girar libremente alrededor del eje e, si se encuentra en el campo magnético generado por los dos imanes. La corriente que fluye desde A hasta D genera una fuerza magnética perpendicular al plano y que sobresale de él. Por otra parte, la corriente que fluye de D a C no genera fuerza y la corriente que fluye desde C hasta B provoca una fuerza perpendicular al plano e ingresa en él. Por tanto, las fuerzas forman una dupla y generan un giro alrededor de e en sentido positivo. Fuentes de campos magnéticos El motor eléctrico Una de las aplicaciones más útiles de la fuerza experimentada por un conductor eléctrico en presencia de un campo magnético perpendicular a él es el motor eléctrico. El funcionamiento del motor eléctrico se basa en la rotación de una serie de espiras conductoras por las cuales circula una corriente, cuando se encuentran al interior del campo magnético creado por un imán. Un
  • 48. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 39 motor necesita de una fuente de poder, que puede ser una pila, la cual produce una corriente que siempre tiene el mismo sentido. Una variación de este tipo de motor es aquel en el que el movimiento rotatorio de la espira se produce a través de una fuerza externa. En este caso se genera una corriente de intensidad variable, pero cuyo sentido siempre es el mismo. En la figura de la izquierda se representa un motor eléctrico. Al pasar la corriente por la espira, como esta se encuentra ubicada en un campo magnético (el creado por los imanes fijos), comienza a girar y produce así su movimiento a partir de dicha corriente eléctrica. El campo magnético terrestre La primera aplicación práctica del magnetismo la constituyó un imán empleado en la navegación. Las referencias de la utilización de imanes en la navegación marítima se remontan al siglo XII, cuando se observó que uno de los polos de un imán se orientaba siempre hacia el norte geográfico. Por tal razón, a partir de allí se comenzó a emplear imanes para la orientación geográfica. El físico y médico inglés William Gilbert, basándose en sus estudios de magnetismo, fue la primera persona en sugerir que la Tierra actuaba como un gran imán cuyo campo terrestre es tal que las líneas de campo salen aproximadamente del polo sur y circundan la Tierra siguiendo los meridianos hasta entrar por el polo norte. Por esta razón es que una brújula señala aproximadamente el norte, debido a la acción del campo magnético terrestre. Un fenómeno sorprendente que ocurre en el campo magnético de la Tierra es que sus polos magnéticos se han invertido varias veces durante el transcurso de la existencia del planeta. Este fenómeno de inversión de los polos se ha presentado a intervalos de miles de años. En la actualidad, el polo norte magnético se encuentra próximo al polo sur geográfico y el polo sur magnético se ubica cerca al polo norte geográfico.
  • 49. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 40 Una de las propiedades que permite orientarse a las aves migratorias es la capacidad que tienen para detectar la intensidad y la dirección del campo magnético terrestre Dicha capacidad se explicaría por dos mecanismos complementarios. Uno está relacionado con la acción de la luz. Las moléculas de rodopsina que se encuentran en las células de la retina del ojo absorben fotones y se convierten en pequeños imanes transitorios, alineándose en la dirección del campo. Este mecanismo se complementaría con el efecto producido por los cristales de magnetita presentes en el cráneo de las aves. BIBLIOGRAFÍA:  Armendaris Gavilanes, Gerardo. Resistencia y Circuitos eléctricos. Física y Química. Primera Edición. Quito – Ecuador: Maya ediciones. 2012. Impreso.  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México. Impreso.  Ball, David. Fisicoquímica. Cleveland State University. Estados Unidos. Cengage Learning. Impreso.
  • 50. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 41 FICHA Nº 3 MAGNETISMO INVESTIGO 3 Realizar una investigación sobre las consecuencias del debilitamiento del campo magnético terrestre. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ NOMBRE: _________________________________ CURSO: ____________PARALELO:______________ NOMBRE DEL TUTOR: ________________________ FECHA: ____________________________________
  • 51. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 42 GLOSARIO 3 1. Defina los siguientes términos:  Magnetismo:______________________________________________  Imán natural_______________________________________________  Imantación:_______________________________________________  Campo magnético: _________________________________________  Solenoide:________________________________________________ 2. Escriba cinco palabras no asimiladas en la lección con su concepto:  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________  __________________________________________________________
  • 52. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 43 RESUMO 3 Con sus propias palabras realice un resumen de los aspectos más importantes contenidos en la ficha, para ello puede utilizar un mapa conceptual, cuadro sinóptico ó un escrito:
  • 53. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 44 CUESTIONARIO 3 1. SEÑALE LA RESPUESTA CORRECTA:  Todo imán tiene dos polos magnéticos, estos son: a) Polo este y polo oeste. b) Polo este y polo norte. c) Polo norte y polo sur. d) Polo oeste y polo sur.  El electroimán es: a) La región del espacio en la cual se manifiestan las fuerzas magnéticas producidas por el imán. b) Una bobina larga cuyo núcleo se encuentra formado de hierro y produce un campo magnético cuando pasa cierta corriente por las espiras de la bobina. c) Se encarga de transformar en sonido las señales eléctricas que llegan al amplificador de un equipo de sonido.  El plástico, la madera y el aluminio son materiales : a) Magnéticos b) Diamagnéticos c) Imanes 2. COMPLETE CON LA PALABRA CORRECTA: a) Los polos opuestos se…………………………….. y los polos iguales se……........ b) Los imanes poseen dos polos, el polo…………….. y polo………….. 3. ESCRIBA VERDADERO (V) O FALSO (F) SEGÚN CORRESPONDA. a) La magnetita es un material con propiedades electromagnéticas ( ) b) Todo imán tiene dos polos opuestos ( ) c) el campo magnético está formado por fuerzas electromagnéticas ( ) d) Los polos de la Tierra se han invertido varias veces ( )
  • 54. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 45 Firma del Profesor Calificación Firma del Estudiante
  • 55. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 46 BLOQUE 1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO FICHA Nº 4 Objetivo del bloque: Distinguir componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de medida de un circuito eléctrico y de un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico. Destreza con criterio de desempeño: Interpretar el proceso de inducción electromagnética como resultado de la interacción entre bobinas por las cuales circula la corriente eléctrica. Relacionar las estructuras de los generadores y de los motores eléctricos a partir del análisis de sus partes y sus funciones específicas. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Los experimentos de Faraday y Henry Después del hallazgo de Oersted en 1820 con relación al campo magnético inducido por una corriente eléctrica, los físicos empezaron a realizar experimentos para hallar el proceso contrario; es decir, que a partir de un campo magnético se produzca una corriente eléctrica. Esta época de esfuerzo culminó con éxito en el año 1831, en el cual Joseph Henry en Estados Unidos y, de manera independiente, Michael Faraday en Inglaterra puso en manifiesto que un campo magnético variable en el tiempo era capaz de generar electricidad. Los trabajos realizados por los investigadores se resumen en un experimento por medio del cual es posible crear corriente eléctrica en un circuito a partir de fenómenos magnéticos. Este experimento consiste en un circuito eléctrico formado por una espira conectada a un galvanómetro y un imán de barra colocado perpendicular a la espira (figura a). Cuando se acerca e introduce el imán a la espira, se observa que el galvanómetro indica el paso de una corriente por ella, la misma que se interrumpe cuando el imán se detiene. Si ahora se saca el imán de la espira, se vuelve a observar el paso de la corriente mientras el imán está en movimiento, pero esta vez en sentido contrario al de la situación anterior
  • 56. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 47 Faraday concluyó respecto a este fenómeno que la corriente eléctrica aparece porque, al acercarse o alejarse el imán de la espira, se produce un cambio en el número de líneas de campo magnético que atraviesan la espira, tal como se observa en la siguiente figura. Inducción electromagnética Faraday y Henry establecieron que era posible generar corriente eléctrica a través de un alambre con el simple hecho de ingresar y sacar un imán de una bobina. Con ello demostraron que no era indispensable la utilización de algún generador eléctrico; solo con el movimiento relativo entre el alambre y un campo magnético era factible inducir un voltaje. Sin embargo, la magnitud de este voltaje inducido depende de la rapidez con la cual el alambre recorre las líneas de campo magnético, ya que si este movimiento es muy lento, el valor del voltaje es muy pequeño, mientras que si el movimiento se realiza con cierta rapidez, el voltaje inducido presenta un valor mayor. Asimismo, la cantidad de espiras también permite obtener diferentes valores para el voltaje inducido, ya que cuanto mayor es el número de espiras de alam- bre que se desplazan en el campo magnético, mayores son el voltaje inducido y la corriente en el alambre.
  • 57. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 48 En conclusión, no importa qué acción es la que induce el voltaje, ya que este se genera debido al movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético. Por ello es posible afirmar que toda variación en el flujo del campo magnético a través del área limitada por un circuito genera corriente eléctrica en él. Este fenómeno de inducir voltaje alternando el campo magnético en torno a un conductor se denomina inducción electromagnética. Las corrientes generadas por la inducción electromagnética se conocen como corrientes inducidas, como lo son las corrientes que se generan al momento de cerrar o abrir un circuito. Ley de Faraday Faraday, durante sus observaciones, estableció que cuánto más rápido cambia el flujo magnético, mayor es la corriente inducida en la bobina. En el momento de introducir o retirar el imán en la bobina, el galvanómetro registra una corriente en ella. Pero este valor del galvanómetro aumenta a medida que aumenta la rapidez en la introducción o el retiro del imán. La ley de inducción de Faraday enuncia que el valor de la fuerza electromotriz (fem) inducida en el conductor que limita la superficie atravesada por el flujo magnético depende de la rapidez de la variación del flujo magnético. Esta ley se expresa como: Donde es la variación del flujo magnético y es la variación del tiempo. Después de analizar esta consecuencia de los trabajos de Faraday, Maxwell imaginó que tal vez este fenómeno inverso fuera verdadero, es decir, que un campo eléctrico variable debería inducir un campo magnético. DEFINICIÓN: La fuerza electromotriz fem (e) inducida en un circuito es igual a la variación con respecto al tiempo (t) del flujo (F) que atraviesa dicho circuito. Estas experiencias se traducen en la ley de Faraday.
  • 58. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 49 Autoinducción Al variar la corriente que recorre un circuito, también lo hace el flujo magnético del propio circuito. Esta variación de flujo es la causa de una fem inducida en el circuito. Si la permeabilidad magnética es constante, la fem es proporcional a la variación de la intensidad de corriente en la unidad de tiempo. Donde L es una constante llamada coeficiente de autoinducción o simplemente autoinducción del circuito. Si hay un signo menos, indica que la fem asociada autoinducida se opone a la variación de la corriente que la produce. Si ε se expresa en V y el cociente Δi/Δt en A/s, L viene medida en henrios (H). La autoinducción de un circuito es de 1 H cuando se induce en él una fem de 1 V al variar la corriente que lo recorre a razón de 1 A/s. Inducción mutua Al variar la corriente que circula por el circuito primario de un acoplamiento, se induce una fem en el secundario, por el que pasa parte del flujo magnético del primario. La fem inducida en el secundario, ε2, es proporcional a la variación de corriente en el primario en la unidad de tiempo, Δi1/Δt. Donde M es una constante llamada coeficiente de autoinducción mutua o inducción mutua del sistema. Si ε se expresa en V y el cociente Δi/Δt en A/s, M viene medida en henrios (H).
  • 59. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 50 Generadores y motores eléctricos Aunque las baterías y las pilas generan electricidad, estas presentan ciertas limitaciones, ya que no sirven para aparatos eléctricos con un gran consumo energético, como la mayor parte de los electrodomésticos. En este caso, es necesario implementar el uso de alternadores y dinamos, cuya estructura se encuentra formada por un imán fijo y una bobina que gira en el campo magnético creado por el imán. El alternador. Cuando la bobina se encuentra en reposo, no es posible generar corriente. Pero, a medida que la bobina gira, se origina una variación de campo magnético y se genera una corriente eléctrica que cambia periódicamente de sentido. La corriente eléctrica generada se envía al exterior a través de un colector conectado a la bobina y unido a dos escobillas o contactos de salida. El alternador es un generador de corriente alterna. Los generadores de las centrales eléctricas, por ejemplo, son alternadores.
  • 60. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 51 El dinamo. El funcionamiento de una dinamo es similar al del alternador. El colector está formado por un único anillo y, mediante un sistema mecánico sencillo, se consigue que los extremos de la bobina hagan contacto alternativamente con las escobillas, de tal manera que una sea siempre positiva y la otra, negativa. De este modo, la corriente alterna generada se transforma en corriente continua. Una de las aplicaciones más corrientes de la dinamo ha sido la de generar energía eléctrica para el funcionamiento de un automóvil. Sin embargo, su utilización disminuyó debido a que presentaba problemas al suministrar corriente cuando el motor estaba en pleno rendimiento. La producción de corriente alterna es muy sencilla; por tal razón es la más utilizada tanto a nivel doméstico como a nivel industrial. Su producción se encuentra relacionada con la variación en el flujo magnético que atraviesa un conductor, es decir, al giro a gran velocidad entre los polos de un electroimán (inductor) de una bobina (inducido) en un campo magnético. Al producirse el giro, el flujo magnético que el inductor genera sobre el inducido experimenta una variación continua, por lo cual se produce una corriente alterna en el inducido, que es transportada por medio de cables hasta los lugares donde posteriormente será utilizada. Cuando al inducido se le genera una velocidad angular (v) constante mientras está en el interior del inductor (se crea un campo magnético uniforme B), se induce una corriente debido a que el movimiento hace variar el flujo magnético sobre el inducido. La fuerza electromotriz inducida que se genera en cada espira cambia de manera sinusoidal y se expresa como: Como la función seno toma como máximo valor la unidad, εmáx es: Para el caso de que el inducido conste de N espiras iguales, el valor de la fem máxima generada por el inducido es: Si se unen los extremos del inducido a una resistencia R y consideramos despreciable la resistencia propia del inducido, circulará una corriente que en aplicación de la ley de Ohm es igual a: De acuerdo con el valor máximo del seno, entonces:
  • 61. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 52 El transformador Al observar las indicaciones técnicas de muchos aparatos eléctricos utilizados a diario, es posible encontrar que se especifica el voltaje al cual puede someterse para que funcione, es decir, el voltaje que tiene el generador del circuito. Los aparatos eléctricos que se conectan a la red eléctrica reciben un voltaje residencial de 110 V suministrado por la compañía de energía eléctrica en nuestro país. Asimismo, ciertos aparatos que funcionan con un voltaje menor y una corriente continua, suministrada por las pilas, pueden conectarse a la red eléctrica y funcionar sin llegar a ocasionar algún daño en el aparato. Para tal efecto, emplean la ayuda de un elemento denominado transformador, que modifica y rectifica la corriente eléctrica. El transformador convierte la corriente de la red eléctrica en una corriente con menor diferencia de potencial y el rectificador convierte la corriente alterna en continua. Un transformador está compuesto de dos partes: el devanado primario (primera bobina) y el devanado secundario (segunda bobina), tal como se representa en la siguiente figura. Cuando circula corriente alterna por el primario, se induce una corriente alterna al secundario. Si el transformador es un reductor de voltaje, la cantidad de espiras en el primario será mayor que en el secundario, por lo cual la corriente inducida presentará un menor voltaje que el inicial. Pero si el transformador es un elevador de voltaje, el secundario tendrá mayor cantidad de espiras y, por tanto, un mayor voltaje. La relación entre el voltaje proporcionado por el generador a la bobina primaria (V1) y el voltaje obtenido de salida (V2) es: Según la ley de Faraday, la relación entre la fuerza electromotriz inducida y el número de espiras es: Si suponemos que la resistencia del conductor es despreciable y, por lo tanto, el efecto Joule no se percibe, seguramente la potencia suministrada a la bobina
  • 62. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 53 primaria deberá ser igual a la potencia suministrada a la bobina secundaria. Como la potencia eléctrica es P 5 i ? V, obtenemos: Leyes del magnetismo A finales del siglo XVIII y durante el siglo XIX, los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron el quehacer diario de los físicos de la época. El uso del concepto de campo magnético y eléctrico solo se difundió cuando James Clerk Maxwell demostró que todos los fenómenos eléctricos y magnéticos podían describirse y sintetizarse en tan solo cuatro ecuaciones. La primera ecuación relaciona la carga y la distribución del campo magnético. Incluye la ley de Coulomb pero es más general, ya que abarca cargas en movimiento. Esta ecuación es la ley de Gauss, en la que el flujo eléctrico es igual a la carga neta encerrada en la superficie (Q) sobre la constante de permisividad en el espacio vacío (e0). La segunda ecuación es la aplicación de la ley de Gauss al campo magnético, lo que corrobora la inexistencia de monopolos magnéticos y establece que las distribuciones de fuentes magnéticas son siempre neutras en el sentido de que poseen un polo norte y un polo sur, por lo que su flujo a través de cualquier superficie cerrada es nulo. La tercera ecuación corresponde a la ley de Faraday, según la cual un campo eléctrico es producido por un campo magnético fluctuante. La cuarta ecuación es la ley de Faraday aplicada al campo magnético, que determina que un campo magnético es producido por un campo eléctrico fluctuante. A partir de las dos últimas ecuaciones, Maxwell concluyó que el resultado neto de estos dos campos variantes, eléctricos y magnéticos, es la producción de una onda electromagnética que se propaga por el espacio, y define de esta manera la composición electromagnética de luz. En general, las ondas electromagnéticas se originan en cargas eléctricas aceleradas y de acuerdo con su frecuencia pueden ser de radio, ultravioletas infrarrojas etc.
  • 63. COLEGIO PARTICULAR A DISTANCIA “CONTINENTAL” Física y Química Página 54 BIBLIOGRAFÍA:  Armendaris Gavilanes, Gerardo. Resistencia y Circuitos eléctricos. Física y Química. Primera Edición. Quito – Ecuador: Maya ediciones. 2012. Impreso.  BURNS. R. (2003). Fundamentos de Química. Edit. Pearson. (4ta ed.). México. Impreso.  Ball, David. Fisicoquímica. Cleveland State University. Estados Unidos. Cengage Learning. Impreso.