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CONALEP

“EDUCACIÓN DE CALIDAD PARA LA

COMPETITIVIDAD”

Análisis de los fenómenos eléctricos,

electromagnéticos y ópticos

NOMBRE DEL ACADÉMICO: ____________________________________

GRUPO: _________________________

NOMBRE DEL ALUMNO: _____________________________________

ESPECIALIDAD: _____________________________________________

GRUPO: _________

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ENCUADRE

Dinámica de integración

Reglas de la clase

Inicio de la clase puntual

Tolerancias 5 minutos

No ingerir alimentos en el salón de clases

No se permite el uso de celular, ipod, audífonos

La entrega de actividades atrasadas podrá entregarse en la clase siguiente

Las faltas se justifican únicamente con el documento oficial

Programa

Criterios de evaluación

Actividades de evaluación (Antología y portafolio de evidencias)

Prácticas

Cumplimiento con el material didáctico solicitado

Investigaciones y proyecto

Examen

Comportamiento y actitudes del alumno durante clase.

Referencias Documentales Pérez Montiel Héctor. Física I para Bachillerato General. 2a Edición, Publicaciones

Cultura, 2000

Tippeens, Paul G. Física, Conceptos y Aplicación. 7a Ed.,México,McGraw-Hill,2003

Ávila Anaya, Ramón. Física i Bachillerato, México, Editorial ST, 2005

Pardo Pratz Leoncio, Castillo Pratz José Antonio. Física II. 1º Ed. Editorial Nueva

Imagen, México, 1998

Horario:

Evaluación diagnostica

Elaboro:

Académico: Serafina Enríquez Córdova

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Análisis de los fenómenos eléctricos,

electromagnéticos y ópticos.

Propósito del Módulo: Interpretar las partículas cargadas que componen el átomo y el

comportamiento cuántico de la luz a partir del análisis de estos elementos en la materia y de sus

demostraciones analíticas que permitan explicar la naturaleza en la vida cotidiana así como sus

aplicaciones tecnológicas.

Nombre del modulo Unidades de aprendizaje Resultado de Aprendizaje

Análisis de los

fenómenos eléctricos,

electromagnéticos y

ópticos.

90 hrs

1. Determina la electricidad en los

cuerpos.

25 hrs

1.1 Determina los tipos de fuerzas que intervienen en la

interacción de las cargas eléctricas en reposo a partir de los

campos eléctricos producido en el espacio que las rodea.

1.2 Analiza cargas eléctricas en movimiento, a partir de la

medición de sus parámetros eléctricos para determinar los

efectos en los cuerpos.

2. Determina el electromagnetismo

en los cuerpos.

25 hrs

2.1 Determina el campo magnético producido en los cuerpos

a partir de las cargas eléctricas en movimiento en los

mismos, a fin de establecer la magnitud de la fuerza

requerida entre ellos.

2.2 Determina cargas en movimiento en los cuerpos a partir

de los campos eléctricos y magnéticos variables para

establecer su corriente eléctrica.

2.3 Determina el tipo onda electromagnética a partir del

cálculo de la frecuencia y de sus parámetros relacionados

para la transmisión de energía.

3. Maneja la óptica geométrica de

los cuerpos.

20 hrs

3.1 Determina el tipo de materiales de acuerdo con la

dirección y rapidez de la luz que incide en estos.

3.2 Determina el tamaño y distancia de imágenes de

acuerdo con los parámetros establecidos, para diagramar la

trayectoria del rayo luminoso de los cuerpos.

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4. Interpreta el comportamiento de

las partículas en la materia.

20 hrs

4.1 Determina la energía eléctrica producida en los

materiales a partir del análisis de la interacción de la luz con

la materia y la ecuación fotoeléctrica.

4.2 Determina la energía de enlace en el núcleo del átomo a

partir de su masa, para separar los nucleones de los

materiales radiactivos.

Unidad de aprendizaje Determina la electricidad en los cuerpos. Número 1

Propósito de la unidad

Determinará situaciones electrostática y electrodinámica relacionadas con

el entorno, empleando las ecuaciones que rigen las cargas en reposo y

movimiento en los cuerpos para la identificación de fenómenos eléctricos.

Resultado de

aprendizaje

1.1 Determina los tipos de fuerzas que intervienen en la interacción de las

cargas eléctricas en reposo a partir de los campos eléctricos producido en

el espacio que las rodea.

Actividades de evaluación Evidencia a recopilar

1.1.1 Determinación de fuerzas de atracción y

repulsión entre cuerpos cargados definiendo:

• Valor de las cargas

• Distancia entre las cargas

Cálculo de fuerzas de atracción y repulsión

entre cuerpos cargados.

Resultado de

aprendizaje

1.2. Analiza cargas eléctricas en movimiento, a partir de la medición de sus

parámetros eléctricos para determinar los efectos en los cuerpos.

Actividades de evaluación Evidencia a recopilar

1.2.1 Realiza la actividad experimental sobre

circuitos con resistencias eléctricas

aplicando la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff

en el que determine las magnitudes:

• Resistencia equivalente

• Intensidad de corriente

• Voltaje y potencia eléctrica

Reporte escrito de la actividad experimental de

circuitos y redes eléctricas.

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Propósito de la unidad Determinará situaciones electrostática y electrodinámica relacionadas con el entorno, empleando las ecuaciones que rigen las cargas en reposo y movimiento en los cuerpos para la identificación de fenómenos eléctricos. 1.1 Determina los tipos de fuerzas que intervienen en la interacción de las cargas eléctricas en reposo a partir de los campos eléctricos producido en el espacio que las rodea.

Evaluación Diagnóstica Indicaciones: Contesta lo que se pide en cada pregunta.

1. ¿Escribe por qué el uso de la energía eléctrica ha significado un mejor nivel de

vida para todos lo que hacemos uso de ella?

2. ¿Cuál es el origen de la palabra electricidad?

3. ¿Cuándo decimos que un cuerpo esta electrizado?

4. Describe las formas en las que se puede electrizar un cuerpo.

5. ¿Cuál es la unidad en el S.I. para medir la carga eléctrica?

6. Explica con ejemplos materiales conductores, semiconductores y aislantes.

7. ¿Cómo defines un semiconductor?

8. Explica las clases de corriente eléctrica.

9. Describe que es un circuito y cuáles son sus elementos fundamentales.

10. ¿Cuándo está abierto o cerrado un circuito eléctrico?

11. Mediante sus respectivos dibujos representa una conexión en serie o paralelo.

12. Dibuja en serie y después en paralelo el arreglo de 4 pilas.

13. ¿Qué entiendes por resistencia eléctrica?

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Electrostática

A. Determinación de las interacciones eléctricas

La carga eléctrica constituye una propiedad fundamental de la materia. Se manifiesta a través de ciertas fuerzas, denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos.

El término eléctrico, y todos sus derivados, tiene su origen en las experiencias realizadas por Tales de Mileto, un filósofo griego que vivió en el siglo sexto antes de Cristo. Tales estudió el comportamiento de una resina fósil, el ámbar -en griego elektron-, observando que cuando era frotada con un paño de lana adquiría la propiedad de atraer hacia sí pequeños cuerpos ligeros; los fenómenos análogos a los producidos por Tales con el ámbar o elektron se denominaron fenómenos eléctricos y más recientemente fenómenos electrostáticos.

La electrostática es la parte de la física que estudia este tipo de comportamiento de la materia, se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. El desarrollo de la teoría atómica permitió aclarar el origen y la naturaleza de los fenómenos eléctricos; la noción de fluido eléctrico, introducida por Benjamín Franklin (1706-1790) para explicar la electricidad, fue precisada a principios de siglo al descubrirse que la materia está compuesta íntimamente de átomos y éstos a su vez por partículas que tienen propiedades eléctricas.

Como sucede con otros capítulos de la física, el interés de la electrostática reside no sólo en que describe las características de unas fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino también en que facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas. Desde el pararrayos hasta la televisión una amplia variedad de dispositivos científicos y técnicos están relacionados con los fenómenos electrostáticos. HISTORIA ACTIVIDAD 1.1.1 Realiza una línea de tiempo con científicos que han contribuido al avance de la electricidad.

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Fenómenos electrostáticos Electrización

En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Las experiencias de electrización pusieron de manifiesto que:

a) Electrización por contacto. Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.

b) Electrización por frotamiento. Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño al lápiz. Ej. : Un globo lo frotas en tu cabeza y luego lo pones cerca de la cabeza de una persona, veras que su cabello se levanta.

El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de

cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico.

c) Electrización por inducción

| a electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las

proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el

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efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

CARGA ELÉCTRICA

Ley de las cargas eléctricas.

Cargas eléctricas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igual signo se repelen.

Expresión matemática para calcular la carga eléctrica:

q=n*e

La carga está cuantizada: la carga de un cuerpo cargado siempre es un múltiplo entero de una carga elemental que corresponde a la carga del electrón. Es decir:

Donde

q=carga eléctrica n = número entero

e- = electrón.

PARTÍCULA CARGA (Coulomb) MASA (Kilogramos)

ELECTRÓN 1.602 x 10 –19 9.109 x 10-31 PRONTÓN 1.6019 x 10 -19 1.676 x 10-27 NEUTRÓN 1.675 x 10-27

La carga del electrón (o del protón) constituye el valor mínimo e indivisible de

cantidad de electricidad. Es, por tanto, la carga elemental y por ello constituye una unidad natural de cantidad de electricidad. Cualquier otra carga equivaldrá a un número entero de veces la carga del electrón. El coulomb es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional y equivale a 6,27 X 1018 veces la carga del electrón (e-), es decir:

1 C = 6,27 · 1018 e-

Los submúltiplos del coulomb más empleados son:

Milicoulomb 1 mC = 10-3C

microcoulomb: 1 mC = 10-6C

nanocoulomb 1 nC = 10-9C

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Actividad 1.1.2 Indicaciones. Relaciona las siguientes tres imágenes mostradas con lo descrito en los párrafos anteriores sobre fenómenos electrostáticos.

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Ley De Coulomb

Aun cuando los fenómenos electrostáticos fundamentales eran ya conocidos en la época de Charles Coulomb (1736-1806), no se conocía aún la proporción en la que esas fuerzas de atracción y repulsión variaban. Fue este físico francés quien, tras poner a punto un método de medida de fuerzas sensible a pequeñas magnitudes, lo aplicó al estudio de las interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga eléctrica. El resultado final de esta investigación experimental fue la ley que lleva su nombre y que describe las características de las fuerzas de interacción entre cuerpos cargados.

Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que les rodea. Como fuerzas de interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une.

La interpretación de la ley de Coulomb La expresión matemática de la ley de Coulomb es:

Donde: q y q' =Valores de las cargas que interaccionan tomadas con su signo positivo o negativo r=Distancia que las separa K =Constante de proporcionalidad correspondiente que depende del medio en que se hallen dichas cargas. K = 9 • 109 N • m2/C2

El hecho de que las cargas aparezcan con su signo propio en la ecuación anterior da lugar a la existencia de dos posibles signos para la fuerza Fe, lo cual puede ser interpretado como el reflejo de los dos tipos de fuerzas, atractivas y repulsivas, características de la interacción electrostática. Así, cargas con signos iguales darán lugar a fuerzas (repulsivas) de signo positivo, en tanto que cargas con signos diferentes experimentarán fuerzas (atractivas) de signo negativo.

La constante de proporcionalidad K toma en el vacío un valor igual a K = 9 · 109 N · m2/C2 esa elevada cifra indica la considerable intensidad de las fuerzas electrostáticas. Pero además se ha comprobado experimentalmente que si las cargas q y q' se sitúan en un medio distinto del aire, la magnitud de las fuerzas de interacción se ve afectada. Así, por ejemplo, en el agua pura la intensidad de la fuerza electrostática entre las mismas cargas, situadas a igual distancia, se reduce en un factor de 1/81 con respecto de la que experimentaría en el vacío. La constante K traduce, por tanto, la influencia del medio.

Finalmente, la variación con el inverso del cuadrado de la distancia indica que pequeños aumentos en la distancia entre las cargas reducen considerablemente la intensidad de la fuerza, o en otros términos, que las fuerzas electrostáticas son muy sensibles a los cambios en la distancia r.

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Resolución de problemas

Nota: Los resultados se expresarán siempre con un cifra entera, modificando la potencia

de base 10 cuando sea necesario.

Nota: El signo menos indica que se trata de una fuerza de atracción. Cuando el signo

es positivo la fuerza es de repulsión.

Ejemplos:

1. Calcular el valor de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1= 2

milicoulombs, q2= 4 milicoulombs, al estar separadas en el vacío por una distancia

de 30 cm.

Solución:

Datos Fórmula Sustitución y resultado

F=?

q1= 2mC = 2X10-3 C

q2= 4Mc = 4x10-3C

r = 30cm = 0.3m

K = 9X109Nm/C2

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2. Una carga de -3nanocoulombs se encuentra en el aire a 0.15m de otra carga de -

4nanocoulombs.

Calcular:

a) ¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica entre ellas?

b) ¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica entre ellas si estuvieran sumergidas en

aceite?

Solución:

Datos Fórmulas

F=?

F´ACEITE = ?

q1= -3nC = -3X10-9C

q2 = -4nC = -4X10-9C

r = 0.15m

K = 9x109Nm/C2

Sustitución y resultados

a)

b) Si estuvieran sumergidas en aceite cuya permitividad relativa es (Valor

de tablas) el valor de la fuerza eléctrica F´ en el aceite se calcula con la siguiente

formula.

Nota: La fuerza eléctrica de repulsión entre las cargas disminuye al estar sumergidas

en aceite

3. Una carga eléctrica de 2µC se encuentra en el aire 2 60 cm de otra carga. El valor

de la fuerza con la cual se rechaza es de 3X10-1 N ¿Cuánto vale la carga

desconocida?

Solución:

Datos Fórmulas

q1= 2µC = 2X10-6 C

r = 60cm = 0.6m

F = 3 X 10-1 N

K = 9X109Nm/C2

q2=?

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Sustitución y resultado

4. Una carga de 5µC se encuentra en el aire a 20 cm de otra carga de -2µ como se

aprecia a continuación:

20cm

+ -------

q1 F1 F2 q2

Calcular

a) ¿Cuál es el valor de la fuerza F1 ejercida por q2 sobre q1?

b) ¿El valor de la fuerza F2 ejercida por q1 sobre q2 es igual o diferente a F1?

c) ¿Cuál sería el valor de la fuerza eléctrica entre las cargas si estuvieran sumergidas

en agua?

Solución:

Datos Fórmulas

F1=?

F2=?

F´AGUA=?

q1= 5µC = 5X10-6C

q2 = -2µC = -2X10-6C

r = 20cm=0.2m

K = 9x109Nm/C2

Sustitución y resultados

a)

b) El valor de la fuerza F2 ejercida por q1 sobre q2 es exactamente igual al de la

fuerza F1 ejercida por q1. Esto sucede porque de acuerdo con la Tercera Ley de

Newton, las fuerzas F1 y F2 forman una pareja de acción y reacción, por ello

actúan en dirección o línea de acción que las une, pero apuntando en sentidos

contrarios. En conclusión, no importa que el valor de las cargas q1 y q2 sean

diferentes, la magnitud de la fuerza con que q1 atrae a q2 es igual a la magnitud

de la fuerza con que q2 atrae a q1 pero con sentido contrario.

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c) Si las cargas estuvieran sumergidas en agua cuya permitividad relativa es

(Valor de tablas) el valor de la fuerza eléctrica F´ se calcula con la

siguiente formula.

ACTIVIDAD 1.1.3

Indicaciones: Resuelve los siguientes problemas, colocando, datos, formula, sustitución

y resultado de cada ejercicios.

1.- Una partícula con carga nula de le agregan 2 x106 electrones. ¿Cuál es su carga total?

2.- Calcular la fuerza que actúa sobre un protón que se encuentra a 10 mm de una carga de 7x10-8 C.

3.- Calcular la distancia entre el electrón y el protón de un átomo de hidrógeno, si la fuerza de atracción es de 8,17 x10-8 N

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4.- Una carga puntual de 3.2 X10-6C está a una distancia de 12.3 cm de otra de carga -1.48 x10-6C.Ubicar estas cargas en un sistema de referencia arbitrario, y calcular la magnitud, dirección y sentido de la fuerza sobre cada carga.

5.- ¿Cuál debe ser la distancia entre la carga puntual q1=26.3 µC y la carga puntual q2=-47.1µC para que la fuerza de atracción entre ambas sea de 5.66 N?

6.- Calcular la fuerza electrostática a) De + 5μC y +3μC situadas a 10 cm. b) De + 5μC y -3μC situadas a 10 cm

8.- En un nubarrón es posible que haya una carga eléctrica de +40 C cerca de la parte superior y –40 C cerca de la parte inferior. Estas cargas están separadas por aproximadamente 2 km. ¿Cuál es la fuerza eléctrica entre ellas?

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9.- Dos esferas, cada una con una carga de 3 μC, están separadas a 20 mm. ¿Cuál es la fuerza de repulsión entre ellas?

10.- ¿Cuál es la separación de dos cargas de -4 μC si la fuerza de repulsión entre ellas es de 200 N?

11.- Una carga de +60 μC se coloca a 60 mm a la izquierda de una carga de +20 μC. ¿Cuál es la fuerza resultante sobre una carga de -35 μC colocada en el punto medio entre las dos cargas?

12.- Una carga de 7 X 10-9 C se encuentra en el aire a 0.1 m de la otra carga de 3 x 10-9 C. Determinar el valor de la fuerza eléctrica entre ellas.

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13.- Hallar las fuerzas con que se repelen dos cargas de 1,4 C y 2,2 C separadas 0,8 m en el vacío.

14.- Calcular la fuerza con la que se atraen en el vacío dos cargas eléctricas de +20 μC y -30 μC separadas 5 cm.

15.- Hallar la distancia entre dos cargas de 15 μC y 25 μC que se repelen con una fuerza de 6 N en el vacío.

16.- Dos cargas iguales separadas 8 cm en el vacío se repelen con una fuerza de 0.225 N. Ha llar el valor de las cargas.

17..- Tres cargas de 20 μC, 10 μC y 30 μC están situadas en el vacío y alineadas de modo que la distancia entre dos consecutivas es de 10 cm. Hallar la fuerza resultante que cada dos de ellas ejercen sobre la tercera.

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PROCEDIMIENTO

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B. Determinación del campo eléctrico.

El campo eléctrico El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. ¿Cómo se define el vector intensidad de campo eléctrico? La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E.

Matemáticamente la intensidad de campo eléctrico se puede calcular mediante las siguientes ecuaciones:

a) E= kq/r2 Esta ecuación se utiliza cuando se quiere calcular la intensidad de campo eléctrico.

b) E=F/q Cuando se conoce la magnitud de la fuerza que experimenta una carga de prueba.

El concepto físico de campo

Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su

influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.

La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático.

Representación del campo eléctrico

Es posible conseguir una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, las líneas de fuerza indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del

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campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.

Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues

las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza.

Problemas

Ejemplos

1.- Calcular la intensidad del campo eléctrico de una carga de prueba de 3x10-8 C que recibe una fuerza de 7.2x1 0-10 N.

DATOS:

E=? F= 7.2x10-10 N q=3x10-8 C

E=F/q2=_____ / _____=2.4 x 10-2 N/C

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2.- Hallar la intensidad de campo eléctrico, en el aire, a una distancia de 30cm de la carga eléctrica de 5 x 10-9C Sol E= 500N/C

Datos

k= 9x109Nm2/C2 E= k*q/r2 = ___*____/______=__________

r=30cm =

E=?______

3.- Hallar la intensidad de campo eléctrico, a la mitad de la distancia de separación en el aire entre dos cargas eléctricas puntuales de 20 x10-8C y -5x10-8C, distantes 10cm. Sol E1=720000N/C,E2=-180000N/C, ET=900000N/C

k= 9x109Nm2/C2

r1=5cm=_____

r2=5cm=_____

q1=20 x10-8C

q2=-5x10-8C

E1=

E2=

ET= E1 E2 =

E= Kq1/ r12= ____x ___/____=

E= Kq1/ r12= ____x ___/____=

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Actividad 1.1.4 Indicaciones: Resuelve los siguientes ejercicios, colocando sus datos respectivos. 1. Haga lo mismo que en el problema anterior simplemente remplace la segunda carga

por 5x10-8C, los otros datos no cambian. Sol. E1=720000N/C,E2=180000N/C , ET=540000N/C

2. Calcular la intensidad de campo eléctrico a una distancia de 3m de una carga

eléctrica de 6Pc. Sol E1=6x10-3N/C

3. Calcular la intensidad en un punto de un campo eléctrico si al colocar la carga eléctrica de 48µC en él, el campo eléctrico actúa con una fuerza de 1.6N. Sol E=333333.3N/C

4. Calcular la intensidad de campo eléctrico en un punto situado a 18km de una carga

de 120µC. Sol. E=3.33x10-3N/C

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5. Hallar la intensidad de campo eléctrico en un punto del aire situado a 3cm de una carga de 5 x10-8C. Sol. E=500000N/C

6. En un punto P del espacio existe un campo eléctrico de 50000N/C, dirigido hacia la

derecha. A) Si una carga positiva de 1.5µC, se coloca en P, ¿Cuál será el valor de la fuerza eléctrica que actúa sobre ella?; ¿En qué sentido se moverá la carga

7. Dos cargas eléctricas de 3µC y -8µC, están a 2m. Calcular la intensidad de campo

eléctrico en el punto medio del trazo que une estas dos cargas 8. Una carga de +2 μC colocada en un punto P en un campo eléctrico experimenta una

fuerza descendente de 8 x 10-4 N. ¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico en ese punto?

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9. Una carga de 8 nC se ubica a 80 mm a la derecha de una carga de +4 nC. Determine

la intensidad del campo en el punto medio de una recta que une las dos cargas.

10. Dos cargas iguales de signos opuestos están separadas por una distancia horizontal de 60 mm. El campo eléctrico resultante en el punto medio de la recta es de 4 x 104 N/C. ¿Cuál es la magnitud de cada carga?

11. Hallar la intensidad del campo eléctrico en un punto donde una carga de 25 mC experimenta una fuerza de 55 N.

12. Calcular la carga de un cuerpo que experimenta una fuerza de 2.8 N en un lugar donde la intensidad del campo eléctrico es 4 N/C.

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13. Calcular la aceleración que un campo eléctrico de 5 N/C produce sobre un cuerpo cuya carga es 0.8 C, si la masa del cuerpo es 1.2 kg.

14. ¿Cuál es el campo eléctrico creado por una carga de 8 x 10-6 C en un punto situado a 5 cm de la misma? ¿Qué fuerza se ejercerá sobre una carga de 2 x 10-4 C situado en ese punto?

15. ¿Cuál es el valor de la carga eléctrica que produce un campo eléctrico de 40 N/C en un punto a 5 cm de distancia?

16. Dos cargas eléctricas positivas de 0.02 C y 0.03 C, respectivamente, se encuentran separadas 10 cm. ¿Cuál es el campo eléctrico resultante: (a) en el punto medio de la recta que las une; (b) en un punto a 4 cm de la primera y entre ellas; (c) en un punto a 4 cm de la primera, sobre la recta que las une pero no ente ellas; (d) en qué punto es nulo el campo eléctrico?

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PROCEDIMIENTO

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AUTOEVALUACIÓN

1 Se frotan entre sí dos cuerpos neutros M y N. El cuerpo M se carga negativamente porque algunas cargas:

a) negativas de N pasan a M b) negativas de M pasan a N c) positivas de N pasan a M d) positivas de M pasan a N.

2 Un cuerpo cargado positivamente se conecta a tierra. El cuerpo se descarga porque cargas:

a) negativas del cuerpo bajan a tierra b) negativas de tierra suben al cuerpo c) positiva de tierra suben al cuerpo d) positivas del cuerpo bajan a tierra.

3 Un buen conductor es un mal aislador porque: a) ambas cargas se pueden desplazar por el cuerpo b) las cargas no se pueden desplazar por el cuerpo c) las cargas positivas se pueden desplazar por el cuerpo d) las cargas negativas se pueden desplazar por el cuerpo

4 Se tienen tres cuerpos cargados A, B, y C. El cuerpo A repele al cuerpo B y atrae al cuerpo C. Entonces sí:

a) B es negativo, C también lo es b) B es positivo, C es negativo c) B es positivo, C también lo es d) A es negativo, C también lo es.

5 Una regla de plástico que se frota en el pelo atrae a un hilo de agua porque: a) la regla se carga con igual signo que el agua b) la regla se carga negativamente y el agua positivamente c) la regla se carga positivamente y el agua negativamente d) la regla se carga y atrae al agua hilo de agua que está neutra.

6 Con un cuerpo negativo se toca el extremo de un electroscopio. Las láminas de este se abren porque:

a) el electroscopio se carga positivamente b) el electroscopio se carga negativamente c) las láminas se cargan negativamente d) las láminas se cargan positivamente

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7 Al extremo superior de un electroscopio se le acerca, sin tocarlo, un cuerpo positivo. Las láminas del electroscopio se abren porque:

a) se ponen negativas b) se ponen positivas c) todo el electroscopio queda positivo d) todo el electroscopio se pone negativo.

8 Un cuerpo neutro M es atraído por otro cuerpo N. Podemos concluir que: a) M tiene que estar cargado positivamente b) M tiene que estar cargado negativamente c) M tiene que tener más carga de un signo que de otro d) N tiene que tener más carga de un signo que de otro.

9) Para electrizar positivamente, por el método de inducción, a un cuerpo M: a) se debe frotarlo con un cuerpo neutro b) se debe frotarlo con un cuerpo positivo c) debe ponerse en contacto con un cuerpo positivo d) ninguna de las respuestas anteriores.

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1.2 Analiza cargas eléctricas en movimiento, a partir de la medición de sus parámetros eléctricos para determinar los efectos en los cuerpos.

A. Determinación del potencial eléctrico.

El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva q desde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:

Considérese una carga puntual de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de prueba localizada a una distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:

De manera equivalente, el potencial eléctrico es =

La energía potencial electrostática de un sistema formado por dos partículas de cargas q y Q situadas a una distancia r una de la otra es igual a:

Siendo K una constante universal o constante de Coulomb cuyo valor aproximado es 9×109 (volt·metro/culomb). K = 1 / (4πε) donde ε es la permitividad del vacío.

Una definición de energía potencial eléctrica sería la siguiente: cantidad de trabajo que se necesita realizar para acercar una carga puntual de masa nula con velocidad constante desde el infinito hasta una distancia r de una carga del mismo signo, la cual utilizamos como referencia. En el infinito la carga de referencia ejerce una fuerza nula.

Ejemplo:

1. Determinar el valor del potencial eléctrico creado por una carga puntual en un punto ubicado a 10 cm. del mismo como indica la figura. Respuesta: El potencial en A vale + 1.080 V

Datos K= 9x109Nm/C2

q1=12 x 10-9 C V=

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r= 10cm

Ejemplo

2. El trabajo realizado para mover a velocidad constante la carga de prueba de 2x10-

6C del infinito a un punto A de un campo eléctrico es igual a 5X10-5J. Determina el potencial eléctrico en el punto A.

Datos

T=5x10-5J q=2x10-6C V=

Diferencia de potencial en un campo eléctrico uniforme

El trabajo hecho al llevar la carga de prueba de un punto A a un punto B es el mismo a lo largo de toda la trayectoria. Esto confirma que un campo eléctrico uniforme y estático es conservativo.

Va - Vb = -Ed

El signo menos es el resultado del hecho de que el punto B está a un potencial menor que el punto A; es decir Vb < Va . Las líneas de campo eléctrico siempre apuntan en la dirección de potencial eléctrico decreciente.

Energía potencial

Si una carga q0 se coloca en un punto en donde el potencial eléctrico es V, en esa posición tiene una energía potencial eléctrica

U= q0V

Se sabe que el potencial eléctrico V debido a una carga puntual q en el punto donde se encuentra q0 es:

U= Kq0q /r

r= distancia entre las dos cargas eléctricas

La energía potencial representa el trabajo necesario para llevar q0 desde el infinito hasta una distancia r de q.

V= T/q = ___/____= 25V

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Ejemplo.

1. Una carga de 4x10-9C está separada 40cm de otra carga de 2x10-6C. ¿Cuál es la energía potencial de la carga eléctrica más pequeña con respecto a la mayor?

Datos

q= 2 x 10-6C U= Kq0q /r =______________________=18X10-5J q0= 4x10-9C r=40cm=0.4m

Actividad1.1.6.

Antes de resolver problemas de energía potencial y potencial eléctrico, repasemos sus conceptos.

Indicaciones: Completa los siguientes enunciados.

1. Para mover una carga dentro de un campo eléctrico es necesario realizar _____________________.

2. El trabajo realizado dentro de un campo eléctrico se transforma en_______________.

3. Un voltio se define_____________________________________________________.

Actividad 1.1.7 Indicaciones: Resuelve los siguientes ejercicios de Potencial eléctrico. A. ¿Cuál es la diferencia de potencial entre dos puntos A y B si para transportar una carga de 12.5 C de un punto al otro en el campo realiza6.25 J? ¿Cuál de los puntos está a un potencial eléctrico más elevado?

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B. ¿Qué trabajo ha realizado un campo eléctrico para transportar una carga de 0.2 coulomb entre dos puntos A y B cuya diferencia potencial es: (a) 2.2? Volts; (b) -1.5 volts? Diga en cada caso cual es el punto que está a un potencial eléctrico mayor. C. ¿Qué cambio se registra en la energía potencial cuando una carga de 3 nC que estaba a 8 cm de distancia de una carga de -6 μC se coloca a 20 cm de distancia de ésta? ¿Hay un incremento o una disminución en la energía potencial? D. Calcule el potencial en el punto A que está a 50 mm de una carga de -40 μC. ¿Cuál es la energía potencial si una carga de +3 μC se coloca en el punto A? E. Los puntos A y B están 40 y 25 mm de una carga de +6 μC. ¿Cuánto trabajo es necesario hacer contra el campo eléctrico (por medio de fuerzas externas) para trasladar una carga de +5 μC el punto A al punto B? F. ¿Cuál es la diferencia de potencial entre dos puntos localizados a 30 y 60 cm de una carga de -50 μC?

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G. ¿Cuál es la separación de dos placas paralelas si la intensidad de campo es de 5 x 104 V/m y la diferencia de potencial es de 400 V? H. Dos cargas positivas de 2 x 10-6 C y 3 x 10-6 C están separadas 10 cm en el vacío. Calcular el potencial: (a) en el punto medio de la recta que las une; (b) en un punto a 2 cm de la primera y entre ellas; (c) en un punto a 2 cm de la primera, sobre la línea que las une pero no entre ellas. ¿En qué punto es nulo el potencial?

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PROCEDIMIENTO

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B. Identificación materiales dieléctricos y Conductores

Conductores, aisladores y semiconductores

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aisladores y los segundos conductores.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.

Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.

Semiconductor:

Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica. En un semiconductor característico o

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puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura.

Dopar:

Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste en añadir impurezas al semiconductor o doparlo. La diferencia del número de electrones de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos (tipo n) o positivos (tipo p).

Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos. La aplicación más eficiente de este tipo de chips es la fabricación de circuitos de semiconductores de metal - óxido complementario o CMOS, que están formados por parejas de transistores de canal p y n controladas por un solo circuito. Además, se están fabricando dispositivos extremadamente pequeños utilizando la técnica epitaxial de haz molecular.

¿Cuál es la diferencia existente entre conductor, semiconductor y aislante?

Es sencillo, los conductores son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia, el semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de valencia y el aislante es el que posee más de 4 electrones en la capa de valencia.

C. Análisis de la corriente eléctrica. Conducción eléctrica

La corriente eléctrica es el movimiento de cargas negativas atraves de un

conductor. Por ello la corriente eléctrica se origina por el movimiento o flujo de electrones

a través de un conductor.

Clases de corriente eléctrica

Existen 2 clases de corriente eléctrica: la continua (cc) y la alterna (ca). La

corriente continua o directa se origina cuando el campo eléctrico permanece constante,

provocando que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido es decir de

negativo a positivo. La corriente alterna se origina cuando el campo eléctrico cambia

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alternativamente de sentido, por lo cual los electrones oscilan a uno y a otro lado del

conductor.

Intensidad de corriente eléctrica

Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado.

Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:

Aquí q está dada en coulomb, t en segundos, e I en ampere. Por lo cual, la equivalencia es:

La unidad empleada en el SI para medir intensidad de corriente eléctrica es el

ampere(A) equivale al paso de una carga de un coulomb por una sección transversal de

un conductor en un segundo. De uso más frecuente es el miliampere (mA), 1mA=1x 10-3A

1A =1C/seg

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

Ejemplo:

Por un conductor fluyen 250C en 45min. ¿Cuál es la intensidad de corriente eléctrica?

Datos=?

q=250C t=45min= 2700s

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La Ley de Ohm afirma que la corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.

La ecuación matemática que describe esta relación es:

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.

¿Qué es la potencia eléctrica?

Concepto de energía Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el concepto de “energía”, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria. De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” y se representa con la letra “J”.

Potencia eléctrica Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se

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mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”. Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica. La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

Dónde:

V: diferencia de potencial o voltaje aplicado a la resistencia, Volt I: corriente que atraviesa la resistencia, Amper R: resistencia, Ohm P: potencia eléctrica, watt

Para cuantificar el calor generado por una resistencia eléctrica al ser atravesada por una corriente eléctrica, se usa el siguiente factor de conversión:

1 Watt = 0,2389 calorías / segundo

Ejemplo 1

Una lámpara cuya I es de 0,5A está conectada a una línea de 220V. Calcular:

La potencia eléctrica

La energía consumida en Joule si ha estado encendido durante 5h.

P= V·I = 0,5·220 = 110 W

E = P.T= 110 · 3600·5=1.980.000 J

Resistividad

Propiedades de los materiales conductores y aislantes.

¿Cuáles son las propiedades de los materiales conductores y aislantes?

Los materiales conductores y aislantes se diferencian por la velocidad en que conducen

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la electricidad. Los conductores, como el cobre, conducen la electricidad fácilmente, mientras que los aislantes, como el vidrio, conducen electricidad solo en alto voltaje. Los conductores y los aislantes son usados para controlar el flujo de electricidad. Por ejemplo, usamos conductores juntamente con pararrayos permitiendo que los relámpagos sean absorbidos por la tierra en vez de dañar la estructura. Empleamos aislantes en las tomas eléctricas para prevenir descargas o lesiones eléctricas en cualquier persona que las esté manipulando. Si el objetivo de un circuito eléctrico es transportar electricidad, entonces esta contiene conductores de baja resistencia. La mayoría del alambrado eléctrico esta hecho de metal, el cual conduce bien la electricidad. El metal más común para el cableado eléctrico es el cobre, debido a su alta conductividad eléctrica (baja resistividad) Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, encontrara resistencia. Esto causa que el conductor se caliente. Si el objetivo de un circuito eléctrico es producir calor, este contendrá conductores de alta resistencia como un alambre fino de níquel cromado. La conductividad y la resistividad de un alambre dependen del largo. Los alambres finos tienen una conductividad más baja (resistividad más alta) que los alambres gruesos del mismo material – ver SEED FAQ 979. Los alambres finos pueden ser usados para transportar bajas corrientes, como la del teléfono. Alambres más gruesos son necesarios para corrientes más altas, como las de un horno eléctrico.

La resistencia de un pedazo de material conductivo, como un hilo, alambre o cable, depende de tres factores: 1. Resistencia(R): varia como la inversa del área transversal – esto significa que la resistencia es mayor a medida que el área transversal disminuye, un alambre delgado tiene mayor resistencia que un cable más grueso del mismo material. De forma contraria, al aumentar el largo de un material conductor disminuirá su resistencia, permitiendo una cantidad mayor de corriente eléctrica lo atraviese. 2. La resistencia también incrementa con la longitud (L) – un alambre largo tendrá mayor resistencia que uno corto. 3. La resistencia también depende de la Resistividad del material del que está hecho el cable. La resistividad (ρ) es la resistencia en Ohmios por una unidad de longitud estándar (1 metro) y una unidad de área transversal (1 metro cuadrado). La resistividad (ρ) del Cobre a 20oC es de 1,72*10-8 Ohmios-m. A partir de esto, podemos calcular que un alambre de cobre de un kilómetro de largo y de 1 Mm. de diámetro tendrá una resistencia aproximada de 21 Ohmios. Esta es prácticamente la misma resistencia de los cables que Schlumberger usa para hacer mediciones eléctricas en pozos de petroleros.

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Ejemplo 2.

¿Cuál es la resistencia de un alambre de aluminio de 5km de longitud y 0.8mm2 de área de sección transversal, que se encuentra a 20ºC por tanto su resistividad es de 3.21x10-8Ω-m.

Datos

R=?

ρ= 3.21x10-8Ω-m

L=5km=5000m.

A=0.8mm2= 0.8/1000000 = 8x10-7m2

Actividad 1.2.1

Indicaciones: Realizar un análisis de los diversos conceptos que se relacionan con electricidad y realizar un mapa mental.

R = ρ *L / A= __________/____=200.63Ω

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D. Determinación de circuitos eléctricos

CIRCUITO ELÉCTRICO.

El circuito eléctrico elemental.

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones.

Está compuesto por:

GENERADOR o ACUMULADOR.

HILO CONDUCTOR. RECEPTOR o CONSUMIDOR. ELEMENTO DE MANIOBRA.

El sentido real de la corriente va del polo negativo al positivo. Sin embargo, en los primeros estudios se consideró al revés, por ello cuando resolvamos problemas siempre consideraremos que el sentido de la corriente eléctrica irá del polo positivo al negativo

Generador o acumulador.

Son aquellos elementos capaces de mantener una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor.

Generadores primarios: tienen un sólo uso: pilas.

Generadores secundarios: pueden ser recargados: baterías o acumuladores.

Hilo Conductor

Formado por un MATERIAL CONDUCTOR, que es aquel que opone poca resistencia al paso de la corriente eléctrica.

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Receptores

Son aquellos elementos capaces de aprovechar el paso de la corriente eléctrica: motores, resistencias, bombillas…

Elementos de maniobra.

Son dispositivos que nos permiten abrir o cerrar el circuito cuando lo necesitamos.

Pulsador: Permite abrir o cerrar el circuito sólo mientras lo mantenemos pulsado

Interruptor: Permite abrir o cerrar un circuito y que este permanezca en la misma posición hasta que volvamos a actuar sobre él.

Conmutador: Permite abrir o cerrar un circuito desde distintos puntos del circuito. Un tipo especial es el conmutador de cruce que permite invertir la polaridad del circuito, lo usamos para invertir el giro de motores

Circuitos eléctricos y sus componentes.

Un circuito eléctrico es el trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito (Figura 2). Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se denominan abiertos. Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia, inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza electromotriz.

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Figura. Símbolos de algunos elementos de un circuito eléctrico.

Circuito serie-paralelo.

Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada elemento sin división ni derivación (Figura 3). Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en serie, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula:

(10)

Dónde:

Re: resistencia equivalente de la disposición, ohmios

Ri: resistencia individual i, ohmios

En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las resistencias implicadas. Si las resistencias están en paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula:

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(11)

Dónde:

Re: resistencia equivalente de la disposición, ohmios

Ri: resistencia individual i, ohmios

Figura 3. Disposición de bombillas en un circuito en serie y un circuito en paralelo.

Formulas:

o Conexión en serie:

Rt = R¹ + R² + …

Vt = V¹ + V² + …

It = I¹ = I² = …

o Conexión en paralelo:

Rt = R¹ . R² ÷ R¹ + R²

It = I¹ + I² …

Vt = V¹ = V² …

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Ejemplo 1. Encontrar la resistencia total del siguiente circuito:

Solución: El voltaje de la resistencia R1 se encuentra directamente encontrando la resistencia total del circuito:

por lo tanto la resistencia R2 tiene un voltaje de 6V, como podemos ver:

también debemos considerar que la corriente en un circuito en serie, como lo es esté, por lo que la corriente en la resistencia R1 es la misma que la de R2 y por tanto:

Por último la resistencia total de las resistencias del circuito son:

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Ejemplo 2. Encontrar el voltaje de la resistencia R2 del siguiente diagrama

Solución. Aunque no se da el valor de la resistencia R1, podemos determinar el valor del voltaje en la resistencia R2, ya que lo que si conocemos es la corriente en la resistencia R1, la cual es la misma en el resto del circuito. Por lo tanto:

Ejemplo 3. Encontrar el voltaje de la fuente del diagrama siguiente:

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Solución: De manera inmediata podemos determinar que por tratarse de un circuito serie la intensidad de la corriente es la misma en todos sus elementos. Por otro lado conocemos el valor de las resistencias, no así el de la pila del cual no será considerada en este ejercicio, y por tanto podemos obtener directamente el voltaje total de las componentes.

entonces el voltaje total de la fuente es igual a:

Ley de corrientes de Kirchhoff

En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra en ese nodo es igual a la suma de la corriente que sale. De igual forma, La suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.

Ley de tensiones de Kirchhoff

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial

Eléctrico es igual a 0.

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Actividad 1.2.2

Indicaciones: Resuelve los siguientes ejercicios colocando los datos respectivos y la

solución.

1. Típicamente en la caída de un rayo fluye una corriente de 2.5 104 A durante 20 µs.

Calcular la carga que se transfiere en este proceso.

2. A través de la sección transversal de un conductor pasan 6000 C en 5 minutos. Determinar la corriente. 3. ¿Cuántos electrones deben pasar a través de la sección de un conductor en un segundo para producir una corriente de un ampere? 4. ¿Cuál es la intensidad de la corriente en una sección de un conductor por la que pasa un millón de electrones en un microsegundo?

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5. En un tubo de televisión el haz de electrones que llega a la pantalla produce una corriente de 1 mA. ¿Cuántos electrones golpean la pantalla por segundo? 6. Un radio de transistores emplea 2 x 10-4 A de corriente cuando opera con una batería de 3 V. ¿Cuál es la resistencia del circuito del radio? 7. Hallar la resistencia de una lámpara por la que pasa una corriente de 0.5 A al aplicarle una diferencia de potencial de 120V. 8. Calcular la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor por el que pasa una corriente de 4.5 A si su resistencia es 6 Ω. 9. Calcular la resistencia de un conductor de cobre 4 x 10-6 m2 de sección y 20 m de longitud.

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10. Hallar la resistencia del filamento de una lámpara de carbón que tiene 20 cm de longitud y 0.01 mm2 de sección. 11. La diferencia de potencial entre los extremos de una lámpara de 220 Ω es de 110 V. Calcular la energía consumida y el calor desprendido en una hora, y la potencia necesaria para mantenerla encendida. 12. Una lámpara de 60 W trabaja a 115 V. Calcular la intensidad de corriente y la resistencia de la lámpara. ¿Cuánto cuesta mantener encendida durante 4 horas la lámpara dado el precio del kilowatt – hora que usted paga? (kwh = 3 600 000 joule) 13. Un reloj eléctrico se conecta a una línea de 110 V. La corriente es de 0.05 A. Hallar la potencia, la energía consumida en un mes (700horas aproximadamente) y el costo de operación por mes según el precio del kilowatt - hora que usted paga.

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14. Encontrar el voltaje de la fuente y la resistencia total del diagrama siguiente:

15. Se tienen los siguiente datos para el circuito mostrado: R1=2 kΩ, R2=470 kΩ, R3= 220 kΩ, R4= 100 kΩ y la I1=5 mA.

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a).- Encontrar el voltaje de la fuente. b).- Encontrar la corriente suministrada por la fuente . 16. Calcular la resistencia total del sistema de resistores ilustrado en la figura siguiente. Consideraciones:

• Calcula la resistencia en paralelo entre los puntos D y E con: • Calcula la resistencia en serie con la resistencia de 32Ω.con: • Calcula la resistencia en paralelo entre los puntos A y C con la de 18Ω. • Calcula la resistencia en serie con la de3Ω.

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17. Calcular la corriente en cada resistor si el voltaje aplicado entre A y B es de 15V, como se muestra en la figura.

Consideraciones: • Calcula la resistencia en paralelo entre los puntos A y C con: • Calcula la resistencia en total en serie entre los puntos A y B con: • Aplica la ley de ohm y calcula la corriente total.

Circuitos serie y paralelo. 18. Se conecta una serie de tres resistencias 6 Ω, 8 Ω y 12 Ω. La diferencia de potencial aplicada al conjunto se de 10 V. Calcular: (a) la resistencia total; (b) la corriente total; (c) la corriente en cada resistencia; (d) la caída de potencial en cada resistencia.

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19. Resolver el problema anterior si las resistencias se conectan en paralelo. 20. Una resistencia de 2 Ω se conecta en paralelo con otra de 4 Ω por la que pasa un corriente de 10 A. Hallar la diferencia de potencial a través del conjunto, la corriente en la primera y la resistencia total. 21. ¿Cuántas lámparas, de 200 Ω cada una, pueden conectarse en paralelo a través de una diferencia de potencial de 100 V si la máxima corriente permisible es de 10 A?

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22. En los circuitos dibujados a continuación, determinar: (a) la resistencia total; (b) la

corriente total; (c) la corriente en cada resistencia.

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Actividad 1.2.3 Determina el consumo de energía eléctrica en tu casa

y en una tabla representa los resultados obtenidos.

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E. Identificación condensadores eléctricos

Capacitor o condensador

En electricidad y electrónica, un condensador (del latín "condensare") es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separadas por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial (V) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, éstas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-

6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios.

La capacitancia (C) de un condensador está determinada por la carga (q) de uno de los conductores, dividida entre la diferencia de potencial (V) entre ellos. Lo anterior se expresa en símbolos, como sigue:

C= q/V

Ejemplo:

Un condensador de 120µF se conecta a una diferencia de potencial de 360V. ¿Cuál es la carga almacenada? ¿A cuántos electrones equivale?

q=CV = (____10-6F) (____V)=0.0432C

Asociaciones de condensadores

Figura 4: Asociación serie general.

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Figura 5: Asociación paralelo general.

Al igual que las resistencias, los condensadores pueden asociarse en serie (figura 4), paralelo (figura 5) o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie:

y para la asociación en paralelo:

Ejemplo.

Determina la capacitancia equivalente al conectar tres condensadores cuyos

valores son 3, 5 y 6µF en serie y en paralelo.

Solución

Para calcular la capacitancia equivalente en serie se aplica la siguiente ecuación:

1/CE= 1/C+1/C+1/C CE= 1/(1/C+1/C+1/C) = ______________=1.43X10-6F

En paralelo la ecuación utilizada es:

CE=C1+C2+C3=________________=15µF

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Actividad 1.2.4

Indicaciones: Resuelve los siguientes ejercicios

A. Entre las dos laminas paralelas de un capacitor, separadas 0.20 mm, se coloca un material cuya constante dieléctrica es 3.0. Si se aplica una diferencia de potencial de 100 V, ¿Cuál es la densidad de carga en la superficie de cada lámina? ¿Cuál es el valor del campo eléctrico entre ellas? ¿Cuál es la capacitancia del sistema? B. Se tienen tres capacitores cuyas capacitancias son 1.5 μF, 2 μF y 3 μF. Hallara la capacitancia resultante cuando se conectan: (a) en serie; (b) en paralelo. Calcular además la carga y la diferencia de potencial de cada capacitor si se aplica al sistema una diferencia de potencial de 20 V.

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C. Se tiene una batería de 20 capacitores iguales, de 2 μF cada uno. Calcular la capacitancia resultante si se conectan: (a) en serie; (b) en paralelo; (c) 4 grupos en paralelo, de 5 capacitores en serie cada uno. D. Calcule la capacitancia equivalente para todo el circuito mostrado en la siguiente figura. ¿Cuáles es la carga total sobre la capacitancia equivalente?

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Actividad1.2.5

Indicaciones: Realizar las siguientes sopas de letras

GREGORIO MARAÑÓN NIKOLA TESLA SIMEON POISSON JEAN FRÉDÉRIC JOLIOT-CURIE GEORGE JOHNSTONE STONEY JOHN VON NEUMANN JOSEPH JOHN THOMSON CHARLES GLOVER BARKLA OTTO VON GUERICKE STEPHEN HAWKING

ISAAC NEWTON

JOHANNES DIDERIK VAN DER WAALS

HENDRIK ANTOON LORENTZ

NILS GUSTAF DALÉN

FRANCIS WILLIAM ASTON

WILLIAM JOHN MACQUORN RANKINE

CHRISTIAAN HUYGENS

ERWIN SCHR

ERNEST LAWRENCE

ALBERT ABRAHAM MICHELSON

LEONARDO TORRES QUEVEDO

OTTO STERN

GABRIEL LIPPMANN

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Indicaciones: Realizar las siguientes sopas de letras

EXPRIMIDORA COCINA ELÉTRICA

MAQUINILLA DE AFEITAR SECADORA

ASPIRADORA PLANCHA DE ROPA

REPRODUCTOR DE DVD ESTUFA GAS TOSTADORA

CALENTADOR HORNO MICROONDAS

FRIGORÍFICO PULIDORA

LAVAPLATOS LAVAVAJILLAS HOME CINEMA

ESTUFA ELECTRICA MICROONDAS

SECADOR DE PELO COCINA DE GAS

ROOMBA

LAVADORA VENTILADOR

SANDWICHERA CONGELADOR

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Resultado de aprendizaje:

2.1 Determina el campo magnético producido en los cuerpos a partir de las cargas eléctricas en movimiento

en los mismos, a fin de establecer la magnitud de la fuerza requerida entre ellos.

9 horas

Actividad de evaluación

C P A Evidencias a recopilar

Ponderación Contenidos

2.1.1 Realiza la actividad experimental de campo magnético que permita identificar las cantidades: • Líneas de flujo magnético • Flujo magnético • Fuerza magnética • Dirección del campo

Reporte escrito de la actividad experimental de generación de campo magnético.

8% A. Análisis del magnetismo • Tipos de imanes • Inseparabilidad de los polos magnéticos • Fuerza entre polos magnéticos • Campo magnético • Magnetismo terrestre • Densidad de flujo • Intensidad del campo magnético y Permeabilidad magnética • Teorías del magnetismo • Propiedades magnéticas de los materiales - Intensidad del campo magnético • Campos magnéticos producidos por una corriente B. Determinación de Fuerzas y momentos de torsión en un campo magnético • Fuerza magnética ejercida sobre una Corriente eléctrica. • Torque magnético sobre una espira. • Momento de torsión magnética sobre un solenoide. • Funcionamiento de motores.

Resultado de aprendizaje:

2.2 Determina cargas en movimiento en los cuerpos a partir de los campos eléctricos y magnéticos variables para establecer su corriente

eléctrica.

9 horas

Propósito de la unidad:

Identificara y analizara los campos magnéticos y su manifestación en los materiales a partir de la inducción

electromagnética, para su aplicación en motores y generadores que permitan explicar el funcionamiento de dispositivos, máquinas y aparatos eléctricos en la vida

cotidiana.

25 horas

Unidad de aprendizaje: Determina el electromagnetismo en los

cuerpos. Número 2

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Actividad de evaluación C P A Evidencias a recopilar

Ponderación

Contenidos

2.2.1 Realiza la actividad experimental de la inducción electromagnética, aplicando la ley de Faraday para obtener las cantidades : • Magnitud de la fuerza electromotriz inducida en un material conductor • Dirección de la fuerza electromotriz • Cambio de la densidad de flujo • Cambio de flujo magnético • Número de espiras del solenoide

Reporte escrito de la actividad experimental de la inducción electromagnética

8% A. Determinación de la inducción Electromagnética. • Ley de Faraday- Henry • Inducción mutua • Auto inducción. • Ley de Lenz • Ley de Ampere - Maxwell. B. Aplicación de la corriente alterna • Generación de la corriente. • Circuitos de corriente alterna - Reactancia inductiva - Reactancia capacitiva. - Circuitos RCL en serie e impedancia - Potencia - Resonancia • Transformadores

Resultado de

aprendizaje

2.3 Determina el tipo onda electromagnética a partir del cálculo de la frecuencia y de sus parámetros relacionados para la transmisión de energía.

7hr

Actividad de evaluación C P A Evidencias a recopilar

Ponderación

Contenidos

2.3.1 Formula un proyecto en equipo para determinar las ondas electromagnéticas en diferentes campos de aplicación, que contenga lo siguiente: • Frecuencia. • Longitud de onda. • Velocidad de la onda

Proyecto de Aplicación de las ondas electromagnéticas

9% A. Determinación de las ondas electromagnéticas • Teoría de Maxwell sobre las ondas Electromagnéticas. • Métodos de producción de ondas. - Experimento de Hertz - Antenas • Propiedades de las ondas electromagnéticas • Ondas electromagnéticas planas • Energía y momentum B. Aplicación del espectro de la radiación electromagnética • Ondas de radiofrecuencia • Microondas • Ondas infrarrojas • Luz visible • Rayos ultravioleta • Rayos X • Rayos gama.

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Actividad 2.1.1

Indicaciones: Realiza un mapa mental sobre la unidad 2.1.1

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Unidad de aprendizaje 2. Determina el electromagnetismo en los cuerpos.

Propósito de la unidad Identificara y analizara los campos magnéticos y su manifestación en los materiales a partir de la inducción electromagnética, para su aplicación en motores y generadores que permitan explicar el funcionamiento de dispositivos, máquinas y aparatos eléctricos en la vida cotidiana

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA

INSTRUCCIONES. Relaciona ambas columnas y coloca en el paréntesis el número que

corresponda a cada respuesta.

1. Instrumento que indica el rumbo, empleado por marinos, pilotos,

cazadores, excursionistas y viajeros para orientarse.

2. ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga

eléctrica.

3. Ejemplo de radiación electromagnética es:

4. Un material ferromagnético es:

5. Ejemplo de material Diamagnético

6. En qué unidades se mide la densidad de flujo magnético.

7. En que unidades se mide el flujo magnético.

8. Dispositivo eléctrico para aumentar o disminuir el voltaje en un

circuito de corriente alterna.

9. Es un aparato que convierta la energía mecánica en eléctrica.

10. Generación de una corriente eléctrica en un conductor en

movimiento en el interior de un campo magnético

( ) Rayos X

( )Transformador

( )Generador

( )Cobre

( )ferritas

( ) Brújula

( )Radiación electromagnética

( ) Inducción Electromagnética

( )Weber

( ) Tesla

Resuelve los siguientes problemas. (30min) (5 puntos)

A) un protón de carga 1.6 x 10-19C penetra perpendicularmente en un campo

magnético cuya inducción es de 0.3T con una velocidad de 5x105m/seg ¿Que

fuerza recibe el protón?

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75

B) Calcular la corriente que circula por un alambre recto que recibe una fuerza de 2

x10-4N al ser introducido perpendicularmente a un campo magnético de 0.5T, si

se sumergen 9cm del alambre.

C) En una placa circular de 3cm de radio existe una densidad de de flujo magnético

de 2 Teslas. Calcular el flujo magnético total a través de la placa en webers.

FÓRMULAS

Ф = BA

A= πr2

F=qvB

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Resultado de aprendizaje: 2.1 Determina el campo magnético producido en los cuerpos a partir de las cargas eléctricas en movimiento en los mismos, a fin de establecer la magnitud de la fuerza requerida entre ellos.

El magnetismo (del latín magnes, -ētis, imán) es un fenómeno físico por el que los

materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos

materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente

como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin

embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de

un campo magnético.

Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo.

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

El magnetismo es producido por imanes naturales o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales, tienen la propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos diferentes llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos imanes estos se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo norte de otro se atraen. Otra particularidad es que si los imanes se parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos.

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Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro.

La atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos.

Recientemente se han descubierto aleaciones con mejores propiedades que el hierro; una de éstas es el permaloy desarrollado en los laboratorios de investigación para uso telefónico. Otra de estas aleaciones se llama álnico.

¿Qué sucede si acercamos una varilla de fierro a una barra imán? Se inducen en ella polos magnéticos, la Varilla se imanta por inducción, adquiere un polo de nombre opuesto al del polo inductor y el extremo opuesto uno del mismo nombre.

Campo magnético

La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.

Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo, rodean el imán y penetran por el otro polo.

Fuera del imán, el campo está dirigido del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están más juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos).

Campo magnético terrestre

El investigador William Gilbert (1540-1603) demostró con sus experimentos que la

Tierra se comporta como un gran imán, debido a que un extremo de la brújula apunta

hacia el norte geográfico. También demostró que cuando se rompe un imán en varios

pedazos cada uno se convierte en un nuevo imán.

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La superficie terrestre es un campo de fuerzas cuyas líneas de acción señalan en cada punto de la Tierra una dirección: la dirección Norte–Sur magnéticos, la conocida como meridiana magnética. Esta línea de fuerzas es la que nos señala la aguja de una brújula.

Las meridianas magnéticas no son círculos máximos de la esfera, sino curvas, en ocasiones muy irregulares, que concurren en los polos magnéticos.

Los polos magnéticos no coinciden con los geográficos, por eso es importante determinar una magnitud que los relacione. El ángulo que existe entre la dirección que marca el Norte geográfico, que podemos determinar, por ejemplo, por la observación a la estrella Polar, y la dirección del Norte magnético, que determinamos mediante una brújula, se denomina declinación magnética.

El problema es que los polos magnéticos cambian constantemente de posición, lo que hace que la declinación varíe con el tiempo.

El campo magnético es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol.

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

La tierra es un imán. Campo magnético terrestre.

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Actividad 2.1.2

Planteamos ahora una serie de enunciados que debes completar con la finalidad de que repases los conceptos básicos del magnetismo.

1. La sustancia magnética natural es la________________________.

2. Es la propiedad de los imanes dada para construir brújulas_________________.

3. El espacio que rodea a u imán, en el que se percibe su influencia magnética,

es______________________________________.

4. Un material que se obtiene por medio de una aleación, con mejores propiedades magnéticas

que el hierro es_______________

5. ¿Qué sucede si acercamos una varilla de hierro a una barra imán? ______________.

6. Los polos de dos imanes ____________________si son distintos y se ___________________

si son iguales.

7. La tierra se comporta como un gran _______________

8. El ángulo que existe entre la dirección que marca el Norte geográfico y la dirección del Norte

magnético, que determinamos mediante una brújula, se denomina _____________________.

9. Las _________________magnético revelan la forma del campo.

10. Podemos decir que un imán_______________ es aquel que conserva el magnetismo después

de haber sido imantado. Un imán ____________ no conserva su magnetismo tras haber sido

imantado

Densidad de flujo magnético

La densidad de flujo magnético, visualmente notada como B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo magnético.

Es decir la densidad de flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza (o sea flujo magnético) que atraviesa perpendicularmente a la unidad de área. Matemáticamente se expresa:

B=ФB/A

La unidad de la densidad (B) en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla.

El flujo magnético ФB en el SI se mide en weber (Wb).

Área sobre la que actúa el flujo magnético, se expresa en metros cuadrados.

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Ejemplo

En una placa circular de 3cm de radio existe una densidad de flujo magnético de 2 teslas. Calcular el flujo magnético total a través de la placa. 1T = 1Wb/m2

Datos:

B= 2T

r=3cm

Tipos de materiales

La mayoría de los imanes se obtienen por inducción; esto se logra sometiendo a

fuertes campos magnéticos varillas de fierro u otros materiales que poseen propiedades

magnéticas. Una de las principales características del permaloy es la facilidad con que se

imanta fuertemente bajo la influencia de un campo magnético relativamente débil, debido

a una propiedad magnética llamada permeabilidad magnética.

Permeabilidad

En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material.

La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo μ:

Permeabilidad magnética del vacío

La permeabilidad del vacío, conocida también como constante magnética, se representa mediante el símbolo μ0 y se define como:

CALCULAR EL ÁREA

A=πr2=π ( )2 =

Cálculo del flujo magnético ФB

ФB = BxA = ( ) ( 28.26X10-4m2) = 56.52x10-4wb

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Permeabilidad relativa, comparación entre materiales

Para comparar entre sí los materiales, se entiende la permeabilidad magnética absoluta (μ) como el producto entre la permeabilidad magnética relativa (μr) y la permeabilidad magnética de vacío (μ0):

μ = μrμ0

Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en:

ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1.

paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es aproximadamente 1 (se comportan como el vacío).

diamagnéticos, de permeabilidad magnética relativa inferior a 1.

Los materiales ferromagnéticos atraen el campo magnético hacia su interior. Son los materiales que "se pegan a los imanes". Esa propiedad recibe el nombre de ferromagnetismo. Ejemplos de ellos son el hierro y el níquel. Los materiales paramagnéticos son la mayoría de los que encontramos en la naturaleza. No presentan ferromagnetismo, y su reacción frente a los campos magnéticos es muy poco apreciable.

Los materiales diamagnéticos repelen el campo magnético, haciendo que éste pase por el exterior del material. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material diamagnético es el cobre.

Otro efecto de los campos magnéticos sobre los materiales es el antiferromagnetismo, que resulta en una polarización nula del material, pero produce una ordenación interna de éste.

Actividad 2.1.3

Indicaciones: Contesta brevemente las siguientes cuestiones.

1. ¿Cuál es una de las principales características del permaloy?_________________________ 2. Las sustancias magnéticas se clasifican en:_______________________________________ 3. ¿Qué sustancia es un ejemplo de material diamagnético?____________________________ 4. ¿Cómo se define el flujo magnético?

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5. ¿A qué se le llama weber?

6. Determina el flujo magnético provocado por el campo de un imán de intensidad 0.025T que atraviesa un área de 0.40m x 0.6m

Electromagnetismo

El experimento de Oersted:

Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la

Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al

mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente

eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una

posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el

experimento una gran cantidad de veces, confirmando el

fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la

electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede

considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.

Del experimento de Oersted se deduce que ;

Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea.

Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo

magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la

distancia del conductor.

Campo magnético creado por un conductor rectilíneo:

Una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad se

incrementa al aumentar la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la

distancia con respecto al conductor.

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83

En 1820 el físico danés Hans Christian Oersted

descubrió que entre el magnetismo y las cargas

de la corriente eléctrica que fluye por un

conductor existía una estrecha relación.

Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o

electrones que se encuentran en movimiento en

esos momentos, originan la aparición de un

campo magnético tal a su alrededor, que puede

desviar la aguja de una brújula.

Campo magnético creado por una espira:

El campo magnético creado por una espira por la que circula corriente eléctrica aumenta al

incrementar la intensidad de la corriente eléctrica

Campo magnético creado por un solenoide:

El campo magnético creado por un solenoide se incrementa al elevar la intensidad de la

corriente, al aumentar el número de espiras y al introducir un trozo de hierro en el interior de la

bobina (electroimán).

Bobina solenoide con núcleo de aire construida

con alambre desnudo de cobre enrollado en

forma de espiral y protegido con barniz aislante.

Si a esta bobina le suministramos corriente

eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza

electromotriz, como una batería, por ejemplo, el

flujo de la corriente que circulará a través de la

bobina propiciará la aparición de un campo

magnético de cierta intensidad a su alrededor.

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84

Bobina solenoide a la que se le ha introducido

un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si

comparamos la bobina anterior con núcleo de

aire con la bobina de esta ilustración, veremos

que ahora las líneas de fuerza magnética se

encuentran mucho más intensificadas al

haberse convertido en un electroimán.

FÓRMULAS PARA DETERMINAR EL CAMPO MAGNETICO

Campo magnético alrededor de un

conductor

B= µ0= I= d =

Campo magnético en el centro de una

bobina

B= µ0= I= r =

Campo magnético para una bobina con

n cantidad de espiras.

B= µ0= I= r = N=

Campo magnético para un solenoide

)

B= µ0= I= N = L n

NOTA. El sentido de las líneas de campo magnético se determina por la regla de la mano

derecha:

Si se coge con la mano derecha un conductor por el que circula una corriente, en la dirección

de la corriente convencional, los dedos doblados indican el sentido de las líneas de campo

magnético.

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B. Determinación de Fuerzas y momentos de torsión en un campo magnético

• Fuerza magnética ejercida sobre una corriente eléctrica. • Torque magnético sobre una espira. • Momento de torsión magnética sobre un solenoide. • Funcionamiento de motores y medidores eléctricos.

Fuerzas sobre cargas en movimiento dentro de campos magnéticos

En general, los campos magnéticos actúan sobre las partículas cargadas desviándolas de

sus trayectorias a consecuencia del efecto de una fuerza magnética llamada fuerza de Ampere.

Una carga q cuyo movimiento es perpendicular a un campo magnético con una inducción

magnética B a una cierta velocidad v, recibe una fuerza F cuya magnitud se calcula con la

siguiente expresión:

Cuando la trayectoria del movimiento de la partícula forma un ángulo Θ con la inducción

magnética B, la magnitud de la fuerza recibida por la partícula será proporcional a la componente

de la velocidad perpendicular a B. Por tanto, la fuerza F se determina con la expresión:

Por definición la inducción magnética o densidad de flujo en un punto de un campo

magnético equivale a un tesla, cuando una carga de un coulomb al penetrar perpendicularmente

al campo magnético con una velocidad igual a un metro por segundo, recibe, en dicho punto, la

fuerza magnética de un newton.

Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente.

Un conductor por el que circula una corriente está rodeado por un campo magnético. Si el

conductor se introduce en forma perpendicular a un campo magnético recibirá una fuerza lateral

cuyo valor se determina con la expresión matemática:

= BILsenΘ

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Actividad 2.1.4

Evaluación.

A continuación te presentamos un ejercicio con la finalidad de que repases los temas analizados en esta parte:

A) Solenoide B) 9X109Nm2/C2 C) μ0I D) CONDUCTOR E) UNIFORME F) Electromagnetismo G) BA H) En el interior I) ESPIRA J) EXTERIOR K) CIRCULAR L) 4πx10-7Tm/A

1) La parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con los campos magnéticos provocados por corrientes eléctricas, es: ( ) 2) El valor de la constante de permeabilidad en el vacío es:( ) 3) Es un conductor doblado en forma circular: ( ) 4) Dentro de un solenoide el campo es: ( ) 5) El campo magnético que se forma en un solenoide es más intenso: ( ) 6) Es el nombre que recibe una bobina de alambre cilíndrica: ( )

Complementa las siguientes afirmaciones. 1. Ninguna corriente se establece en un conductor sin que al mismo tiempo se establezca:___

____________________________________________________________________________

2. Todas las corrientes eléctricas tienen un campo magnético asociado con ellas, aunque el

alambre que conduce la corriente:________________________________________________

3. Al utilizar la regla de la mano derecha el dedo pulgar

indica:______________________________________________________________________

____________________ y los dedos restantes_____________________________________.

4. En un alambre recto y largo por el que fluye corriente, si aumenta la intensidad de corriente

la Magnitud de B_____________________________________________________________

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Actividad 2.1.5 Realiza los siguientes problemas.

A. Un conductor recto de 60 cm de longitud, por el que pasa una corriente de 8 A, se dispone perpendicularmente a un campo magnético de 12 x 10-2 T. ¿Qué fuerza experimenta? B. Por un conductor rectilíneo pasa una corriente de 300 A. Calcular el campo magnético en un punto situado: (a) 150 cm; (b) 6 m. C. Calcular el campo magnético en el centro de una espira circular de 12 cm de radio si circula por ella una corriente de 0.225 A. Calcularlo también para el caso de un multiplicador con 100 espiras. D. ¿Cuántas espiras debe tener un multiplicador con 15 cm de radio para producir en su centro un campo magnético 6 x 10-3 T si la corriente es de 3 A? E. Una bobina circular tiene 40 espiras y 8 cm de radio. La corriente que circula por ella tiene una intensidad de 5 A. Calcular el campo magnético en su centro.

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F. Un solenoide tiene 50 cm de longitud y consta de 800 espiras. Calcular el campo magnético en el centro y en los extremos si la intensidad de corriente que la recorre es 1.2 A.

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Actividad 2.1.6 EVALUACIÓN

Indicaciones: Contesta lo que se pide a cada pregunta.

1. ¿Qué entiendes por magnetismo?

2. ¿Qué es un imán?

3. ¿Menciona 4 aplicaciones en la vida diaria del magnetismo?

4. ¿Cómo se les conoce a las zonas donde se concentra la propiedad de atracción o repulsión?

5. Si unes 2 imanes de tal forma que queden juntos el polo norte ¿qué pasa?

6. ¿El hombre puede fabricar imanes? ¿menciona alguna forma?

7. ¿Cómo se clasifican los materiales en base así son atraídos o no por un imán?

8. Si un material es ferromagnético. ¿que indica?

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9. Menciona un material que se considere un imán natural

10. ¿cómo se les conoce genéricamente a los materiales que no son atraídos por un imán?

11. ¿Qué características tienen los materiales paramagnéticos? y da un ejemplo.

12. Menciona 4 materiales ferromagnéticos y diamagnéticos.

13. Menciona la clasificación de los materiales ferromagnético.

14. Define campo magnético y represéntalo gráficamente.

15. Define densidad de flujo magnético

16. ¿Qué unidad se utiliza para medir la densidad de flujo magnético?

17. En que magnitud para medirla se utiliza el weber.

18. ¿Qué entiendes por permeabilidad magnética?

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19. Para que sirve una brújula y en base a que es diseñada.

20. ¿La tierra se puede decir que es un imán? explica detalladamente y ¿Qué utilidad tiene está característica para los seres humanos?

21. Si se unen dos imanes, representa los posibles campos magnéticos gráficamente.

22. ¿Qué pasa si divides un imán en 2 partes y de qué forma puede perder sus propiedades magnéticas?

23. ¿Una corriente eléctrica puede producir un campo magnético y un campo magnético puede producir una corriente eléctrica?

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Resultado de aprendizaje: 2.2 Determina cargas en movimiento en los cuerpos a partir de los campos eléctricos y magnéticos variables para establecer su corriente eléctrica. Actividad 2.2.1 Indicaciones: Completa la siguiente tabla con los conceptos que se piden investigando en internet o bibliografía indicada. A. Determinación de la inducción electromagnética.

• Ley de Faraday- Henry

• Inducción mutua

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• Auto inducción. • Ley de Lenz

• Ley de Ampere - Maxwell.

• Transformadores

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Actividad 2.2.2 Indicaciones: Resuelve los siguientes problemas. A. Una espira circular con 0.015 m2 de área está en un campo magnético uniforme de 0.30 T. ¿Cuál es el flujo a través del plano de la espira, si se encuentra (a) paralela al campo, (b) formando un Angulo de 37° con el campo, y (c) perpendicular al campo? B. Una espira circular de 20 cm de radio se coloca, con orientación variable, dentro de un campo magnético uniforme de 0.15 T. Calcular el flujo magnético si la normal al plano de la espira esta (a) perpendicular al campo, (b) paralela al campo y (c) formando un ángulo de 40° con el campo.

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ACTIVIDAD 2.2.3 Indicaciones: Elabora un cuadro sinóptico sobre los siguientes puntos de corriente alterna B. Aplicación de la corriente alterna • Generación de la corriente. • Circuitos de corriente alterna - Reactancia inductiva - Reactancia capacitiva. - Circuitos RCL en serie e impedancia - Potencia - Resonancia Aplicaciones del electromagnetismo

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Resultado de aprendizaje: 2.3 Determina el tipo onda electromagnética a partir del cálculo de la frecuencia y de sus parámetros relacionados para la transmisión de energía. Actividad 2.9 Realizar una presentación de power point del 2.3.

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101

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto

de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro

electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite

(espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha

radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar.

Los espectros se pueden contemplar mediante espectroscopios que, además de

permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la

longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. La longitud de una onda

es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso .

Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de

tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de

onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz

visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de

onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más

pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el

tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y

continuo.

Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas,

aunque esta división es inexacta.

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Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a

través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida

(radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa

ampliamente en astrofísica y química. Para ello se analizan los espectros de emisión y

absorción.

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PROCEDIMIENTO

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Unidad de aprendizaje: Maneja la óptica geométrica de los cuerpos Número 3

Propósito de la unidad:

Analizara la reflexión y refracción de la luz en los materiales, para la formación de imágenes, que permitan predecir y determinar el tamaño y posición de los cuerpos formados en los espejos y lentes.

20 horas

Resultado de aprendizaje: 3.1 Determina el tipo de materiales de acuerdo con la dirección y rapidez de la luz que incide en estos.

8 horas

Actividad de evaluación

C P A Evidencias a

recopilar Pondera

ción Contenidos

3.1.1 Realiza la actividad experimental aplicando la ley de la reflexión y ley de Snell, en el que determine: • Angulo de incidencia • Angulo de reflexión. • Angulo de refracción. • Índice de refracción • Tipo de material

Reporte escrito de la actividad experimental de la reflexión y refracción de la luz.

10% A. Determinación de la Reflexión de la luz. • Superficies de ondas y rayos • Ley de la reflexión • Trazo de rayos reflejados B. Determinación de la refracción de la luz. • Ley de Snell. • Índices de refracción • Angulo de refracción y desviación de los rayos • Reflexión interna total • Dispersión C. Identificación de la reflexión y refracción de las ondas esféricas. • Reflexión del sonido • Refracción del sonido en la atmosfera • Refracción y reflexión de las ondas elásticas en la corteza terrestre.

Resultado de aprendizaje:

3.2 Determina el tamaño y distancia de imágenes de acuerdo con los parámetros establecidos, para diagramar la trayectoria del rayo luminoso de los cuerpos.

12 horas

Actividad de evaluación

C P A Evidencias a recopilar

Ponderación

Contenidos

3.2.1 Formula un proyecto en equipo en el que determine el tamaño, la distancia, y la posición de la imagen de un objeto en espejos y lentes, dibujando la trayectoria del diagrama de rayos, relacionados con situaciones prácticas y de uso diario.

Proyecto de construcción de imágenes en espejos y lentes

15% A. Determinación de imágenes en espejos • Espejos planos • Espejos esféricos • Focos de un espejo • Construcción de imágenes • Ecuaciones de los espejos • Aberraciones de los espejos esféricos B. Determinación de imágenes en lentes • Lentes. − Convergentes

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− Divergentes • Centro óptico de una lente • Foco de una lente • Potencia de una lente • Construcción de imágenes • Ecuaciones de las lentes. • Aberraciones de las lentes C. Descripción del funcionamiento de dispositivos ópticos • Proyector • Cámara fotográfica • Microscopio • Telescopio

La óptica es la rama de la Física que estudia la luz y los fenómenos que produce. La luz

se propaga por medio de ondas electromagnéticas en línea recta a una velocidad aproximada de

300 ml Km/s en el vacío

Clasificación de la óptica para su estudio:

Naturaleza de la luz

Desde tiempos muy remotos, al hombre la ha inquietado saber qué es la luz y cuál es la

causa por la que vemos las cosas.

En la antigüedad solo se interpretaba a la luz como lo opuesto a la oscuridad. Más

adelante, los filósofos griegos se percataron de la existencia de algo que relacionaba la distancia

entre nuestros ojos, las cosas vistas y la fuente que las iluminaba. Pitágoras señalaba en su teoría:

La luz es algo que emana de los cuerpos luminosos en todas direcciones, choca contera los

objetos y rebota de ellos; cuando esta penetra en nuestros ojos, produce la sensación de ver el

objeto desde el cual rebotó. Epicuro de Samos, otro filósofo griego, señalaba: la luz es emitida por

los cuerpos en forma de rayos, éstos al entrar al ojo estimulan el sentido de la vista.

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Teorías sobre la naturaleza de la luz

A fines del siglo XVII existían dos teorías que trataban de explicar la naturaleza de la luz.

Teoría Corpuscular

• Esta teoría se debe a Isaac Newton (1642-1726).

• La luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad en

línea recta por cuerpos luminosos. La dirección de propagación de estas partículas recibe

el nombre de rayo luminoso.

• Según esta teoría la luz se propagaría con mayor velocidad en medios más densos. Es uno de los puntos débiles de la teoría corpuscular.

• La teoría corpuscular era inadecuada para explicar el hecho de que dos rayos luminosos, al incidir en un punto pudieran originar oscuridad.

Teoría Ondulatoria

• Esta teoría se debe a Christian Huygens

• La luz es un fenómeno ondulatorio semejante al sonido.

• En 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el fenómeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro. (Visitar página de internet sobre videos de espectro de la luz)

Nota: Las dos teorías anteriores explican satisfactoriamente las tres características de la luz

que se habían descubierto hasta entonces.

1. Propagación rectilínea, es decir, la luz viaja en línea recta.

2. Reflexión, cuando la luz incide en una superficie lisa, los rayos luminosos son rechazados

e reflejados en una sola dirección.

3. Refracción, desviación que sufre la luz al llegar a la superficie de dos separaciones entre

dos sustancias de diferente densidad.

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A. Determinación de la reflexión de la luz.

Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, se refleja total o parcialmente en todas

direcciones. Si la superficie es lisa como un espejo se refleja o rechaza en una sola dirección.

Toda superficie que refleja los rayos de luz se recibe el nombre de espejo. Ejemplos son el

agua de una alberca o un lago, o los espejos de un cristal que pueden ser planos o esféricos. Un

ejemplo común como los utilizados en casa o en automóviles, constan de una pieza de cristal a la

cual se le deposita una capa delgada de plata en una de sus caras y para proteger dicha capa se

recubre con pintura.

Al rayo de luz que llega al espejo se le nombra incidente y al rayo rechazado por el mismo

objeto se le llama reflejado.

Leyes de la reflexión

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano. 2. El ángulo de reflexión y el ángulo de incidencia son iguales.

Comportamiento de un rayo reflejado en un espejo plano Actividad 3.1 Indicaciones: Identifica cada uno de los elementos en la siguiente figura A-B Superficie del espejo N-N Línea imaginaria perpendicular a la superficie reflectora en el punto donde incide el rayo de luz y recibe el nombre de Normal I Es el rayo incidente. R Es el rayo reflejado i Es el ángulo de incidencia R Es el ángulo de reflexión

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O Es el punto donde incide el rayo I

Espejos planos

Características de las imágenes en los espejos planos

Es derecha: Porque conserva la misma posición

Es virtual: Porque se ve como si estuviera dentro del espejo (Imagen real se recibe en un

pantalla)

Es simétrica: Porque aparentemente está a la misma distancia de la del espejo.

Presenta inversión lateral: Si movemos el brazo derecha, en nuestra imagen parece que

movemos el izquierdo.

Es del mismo tamaño que el objeto.

Espejos planos angulares

Al unir dos espejos planos por uno de sus lados forman un cierto ángulo. Al colocar un objeto en

medio de ellos, se observa un número X de imágenes, este número dependerá de la medida del

ángulo.

Para calcular el número de imágenes que se forman en los espejos angulares se emplea la

siguiente expresión.

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Dónde: N = Número de imágenes que se forman

α = ángulo que forman entre si los espejos planos

Actividad 3.2:

Indicaciones: De acuerdo con la formula determina el número de imágenes que se

formarían en cada caso.

Ángulo

Número de imágenes

300

450

600

720

900

1200

1800

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Actividad 3.3:

Indicaciones: Resuelve los siguientes ejercicos sobre espejos planos

A. Un hombre de 1.80 m de estatura está parado a 1.2 m de un espejo plano grande. ¿Elabora un dibujo del objeto, el espejo y su imagen? ¿Qué altura tendrá su imagen? ¿Qué distancia hay entre él y ésta? Consideraciones: • Las imágenes en un espejo plano son iguales a las reales. • En un espejo plano, la distancia al objeto es igual en magnitud a la distancia a la imagen.

B. Un objeto está situado de modo que forma un ángulo de 43° con un espejo plano. Calcular el ángulo formado por el objeto y su imagen. C. Un objeto está a 1 cm de distancia de un espejo plano, éste se aleja 0,5 m, ¿cuánto se mueve la imagen?

D. La imagen formada en un espejo cambia el sentido del objeto de izquierda a derecha (imagen especular).Trata de leer este texto con ayuda de un espejo.

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a) Sitúa el espejo de manera que esta zona quede en el campo visual del espejo y mira el texto reflejado en él. b) Escribe el texto anterior: __________________________________________________ _____________________________________________________________________ Ejercicio E: Escribe un texto en el siguiente espacio, para ser leído con ayuda de un espejo.

Espejos esféricos

Los espejos esféricos son casquetes de una esfera hueca, los cuales reflejan los rayos luminosos

que inciden en ellos.

Hay dos clases de espejos esféricos, los cóncavos y los convexos.

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Elementos de un espejo esférico

Actividad 3.4: Identifica cada uno de los elementos en la siguiente figura

C Centro de curvatura: Es el centro de la esfera a la que pertenece el casquete

V Vértice: Es el punto donde el eje principal hace contacto con el espejo

E.P Eje Principal: Es la recta que pasa por el V y C

E.S Eje Secundario: Cualquier recta que pase por C

F Foco: Punto donde coinciden los rayos reflejados y se encuentra a la mitad del radio de la esfera. VF Distancia focal: Representa la distancia existente entre V y F o entre F y C r Radio de curvatura: Es el radio de la esfera a la cual pertenece el espejo.

Actividad 3.5:

Indicaciones. Elaborar una maqueta de un espejo esférico y ubica todos sus elementos

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Rayos fundamentales en un espejo cóncavo

1. Rayo fundamental: Un rayo paralelo al eje principal al reflejarse pasa por el foco. 2. Rayo fundamental: Un rayo que pasa por el foco al reflejarse lo hace paralelo al eje

principal. 3. Rayo fundamental: Un rayo que pasa por el centro de curvatura se refleja en su misma

dirección

Actividad 3.6:

Indicaciones: Realiza los dibujos de los rayos fundamentales, utilizando un color para el rayo incidente y otro color para el rayo reflejado

Construcción grafica de la imagen de un objeto colocado frente a un espejo esférico cóncavo.

Para determinar las características de las imágenes que se forman en un espejo esférico cóncavo, se utilizarán las propiedades de los rayos fundamentales y debemos considerar que en la intersección de por lo menos dos rayos fundamentales se encuentra la imagen del objeto.

1. Objeto situado a la izquierda del centro de curvatura. La imagen es real (Se observa en un pantalla), invertida y situada entre el centro y el foco. Su tamaño es menor que el objeto.

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2. Objeto situado en el centro de curvatura. La imagen es real, invertida y situada en el mismo punto. Su tamaño igual que el objeto.

3. Objeto situado entre el centro de curvatura y el foco. La imagen es real, invertida y situada a la izquierda del centro de curvatura. Su tamaño es mayor que el objeto.

4. Objeto situado en el foco del espejo. Los rayos reflejados son paralelos y la imagen se forma en el infinito.

5. Objeto situado a la derecha del foco. La imagen es virtual, y conserva su orientación. Su tamaño es mayor que el objeto.

Actividad 3.7:

Indicaciones: Indica cual imagen corresponde a cada uno de los enunciados anteriores

Nota: La flecha roja es el objeto y la flecha azul es la imagen.

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Actividad 3.8:

Indicaciones. Resuelve los siguientes problemas de espejos esféricos.

A: Determina las características de la imagen de un objeto de 2 cm de alto, colocado frente a un espejo esférico cóncavo en las diferentes posiciones. Características a determinar:

Si la imagen en virtual o real

Donde se forma la imagen

Tamaño de la imagen a) El objeto está situado en el centro de curvatura b) El objeto está situado del lado derecho del centro de curvatura c) El objeto se localiza entre C y F d) El objeto se encuentra en F e) El objeto se localiza entre V y F

Resolución del problema:

1. Trazar los espejos cóncavos de X cm de diámetro para cada caso. 2. Ubicar todos los elementos del espejo cóncavo 3. Ubicar el objeto según se indica en cada inciso 4. Trazar los rayos fundamentales en cada caso. 5. Determinar las características de la imagen.

Construcción de los diagramas de los rayos y determina las características de las imágenes.

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Ecuaciones de espejos esféricos (cóncavos y convexos)

Las figuras 1 (a) y (b) muestran un espejo esférico cóncavo a la izquierda, y uno convexo; En ambos casos tenemos un objeto, situado frente a cada espejo, representado por una flecha

derecha de longitud . La distancia desde la flecha hasta el espejo está representada por do. Se

define la distancia focal f, como aquella que existe entre un punto llamado foco, identificado como F en cada figura, y el vértice del espejo. Esta distancia es igual a la mitad del radio de la superficie esférica y su importancia estriba en que un haz luminoso, que incide sobre el espejo, viajando paralelamente al eje principal, se refleja pasando por este punto, si el espejo es cóncavo, o como si saliera de este punto, si el espejo es convexo. La distancia focal es positiva para espejos cóncavos y negativa para espejos convexos. El radio de curvatura de cada espejo se define con la letra r. La ubicación de la imagen se encuentra a una distancia di. Las distancias del objeto al espejo, de la imagen al espejo, y la distancia focal están relacionadas entre sí según la siguiente fórmula establecida por Gauss.

El tamaño de la imagen se relaciona con el del objeto a través de la ecuación:

Dónde:

’ Es el tamaño de la imagen

m Es la amplificación. Si |m| > 1, la imagen es mayor que el objeto, de lo contrario es menor. Si m > 0, la imagen es derecha, de lo contrario es invertida.

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Ejemplo 1

Sea un espejo cóncavo con una distancia focal f = 12 cm. Un objeto, cuya longitud es de 5 cm, se encuentra a una distancia do = 20 cm frente al espejo. Encuentre la posición de la imagen y su longitud, y explique las siguientes características: (1) Su tamaño, (2) Si está derecha o invertida, y (3) Si es real o virtual. (En la solución expuesta en seguida discutiremos lo que son imágenes reales y virtuales)

Solución: Conocemos los valores de dos de las tres variables de la ecuación de Gauss: do y f. Necesitamos encontrar el valor de la única variable desconocida, di, así que la despejamos de la ecuación y sustituimos los valores dados.

Resultados

(1) En cuanto a su tamaño, vemos que la amplificación tiene un valor absoluto mayor que la unidad, lo que significa que la imagen es mayor que el objeto. (2) Por otro lado, en cuanto a si está derecha o invertida, vemos que m es menor que cero, lo cual significa que la imagen está invertida. (3) Por lo que respecta a si la imagen es real o virtual, esto depende de si di es positiva o negativa. De ser positiva, la imagen es real. De lo contrario, virtual. En este ejemplo es real. El ejemplo 1 describe una situación similar a la de la figura 1 (a). Notemos que la aplicación de las dos ecuaciones provistas produce resultados acordes con la figura Ejemplo 2

Sea un espejo convexo con una distancia focal f = -12 cm. Un objeto, cuya longitud es de 5 cm, se encuentra a una distancia do = 20 cm frente al espejo. Encuentre la posición de la imagen y su longitud, y explique sus características: (1) Su tamaño, (2) Si está derecha o invertida, y (3) Si es real o virtual. Solución: Nuevamente conocemos los valores de dos de las tres variables de la ecuación de Gauss. Note, sin embargo, que en este caso, por tratarse de un espejo convexo, la distancia focal es negativa. De cualquier forma, necesitamos encontrar el valor de la única variable desconocida, así que la despejamos de la ecuación y sustituimos los valores dados.

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Resultados

(1) En cuanto a su tamaño, vemos que la amplificación tiene un valor absoluto menor que la unidad, lo que significa que la imagen es menor que el objeto. (2) Por otro lado, en cuanto a si está derecha o invertida, vemos que m es mayor que cero, lo cual significa que la imagen está derecha. (3) Por lo que respecta a si la imagen es real o virtual, vemos que la distancia di es negativa, por lo tanto, la imagen es virtual. . Actividad 3.8: Indicaciones. Resuelve los siguientes problemas de espejos esféricos. a. En la siguiente tabla tenemos algunos datos para un espejo cóncavo y uno convexo. Usted debe completar las celdas vacías de la tabla 1 usando los datos conocidos y las ecuaciones correspondientes. En cada caso haga los dibujos como los de las figuras 1 (a) y (b) y compruebe que estos dibujos están de acuerdo con los resultados numéricos.

TABLA 1 DATOS PARA ESPEJOS

Variables Cóncavo Convexo

F 10 cm -20 cm

Do 30 cm

Di -4 cm

M

¿Imagen real o virtual?

¿Imagen derecha o invertida?

¿Imagen agrandada o reducida?

b. Una lámpara de 3 cm de alto se coloca a 20 cm frente a un espejo cóncavo que tiene un radio de curvatura de 15 cm. Calcule la naturaleza, el tamaño y la ubicación de la imagen correspondiente. Haga el diagrama de los rayos respectivos. Consideraciones:

La naturaleza de una imagen se determina contestando estas tres preguntas básicas: (1) ¿está de pie o de cabeza?; (2) ¿está ampliada o reducida?; (3) ¿es real o virtual? Es posible responder a estas interrogantes de manera gráfica mediante óptica geométrica o bien matemáticamente por medio de la conservación de signos. Sí la distancia del espejo al objeto es:(+)=real,(-)=virtual o si la distancia del espejo a la imagen es:(+)=real,(-)=virtual

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c. Una esfera de navidad tiene una superficie plateada y su diámetro es de 3 in. ¿Cuál es la amplificación de un objeto colocado a 6 in de la superficie de ese adorno? Consideraciones: • Determina el radio con la mitad del diámetro • Calcula el foco • Despejar la distancia de la imagen al espejo • Calcula el aumento • Determina el tamaño de la imagen

d. Un lápiz de 8 cm de largo se coloca a 10 cm de un espejo divergente que tiene 30 cm de radio. Determine la naturaleza, el tamaño y al ubicación de la imagen que se forma. Haga el diagrama de rayos. e. Un objeto de 5 cm de altura se coloca a medio camino entre el punto focal y el centro de curvatura de un espejo esférico cóncavo que tiene 30 cm de radio. Calcule la ubicación y la amplificación de la imagen.

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f. ¿A qué distancia de un espejo esférico cóncavo de 30 cm de radio habrá que colocar un objeto para que se forme una imagen invertida amplificada a 60 cm del espejo? g. Un espejo cóncavo para afeitarse tiene una distancia focal de 520 mm. ¿A qué distancia de él se debe colocar el objeto para que la imagen no aparezca invertida y tenga el doble de su tamaño real? h. Un objeto se coloca a 12 cm de la superficie de un espejo esférico. Si se forma una imagen no invertida de un tercio del tamaño del objeto, ¿Cuál es el radio del espejo? ¿El espejo es convergente o divergente? i. (a) En un espejo esférico cóncavo de 1 m de radio se forma una imagen: (i) real: (ii) virtual situada a 40 cm del objeto. Calcular en cada caso las posiciones del objeto y de la imagen. (b) Resolver El mismo problema para un espejo convexo.

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j. Un espejo esférico tiene 1.60 m de radio. Calcular la posición del objeto y el aumento si la imagen es: (a) real, situada a 180 cm; (b) virtual, a 40 cm. Determinar en cada caso la naturaleza del espejo. k. La distancia focal de un espejo cóncavo empleado para afeitarse es de 15 cm. ¿Cuál es la menor distancia a la que puede situarse una persona cuya mínima distancia de visión distinta es de 25 cm? Lentes esféricos

La figura 2 muestra un lente convergente, esférico y delgado. La línea horizontal sobre la cual se ubican los puntos C, F, F’ y C’ es el eje principal del lente. Al lado izquierdo hay un objeto, situado frente al lente, representado por una flecha derecha de longitud . La distancia desde la flecha hasta el lente está representada por do. Se define la distancia focal f, como aquella que existe entre un punto llamado foco, identificado como F en la figura 2, y el centro del lente. Note que en los lentes delgados hay dos focos, situados simétricamente a cada lado. La distancia focal es igual a la mitad del radio de la superficie esférica y su importancia estriba en que un haz luminoso que incide sobre el lado izquierdo del lente, viajando paralelamente al eje principal, se refracta pasando por F’, si el lente es convergente, o como si saliera de F, si el lente es divergente. La distancia focal es positiva para lentes convergentes y negativa para lentes divergentes. El radio

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de curvatura del lente se define con la letra r. La ubicación de la imagen se encuentra a una distancia di. Las distancias del objeto al lente, de la imagen al lente, y la distancia focal están relacionadas entre sí según la misma fórmula establecida por Gauss, para espejos esféricos, estudiada anteriormente. La ecuación para la amplificación, m, es también la misma que en los espejos. Ejemplo 1 Sea un lente convergente delgado con una distancia focal f = 16 cm. Un objeto, cuya longitud es de 10 cm, se encuentra a una distancia do = 40 cm frente al lente. Esta situación es similar a la de la figura 2. Encuentre la posición de la imagen y su longitud, y explique las siguientes características: (1) Su tamaño, (2) Si está derecha o invertida, y (3) Si es real o virtual

Figura 2 Formación de la imagen en un lente convergente

Solución: Dijimos que la ecuación que relaciona la distancia del objeto al lente, del lente a la imagen y la distancia focal, es la misma ecuación de Gauss que usamos con los espejos, por lo tanto, conocemos los valores de dos de sus tres variables: d0 y f, y necesitamos encontrar el valor de la única variable desconocida, di, así que la despejamos de la ecuación y sustituimos los valores dados, Resultados (1) En cuanto a su tamaño, vemos que la amplificación tiene un valor absoluto menor que la unidad, lo que significa que la imagen es menor que el objeto. (2) Por otro lado, en cuanto a si está derecha o invertida, vemos que m es menor que cero, lo cual significa que la imagen está invertida.

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(3) Por lo que respecta a si la imagen es real o virtual, igual que en el caso de los espejos, esto depende de si di es positiva o negativa. De ser positiva, la imagen es real, de lo contrario, virtual. En este ejemplo es real.

El ejemplo 1 describe una situación similar a la de la figura 2. Notemos que la aplicación de las dos ecuaciones provistas produce resultados acordes con la figura Ejemplo 2

Sea un lente divergente con una distancia focal f = -16 cm. Un objeto, cuya longitud es de 10 cm, se encuentra a una distancia do = 24 cm frente al lente. Encuentre la posición de la imagen y su longitud, y explique sus características: (1) Su tamaño, (2) Si está derecha o invertida, (3) Si es real o virtual. Haga el dibujo correspondiente y compruebe si sus resultados están de acuerdo con los cálculos numéricos. Ver la figura 3 Solución: Nuevamente conocemos los valores de dos de las tres variables de la ecuación de Gauss. Note, sin embargo, que en este caso, por tratarse de un lente divergente, la distancia focal es negativa. De cualquier forma, necesitamos encontrar el valor de la única variable desconocida, así que la despejamos de la ecuación y sustituimos los valores dados Resultados (1) En cuanto a su tamaño, vemos que la amplificación tiene un valor absoluto menor que la unidad, lo que significa que la imagen es menor que el objeto. (2) Por otro lado, en cuanto a si está derecha o invertida, vemos que m es mayor que cero, lo cual significa que la imagen está derecha. (3) Por lo que respecta a si la imagen es real o virtual, igual que en el caso de los espejos, esto depende de si di es positiva o negativa. De ser positiva, la imagen es real, de lo contrario, virtual. En este ejemplo es virtual.

Figura 3. Formación de una imagen virtual en un lente divergente

La figura 3 muestra la situación descrita en el ejemplo 4. Notemos que representa

fielmente lo que obtuvimos en los resultados numéricos. Note que por simplicidad, y por tratarse de un lente delgado, hemos sustituido el dibujo del lente por una línea con dos flechas invertidas en

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sus extremos, lo que se usa comúnmente para representar este tipo de lentes. Si el lente fuera convergente, las puntas de las flechas no estarían invertidas Actividad 3.9: Indicaciones. Resuelve los siguientes problemas de lentes convergentes y divergentes A. En la tabla 1 tenemos algunos datos para un lente convergente y uno divergente. Usted debe completar las celdas vacías de esa tabla usando los datos conocidos y las ecuaciones correspondientes. En cada caso haga los dibujos como los de las figuras 2 y 3 y compruebe que estos dibujos están de acuerdo con los resultados numéricos.

TABLA 1 DATOS PARA LENTES

Variables Cóncavo Convexo

f 10 cm -15 cm

do 20 cm 10 cm

di

m

¿Imagen real o virtual?

¿Imagen derecha o invertida?

¿Imagen agrandada o reducida?

B. Una lente convergente tiene una distancia focal de 90 cm. Frente a ella se encuentra un objeto de 12 mm de altura, perpendicular al eje principal y a una distancia de: (a) 2.10 m; (b) 1.80 m; (c) 1.20 m; (d) 90 cm; (e) 60 cm. Determinar en cada caso la posición, el tamaño y las características de la imagen y el aumento. Hacer además el grafico correspondiente.

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C. Una lente divergente tiene una distancia focal de 40 cm. Determinar la posición, el tamaño y las características de la imagen y el aumento cuando se coloca un objeto de 8 mm a 60 cm de la lente. Presentar soluciones analítica y gráfica. D. (a) Determinar la posición, el tamaño y las características de la imagen que una lente convergente da de un objeto virtual de 15 mm de altura, situado a 40 cm. Distancia focal: 60 cm. (b) Repetir el problema para una lente divergente. Presentar en cada caso soluciones analíticas y gráficas. E. En una lente convergente, de distancia focal igual a 40 cm, el aumento es: (a) 0.6; (b) 1.5; (c) 1; (d) 3. Determinar en cada caso las posiciones del objeto y de la imagen y las características de ambos. F. En una lente divergente de 40 cm de distancia focal, el aumento es: (a) 0.6; (b) 1.8. Determinar en cada caso las posiciones del objeto y de la imagen y las características de ambos.

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G. Determinar la distancia focal y la naturaleza de una lente que da de un objeto situado a 120 cm una imagen: (a) real a 80 cm; (b) virtual a 320 cm; (c) virtual a 60 cm; (d) real y dos veces mayor; (e) virtual y dos veces mayor; (f) real y tres veces menor; (g) virtual y tres veces menor. H. (a) En una lente convergente, de 50 cm de distancia focal, se forma una imagen: (i) real; (ii) virtual situada a 220 cm del objeto. Calcular en cada caso la posición del objeto. (b) Repetir el problema para un lente divergente.

B. Refracción de la luz

La refracción de la luz consiste en la desviación que sufren los rayos luminosos cuando llegan a la superficie de separación entre dos sustancias o medios de diferente densidad.

Leyes de la refracción

Primera ley: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran siempre en el mismo plano.

Segunda ley: Para cada par de sustancias transparentes la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción, tiene un valor constante que recibe un nombre de Índice de Refracción “n”.

La segunda ley de la reflexión de la luz se conoce como Ley de Snell

Matemáticamente esta Ley se expresa:

Dónde:

El índice de refracción también se puede calcular con el cociente de las velocidades del primer y segunda medio.

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Dónde:

V1= Velocidad de la luz en el primer medio (km/s) V2= Velocidad de la luz en el segundo medio (Km/s) Velocidad de la luz en diferentes medios

La velocidad de la luz en el vacío (c) es de 300 ml Km/s

La velocidad de la luz en el aire es de 299 030 Km/s

La velocidad de la luz en el agua es de 225 ml Km/s

Indice de refracción de diferentes medios

Sustancia Índice de refracción

Aire 1.003

Agua 1.33

Alcohol 1.36

Vidrio 1.5

Diamante 2.42

Nota:

Cuando un rayo luminoso pasa de medio menos denso (aire) a otro más denso (agua) el rayo refractado se acerca a la normal.

Cuando un rayo luminoso pasa de un medio más denso (vidrio) a otro menos denso (aire) el rayo refractado se aleja de la normal.

Ejemplo sobre refracción de la luz Un rayo luminoso llega a la superficie de separación entre el aire y el vidrio, con un ángulo de incidencia de 600. Calcular el ángulo de refracción. ¿El ángulo de refracción se acerca a la normal o se aleja?_____________________

¿Por qué se comporta de esa manera?______________________________________

Actividad 3.10 Indicaciones: Resuelve los siguientes problemas reflexión y refracción de la luz. Ejercicio A. La rapidez de la luz en cierto medio transparente es de 1.6 X 108 m/s. ¿Cuál es el índice de refracción en dicho medio?

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Consideraciones: • La velocidad de la luz en el espacio libre (V1= C= 300 ml km/s) y la velocidad en el medio. (V2) • Aplicar directamente la fórmula del índice de refracción: Ejercicio B. La luz incidente tiene un ángulo de 370 cuando pasa del aire al cristal de roca (n = 1.6). ¿Cuál es el ángulo de refracción dentro del cristal de roca? Consideraciones: • El índice de refracción de la luz cuando pasa por el aire que es igual a n=1. • De la fórmula de la ley de Snell se despeja el ángulo y se calcula. Ejercicio C. La longitud de onda de la luz de sodio es de 589 mm en el aire. Calcule su longitud de onda en glicerina. Consideraciones: • Índice de refracción de la glicerina. n=1.47 • Aplica la fórmula: Ejercicio D. la luz de un láser, con longitud de onda de 632.8nm, pasa de aire a agua. ¿Cuáles son la velocidad y longitud de onda de esta luz de laser en el agua? Consideraciones: • Índice de refracción del agua: 1.33.

• Aplicar fórmula del índice de refracción: y despeja la velocidad (V2)

(V1= C= 300 ml km/s) • Aplica la fórmula:

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131

Ejercicio E. Una onda luminosa incide sobre el agua, formando un ángulo de incidencia de 52°.calcular el ángulo de reflexión y refracción. El índice de refracción del agua respecto al aire es: 1.33 Consideraciones: • El ángulo de reflexión es el mismo que el de incidencia. • Aplica Despejar el ángulo de refracción.

Ángulo crítico

Es el ángulo mínimo de incidencia en el cual se produce la reflexión interna total. El ángulo de incidencia se mide respecto a la normal de la separación de los medios. El ángulo crítico viene dado por:

Dónde: n1 = Índice de refracción del medio (menor “n”)

n2 = Índice de refracción del medio (menor “n”)

Esta ecuación es una simple aplicación de la ley de Snell donde el ángulo de refracción es 90°.

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132

El índice de refracción de un material determinado sirve para determinar el ángulo crítico

de una sustancia. Cualquier rayo incidente (θ1) que tenga un ángulo mayor al ángulo incidente de

un determinado material, en lugar de refractarse, se reflejará.

La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.

Cuando en la refracción el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico ocurre lo que se conoce como reflexión interna total.

Reflexión interna total es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz, atravesando un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.

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133

Actividad 3.11: Indicaciones: Resuelve los siguientes problemas reflexión y refracción de la luz. Problema A. Un movimiento ondulatorio pasa de un medio, en el que se propaga con una velocidad de 300 m/s, a otro en el que la velocidad de propagación es 200 m/s. Calcular el índice de refracción. Hallar el índice de refracción si pasa del segundo al primero. Calcular el ángulo de refracción cuando el ángulo de incidencia es: 81) 30°; (2) 70° y el movimiento pasa: (a) del primero al segundo (b) del segundo al primero. Problema B. La velocidad de la luz es una sustancia de 275 000 km/s. Hallar su índice de refracción. Problema C. Empleando los datos que figura en la tabla, calcular: (a) la velocidad de la luz en el agua; (b) el índice de agua respecto al vidrio: (c) el índice del vidrio respecto al agua.

Sustancia Indice Sustancia Indice

Agua (250 C) 1.33 Vidrio flin 1.65

Alcohol (200C) 1.36 Cuarzo 1.57 – 1.45

Bisulfuro de carbono 1.63 Sodio 4.22

Vidrio crown 1.52 Diamante 2.417

Hielo 1.31 Aire 1.00029

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134

Problema D. La velocidad de la luz en dos sustancias diferentes 250 000 km/s y 200 000 km/s. Calcular sus respectivos índices de refracción Problema E .Un rayo incide en el agua con un ángulo de 40°. Calcular el ángulo de refracción y la desviación. Problema F. ¿Cuál es el ángulo de incidencia de un rayo que pasa al vidrio (crown), si el ángulo de refracción es 32°?

Problema G. Un rayo pasa del alcohol al aire. El ángulo de incidencia es 20°. Calcular el ángulo de refracción.

Problema H. Calcular el índice de refracción de una sustancia si, al pasar la luz del agua a ella con una incidencia 38°, el ángulo de refracción es de 45°.

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135

Problema I. ¿Cuál es el ángulo limite cuando la luz pasa del vidrio crown al agua? Problema J. Un pez está a una profundidad de 1.5 m. ¿A qué profundidad aparente esta, observando desde fuera del agua? Agua salada n= 1.4. Problema K. La profundidad real de un recipiente lleno de cierto líquido es de 40 cm, la profundidad aparente es de 32.4 cm. Calcular el índice de refracción del líquido. Problema L. Calcule la rapidez de la luz en (a) vidrio crow, (b) diamante, (c) agua y (d) alcohol etílico. Problema M. Si la luz viaja a 2.1 x 108 en un medio transparente, ¿Cuál es el índice de refracción dentro del dicho medio?

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Problema N. La luz pasa del agua (n = 1.33) al aire. El haz sale al aire formando un ángulo de 320 con la superficie horizontal del agua. ¿Cuál es el ángulo de incidencia dentro del agua? Problema O. Un haz de la luz tiene una longitud de onda de 600 nm en el aire. ¿Cuál es la longitud de onda de esta luz cuando penetra en vidrio (n = 1.50)?

Problema P. ¿Cuál es el ángulo crítico en relación con el aire para (a) el diamante, (b) el agua y (c) el alcohol etílico?

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Unidad de Aprendizaje: Maneja la óptica geométrica de los cuerpos. Número: 3

Práctica: Determinación de la Reflexión e imágenes en espejos Número: 7

Propósito de la práctica: Comprobar las leyes de la reflexión de la luz y las características de las imágenes en espejos.

Escenario:

Laboratorio. Duración 2

horas

Materiales, Herramientas,

Desempeños Instrumental, Maquinaria

y Equipo

• Una moneda • Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica.

• Agua • Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas y los materiales de trabajo

• Rayo laser

• Cámara de niebla • Limpia el área de trabajo.

• Base de madera con • Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos de

divisiones trabajo.

• Vaso de vidrio El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP.

• Calculadora Procedimiento

• Lápiz 1. Ponga agua hasta la mitad en el vaso de vidrio. Dentro del vaso coloca un

• Plato lápiz y observar

• 2 espejos planos ¿Cuál propiedades se observa en este experimento? ______________________.

• Plastilina 2. Coloca una moneda en el plato opaco cerca de la orilla. Uno de tus

• Banco óptico compañeros se colocará en la posición en la que no alcance a ver la moneda

dentro del plato, luego otro compañero vaciará agua al plato.

La moneda será observada completamente por el compañero.

¿Aquí se observó la reflexión o la refracción?__________________________.

3. Coloca los espejos planos en un ángulo de 180 grados. Coloque también

al frente un cuerpo y observara el número de imágenes.

4. Ponga los espejos sobre la tabla en diferentes grados y observe el número de

imágenes . Completa la siguiente tabla y calcule el número teórico de

imágenes aplicando la fórmula para los espejos.

Ángulo (grados) Teórico (Fórmula)

180

159

120

90

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141

60

30

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Unidad de aprendizaje: Interpreta el comportamiento de las partículas

en la materia Número 4

Propósito de la unidad: Identificara los principios básicos de la física moderna en la vida diaria mediante el análisis de ejemplos que involucren

situaciones reales.

20 horas

Resultado de aprendizaje: 4.1 Determina la energía eléctrica producida en los

materiales a partir del análisis de la interacción de la luz con la materia y la ecuación fotoeléctrica.

10 horas

Actividad de evaluación

C P A Evidencias a recopilar

Ponderación

Contenidos

4.1.1 Formula un proyecto en equipo, en el que determine los inicios de la Física moderna hasta hoy en día, indicando los grandes aportes de los distintos científicos involucrados

Proyecto de desarrollo de la Física moderna

10% A. Determinación de la naturaleza ondulatoria de la materia • Postulados de la relatividad. • Longitud, masa y tiempo relativista. • Relación relativista de masa y energía. • Teoría cuántica y el efecto fotoeléctrico. B. Identificación de la estructura atómica. • Modelos atómicos. - Dalton. - Thompson. - Rutherford. - Bhor. • Modelo cuántico - Números cuánticos y orbitales - Principio de exclusión de Pauli - Principio de máxima multiplicidad - Principio de indeterminación de Heisenberg

Resultado de aprendizaje:

4.2 Determina la energía de enlace en el núcleo del átomo a partir de su masa, para separar los nucleones de los materiales radiactivos

10 horas

Actividad de evaluación

C P A Evidencias a

recopilar

Ponderación

Contenidos

4.2.1 Formula un proyecto en equipo, en el que determine las aplicaciones y los peligros que presentan las radiaciones de la desintegración nuclear de los materiales radiactivos relacionados con situaciones

Proyecto de aplicación de la radioactividad

15% A. Identificación de las transformaciones nucleares • El núcleo atómico • Descripción de la radioactividad. • Clases de radioactividad - Alfa – Beta - Gamma • Periodo de semidesintegración B. Identificación de las reacciones nucleares • Fisión nuclear. • Reacción en cadena

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143

prácticas y de uso diario • Reactores nucleares • Fusión nuclear. • Aplicación de la desintegración nuclear

Proyectos de investigación

Diferenciar los conceptos de Física clásica y Física Moderna • Realizar una investigación bibliográfica o en internet acerca de la revolución que Constituyó el desarrollo de la Física moderna para el pensamiento humano y dar cuenta del desarrollo tecnológico que tuvo como consecuencia. • Explicar brevemente el significado de: La Teoría de la Relatividad Especial y General • Explicar los conceptos de relatividad, de longitud, masa y tiempo. • Establecer la relación relativista masa-energía y su aplicación en la producción de energía nuclear. • Identificar la hipótesis cuántica y proporcionar la explicación del efecto fotoeléctrico. • Describir los constituyentes del átomo y el contexto histórico en que se fueron sucediendo distintos modelos atómicos, de la mano de la experimentación. • Aplicar el modelo de Bohr a la descripción del átomo • Emplear el modelo atómico de Bohr para explicar los espectros de emisión y absorción. • Analizar las características de un modelo cuántico. • Describir y analizar los tipos de radioactividad de acuerdo al isotopo radiactivo. • Identificar algunos isótopos de importancia en medicina y otros ámbitos de aplicación pacífica de la desintegración nuclear, como la datación de material arqueológico. • Realizar la práctica núm. 9 “Generación de electricidad por medio de energía luminosa” • Realizar la práctica núm. 10 “Identificación de Mecánica cuántica

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Unidad de Aprendizaje:

Determina la electricidad en los cuerpos. Número: 1

Práctica: Generación de electricidad. Número: 1

Propósito de la práctica:

Construir una pila simple a partir de un limón para generar electricidad.

Escenario: Laboratorio Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental, Maquinaria y

Equipo

Desempeños

• Bitácora.

• 1 cable grueso de

cobre.

• Pinzas para cables.

• Clips para papel.

• 1 hoja de papel lija.

• 1 limón

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos

de trabajo. El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. 1. Prepara electrolito.

• Oprima suavemente el limón contra una superficie dura para liberar el

jugo dentro de la cáscara sin romperlo. 2. Prepara electrodos

• Quita 5 cm de plástico del cable de cobre, usando las pinzas.

• Estira el clip y cortar 5 cm del alambre.

• Lima alrededor del alambre de cobre y del clip para que no queden

rugosidades. 3. Elabora la pila

• Introduzca el alambre de cobre y el alambre del clip dentro del limón lo

más cerca uno del otro pero sin que se toquen.

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145

4. Prueba la pila

• Cierra el circuito, moja tu lengua con saliva y toca la punta de tu

lengua con los extremos libres de los dos alambres.

• ¿Qué sientes? , Anota tus observaciones

5. Compara tu procedimiento con el principio de funcionamiento de una pila .comercial 6. Responda las siguientes preguntas:

• ¿Qué tipo de transformación de la energía tiene lugar?

• ¿Qué alambre funciona como electro positivo?

• ¿Qué alambre funciona como electro negativo?

7. Elabora de manera individual el reporte escrito de la práctica que deberá incluir las conclusiones de la misma.

ADVERTENCIA DE RIESGO ELÉCTRICO

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146

Unidad de Aprendizaje:

Determina la electricidad en los cuerpos. Número: 1

Práctica: Identificación de materiales conductores y

aisladores Número: 2

Propósito de la práctica:

Diferenciar materiales que son buenos conductores de la electricidad con los aisladores.

Escenario: Laboratorio Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental, Maquinaria y

Equipo

Desempeños

• Una pila de 1.5 V.

• Un foco de 1.5 V.

• Un metro de cable.

• Cinta maskin.

• Un cartón rígido (o

una tabla) de 20 x 20 cm.

• Diferentes objetos

como regla de madera, regla de aluminio, clavo, llave de latón, goma etc.

• Un socket para el

foco de 1.5 V.

• Una navaja.

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos

de trabajo. El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento 1. Coloca el cartón rígido sobre la mesa y conecta la pila el al socket con ayuda de tres pedazos de alambre y la cinta maskin como se muestra en la figura. Con la navaja en cada extremo de cada cable corta un poco del plástico que cubre el alambre, antes de conectarlo.

2. Coloca el foco sobre el socket y entre los extremos A y B de los alambres los objetos que se mencionan sobre la tabla. Coloca uno a la vez y observa el foco.

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147

3. Escriba una X en el lugar adecuado de la tabla de resultados según se ilumine o no el foco.

Núm. Objeto foco encendido

Conductor Aislador

sí no

1 Regla de aluminio

2 Regla de madera

3 Regla de plástico

4 Clavo

5 Palillo

6 Llave de latón

7 Goma

8 Hoja de papel

9 Clip

10 Vaso de vidrio

4. Marca otra X en la tabla según se trate de un material conductor o de un aislador. Si al conectar la regla de aluminio entre los puntos A y B de la figura, se ilumina el foco, se dice que la regla de aluminio es un conductor, si no se hubiese encendido el foco, se dice que se trata de un aislador eléctrico. 5. Elabora las conclusiones de la práctica.

ADVERTENCIA DE RIESGO ELÉCTRICO

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148

Unidad de Aprendizaje:

Determina la electricidad en los cuerpos. Número: 1

Práctica: Medición del potencial eléctrico Número: 3

Propósito de la práctica:

Determinar las líneas del campo eléctrico y las superficies equipotenciales a partir de la medición del potencial en

diferentes puntos del espacio.

Escenario: Laboratorio Duración 4

Materiales,

Herramientas, Instrumental, Maquinaria y

Equipo

Desempeños

• Papel milimetrado

• Multímetro

• Cables de conexión

• Fuente de corriente

de tensión variable (5V será el máximo V de trabajo) y de corriente continua.

• Dos cubetas de

metacrilato o plástico de base transparente con electrodos de acero inoxidables: una cubeta de 20 x 15 x 5 cm (indicativo), la otra de superficie semejante y figura semicircular (ver figura).

• Dos láminas

metálicas aproximadamente de 1,5 cm de altura aproximadamente.

• Agua para la cubeta

(1 cm de profundidad aproximadamente).

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos

de trabajo El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento 1. Conocimientos técnicos previos

• Uso del milímetro para medir diferencias de potencial.

2. Arma el circuito de la figura 1. 3. Coloca en la base de la cubeta con la que trabajaremos, y por fuera, una hoja de papel milimetrado. Sobre esta hoja, previamente habremos marcado puntos, escribiendo las coordenadas, como se sugiere a continuación (figura 2). 4. Además tendremos una fotocopia de la hoja anterior para anotar los resultados de las medidas que hagamos.

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149

Fuente de alimentación de cc

5. Las líneas representadas están separadas 1 cm. Aparte tendremos otra hoja idéntica, o una tabla con las coordenadas anteriores, para anotar los valores del potencial que medimos. 6. Determina el potencial moviendo la punta roja (positiva) del multímetro por los puntos anteriores y anota los valores registrados. Completa una tabla con las coordenadas de los puntos y el potencial medido. 7. Dibuja las superficies equipotenciales del campo eléctrico. 8. Elabora un reporte final de la práctica por equipo de trabajo.

Láminas metálicas

paralelas

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150

ADVERTENCIA DE RIESGO ELÉCTRICO

Unidad de Aprendizaje:

Determina la electricidad en los cuerpos. Número: 1

Práctica: Medición de parámetros eléctricos Número: 4

Propósito de la práctica:

Determina el voltaje, la corriente y la resistencia a partir de la medición con el multímetro.

Escenario: Laboratorio Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental,

Maquinaria y Equipo

Desempeños

Plantel Celaya

151

• Fuente de

alimentación variable de 15 V.

• Multímetro.

• Resistencias de 220

ohmios, 470 ohmios y 1 k ohmios.2w.

• Placa de montaje.

• Cables y puente de

conexión.

• Interruptor.

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos

de trabajo El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento 1. Montaje: Conecta la resistencia de 220 ohmios y amperímetro (o Multímetro funcionando como amperímetro) e interruptor. Este montaje se conecta a la fuente de alimentación de voltaje variable (0 – 15 voltios). Esquema:

2. Realiza cinco medidas con la resistencia de 220 ohmios a distintos voltajes y anotamos los valores en una tabla (Voltaje-corriente). Esta operación se repite con las resistencias de 470 y 1k ohmios.

Medición V(V) I(A)

1

2

3

4

5

Medición V(V) I(A)

1

2

3

4

5

Medición V(V) I(A)

1

2

3

4

5

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152

3. Realiza una gráfica en papel milimétrico de cada una de las tablas. También puedes utilizar una hoja de cálculo de Excel.

• ¿Qué es la gráfica resultante? ¿Qué podemos decir de la relación V/I

en cada caso? ¿Qué relación existe entre la pendiente de la gráfica encontrada y el valor de cada una de las resistencias? ¿Describa la relación entre las tres magnitudes (voltaje, intensidad y resistencia)? 4. Mantenemos constante el voltaje, por ejemplo 12 V. Conecta sucesivamente las resistencias y anota los resultados de la intensidad en una tabla R/I.

Medición R(Ω) I(A)

1

2

3

4

5

5. Cuestiones

• Representa gráficamente la tabla anterior ¿Qué es la gráfica

resultante? ¿Qué podemos decir de la relación R/I en este caso? Según esta gráfica, escribe la ecuación que relaciona las tres magnitudes (voltaje, intensidad, resistencia). Si sólo disponemos de tres resistencias y tres puntos no son suficientes para trazar la gráfica, ¿cómo podemos hacer para disponer de más puntos para trazar la gráfica? 6. Elabora el reporte final de la práctica y conclusiones

ADVERTENCIA DE RIESGO ELÉCTRICO

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153

Unidad de Aprendizaje:

Determina el electromagnetismo en los cuerpos. Número: 2

Práctica: Identificación de líneas de fuerza del campo

magnético. Número: 5

Propósito de la práctica:

Identificar las formas de las líneas del campo magnético generado por imanes.

Escenario: Laboratorio Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental, Maquinaria y

Equipo

Desempeños

• Limaduras de

hierro.

• Imanes.

• Un papel.

• Un salero para

rellenar con las limaduras de hierro y poder espolvorearlas más fácilmente.

• Caja o recipiente

transparente pequeño (puede servir un bote de mermelada u otro similar).

• Limaduras de

hierro.

• Aceite (sirve

cualquier aceite de los que se utilizan en la cocina).

• Imanes.

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos

de trabajo. El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento EXPERIENCIA-1 1. En esta primera experiencia vamos a utilizar limaduras de hierro para "visualizar" las líneas de fuerza del campo magnético. 2. Coloca un papel sobre el imán y espolvorea lentamente las limaduras sobre el papel.

• Observa como las limaduras se van orientando y dibujando las líneas

de campo como se muestra en las figuras.

Líneas de campo en un imán rectangular

Líneas de campo en un imán de herradura

Plantel Celaya

154

Líneas de campo en un imán anular extraído de un auricular

Líneas de campo en un imán de nevera

3. Recupera las limaduras separa con cuidado el papel del imán y vuelve a echarlas al recipiente (salero). Ten cuidado de que el imán no entre en contacto con las limaduras, porque puede resultar un tanto trabajoso el separarlas. Lo mejor es que previamente forres el imán con plástico del que se utiliza para envolver los alimentos. 4. Prueba con distintos tipos de imanes y de diferentes formas. Enfrenta los polos de dos imanes (tanto iguales como diferentes) y observa lo que ocurre al añadir las limaduras de hierro. EXPERIENCIA-2 1. En esta experiencia vamos a fabricar un dispositivo que nos ayude a detectar las líneas de campo sin tener que añadir y retirar continuamente las limaduras de hierro. 2. Fabrica un detector: Para ello basta con rellenar el recipiente transparente con el aceite y añadir unas pocas limaduras de hierro, moviendo un poco para que se repartan uniformemente en el aceite. 3. Acerca un imán y observa cómo se orientan lentamente las limaduras, dibujando las líneas de campo. Mueve el imán y colócalo con distintas orientaciones. 4. Prueba a añadir distintas cantidades de limaduras de hierro hasta que consigas un buen detector. 5. Prueba con distintos tipos de imanes y de diferentes formas. Enfrenta los polos de dos imanes (tanto iguales como diferentes) y observa lo que ocurre. 6. Elabora un reporte de la práctica y anota sus conclusiones.

PRECAUCIÓN, SUSTANCIA TÓXICA

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155

nidad de Aprendizaje:

Determina el electromagnetismo en los cuerpos. Número: 2

Práctica: Construcción de un Motor eléctrico Número: 6

Propósito de la práctica:

Construir un motor eléctrico aplicando la leyes del electromagnetismo que describa si funcionamiento

Escenario: Laboratorio Duración 2hr

Materiales, Herramientas, Instrumental, Maquinaria y Equipo

Desempeños

• Dos metros de

alambre magneto del número 22

• Dos clips

• Un cartón de 10 cm

x 10 cm

• Un imán

• Una pila de 1.5 volts

• Cinta adhesiva

(masking tape)

• Unas pinzas de

punta

• Un pedazo de lija

• Marcador redondo

grueso

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las herramientas

y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos de

trabajo El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento 1. Enrolla dando diez vueltas de alambre alrededor del marcador. 2. Retira el marcador y con los extremos del alambre da dos o tres vueltas a la bobina que acabas de hacer, tal como lo muestra el dibujo, y así evitar que se desarme. 3. Con ayuda de las pinzas desdobla un clip y en uno de los extremos realiza un rizo. Este paso debe realizarse para los dos clips cuidando que ambos queden del mismo tamaño. 4. Para que la bobina y los clips hagan contacto eléctrico, en uno de los extremos debemos limar el barniz que cubre uno de los lados del alambre como se muestra en la figura. En el otro extremo el barniz se retira completamente. 5. El pequeño motor debe quedar arreglado tal como lo muestra el dibujo (figura 1). Los cables con los que se realiza la conexión con la pila deben tener los extremos totalmente libres de barniz; los clips, a su vez, se pegan con cinta adhesiva (masking) al cartón que sirve de base y entre ellos, debajo de la bobina, se coloca el imán también pegado al cartón.

Figura 1 6. Explica el funcionamiento del motor. 7. Elabora un reporte de la práctica y anota sus conclusiones.

ADVERTENCIA DE RIESGO ELÉCTRICO

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156

Unidad de Aprendizaje:

Maneja la óptica geométrica de los cuerpos. Número: 3

Práctica:

Determinación de la Reflexión e imágenes en espejos

Número: 7

Propósito de la práctica:

Comprobar las leyes de la reflexión de la luz y las características de las imágenes en espejos.

Escenario: Laboratorio Duración 2

Materiales, Herramientas, Instrumental, Maquinaria y Equipo

Desempeños

Bitácora.

• 1 cable grueso de

cobre.

• Pinzas para cables.

• Clips para papel.

• 1 hoja de papel lija.

• 1 limón

Ángulos (grados) Teórico (fórmula) Práctico (real)

5. Coloca ambos espejos uno frente a otro sobre el banco óptico. Coloque un objeto entre ambos y colócate de perfil, acercando su cara a uno de los espejos. Cuente el número de imágenes. ________________.

• ¿Cuál es el ángulo entre estos dos espejos? ___________________.

• Por lo tanto, con la aplicación de la fórmula, el número es: __________

imágenes. 6. Utilice el cañón de rayo láser y la cámara de niebla y observe como lo indique el profesor la reflexión de la luz y establezca las leyes de la misma para los espejos planos. Escribe las leyes de la reflexión: 1o. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________. 2o.

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157

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________. 7. Elabora un reporte de la práctica y anota sus conclusiones.

Unidad de Aprendizaje:

Maneja la óptica geométrica de los cuerpos. Número: 3

Práctica:

Determinación de Imágenes con lentes Número: 8

Propósito de la práctica:

Determinar la formación de imágenes a partir de lentes identificando sus tipos.

Escenario Laboratorio Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental,

Maquinaria y Equipo

Desempeños

• Lentes de diferentes

potencias.

• Un flexómetro.

• Banco óptico

completo.

• Una vela.

• Pantalla.

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos

de trabajo El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento 1. Clasifique y dibuja las lentes en cóncavas, bicóncavas, convexas y biconvexas del banco óptico 2. Identifica la lente convergente y la divergente. 3. Coloca una hoja de papel blanco sobre la mesa. 4. Deja pasar los rayos de una lámpara a través de una rejilla de rayos paralelos sobre la hoja. 5. Coloca la lente convergente y elabore un dibujo de los rayos. 6. Coloca la lente divergente y elabore un dibujo. 7. Colca ambas lentes y elabora un dibujo. 8. Coloca la vela en un soporte y luego sobre el banco óptico. 9. Coloca enfrente de la vela la lente convergente biconvexa. 10. Coloca la pantalla frente a la lente y mueva hasta localizar la imagen del objeto en la pantalla. 11. Mida la distancia de:

Plantel Celaya

158

a) Del objeto a la lente (p) __________________________. b) De la imagen a la lente (q) ________________________. c) ¿Cómo se observó la imagen?_______________________.

12. Calcula la distancia focal (f) de la lente con la fórmula:

13. Calcula la amplificación de la lente con la fórmula:

14. Cuestiones: Si una lente convergente puede amplificar o reducir el tamaño de la imagen, ¿existirá una posición donde la imagen quede del mismo tamaño que el objeto? ¿Cuál es esa posición? (Puede mover la lente y la pantalla hasta que la imagen tenga el mismo tamaño que el objeto y mida el valor de p, luego presentar el resultado en función del foco, es decir, un foco, dos focos, tres focos, etc.) 15.- Elabora un reporte de la práctica y anota tus conclusiones.

PRECAUCIÓN, SUSTANCIA TÓXICA

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159

Unidad de Aprendizaje:

Interpreta el comportamiento de las partículas en la materia.

Número: 4

Práctica:

Generación de electricidad por medio de energía luminosa

Número: 9

Propósito de la práctica:

Determinar la energía eléctrica a partir de la energía Luminosa sobre una celda fotovoltaica.

Escenario: Laboratorio Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental,

Maquinaria y Equipo

Desempeños

• Diodos luminosos

(LED).

• Panel fotovoltaico

comercial (3 V, 100 mA)

• Conectores

eléctricos

• Bitácora

• Lápiz

• Papel.

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la

práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los

documentos de trabajo El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento 1. Carga el panel fotovoltaico.

• Orienta el panel fotovoltaico al sol, en un día soleado,

2. Obtenga la energía eléctrica.(figura 1)

• Conectar el diodo luminoso, observando el resultado.

• Girar el panel hasta ponerlo de espaldas al sol.

• Poner toda la instalación a la sombra.

• Observar cómo afecta cada operación a la iluminación del

diodo.

• Colocar el dispositivo en una habitación iluminada. Acercar el

panel a una lámpara, acercar el panel a una ventana y registrar los resultados en cada caso. 3. Explica el proceso de transformación de la energía solar a energía eléctrica .Responda las siguientes preguntas:

• ¿Qué sucede en cada uno de los casos ensayados? ¿En

alguno de ellos no se enciende el diodo? Intenta explicar lo que sucede. Análisis de fenómenos eléctricos, electromagnéticos y ópticos. • Indica las transformaciones energéticas que se producen

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durante la experiencia. • ¿Qué es una celda fotovoltaica? ¿Puedes intuir cómo funciona? • Intenta conseguir un radio pequeño que funcione con dos pilas de 1,5 V. Quita éstas y conecta adecuadamente el panel. ¿Funciona el radio? ¿Qué aplicaciones puede tener esta tecnología solar a pequeña, mediana y gran escala? • ¿Conoces alguna aplicación concreta? Figura 1

4. Elabora de manera individual el reporte escrito de la práctica que deberá incluir las conclusiones de la misma.

ADVERTENCIA DE RIESGO ELÉCTRICO

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Unidad de Aprendizaje:

Interpreta el comportamiento de las partículas en la materia.

Número: 4

Práctica: Identificación de Mecánica cuántica Número: 10

Propósito de la práctica:

Identificar el espacio tiempo, teoría cuántica y el principio de incertidumbre en el mundo actual

Escenario: Aula Duración 2

Materiales,

Herramientas, Instrumental,

Maquinaria y Equipo

Desempeños

• Biografías de cada

investigador

• Investigación en

internet de los descubrimientos de cada uno.

• Hojas de rotafolio.

• Hojas blancas

• Regla

• Pluma y lápiz

• Aplica las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica.

• Prepara el equipo a emplear, los instrumentos de medición, las

herramientas y los materiales en las mesas de trabajo.

• Limpia el área de trabajo.

• Evita la manipulación de líquidos y alimentos cerca de los documentos de

trabajo. El grupo se dividirá en equipos de trabajo de acuerdo a las instrucciones del PSP. Procedimiento

1. ¿Sabes quiénes son ellos? Identifica los siguientes personajes de la física moderna, escribiendo el nombre de cada uno de ellos.

2. Describa las aportaciones científicas de los siguientes personajes de la física moderna:

• Albert Einstein

• Niels Bohr

• Werner Heisenberg

• Max Planck

3. Elabora un mapa mental sobre lo que hicieron o descubrieron cada uno de estos investigadores. 4. Compara con tus compañeros el trabajo realizado. 5. Expone el mapa mental realizado ante el grupo.

6. Elabora un reporte de la práctica que incluya tus conclusiones.

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163

Bibliografía

Software Office 2000 o superior • Pérez Montiel Héctor. Física II para Bachillerato General. 2a Edición, México, publicaciones cultural, 2003. • Tippens, Paul G. Física, Conceptos y Aplicaciones. 7ª Ed., México, McGraw-Hill, 2007 • Pérez Montiel Héctor. Física General. 2a Edición, México, publicaciones cultural, 2000 • http://nuclear.fis.ucm.es/FERIA/FERIA2.html • http://raulcaroy.iespana.es/FISICA/51%20fisica%20 moderna%20i.pdf • http://www.revista.dominicas.org/radioactividad.htm • http://fisica.usach.cl/~cecilia/pdf/modelosatomicos20 06_slides_magali.pdf • http://astroverada.com/_/Main/T_radioactividad.html • http://www.geocities.com/paraisonuclear/ • http://www.phy6.org/stargaze/Msun8nuc.htm Software Office 2000 o superior • Pérez Montiel Héctor. Física II para Bachillerato General. 2a Edición, México, publicaciones cultural, 2003. • Tippens, Paul G. Física, Conceptos y Aplicaciones. 7ª Ed., México, McGraw-Hill, 2007 • Pérez Montiel Héctor. Física General. 2a Edición, México, publicaciones cultural, 2000 • Wilson, Jerry D.y Buffa, Anthony J. Física. 5a edición, México, Pearson Educación, 2003 • http://www.memo.com.co/fenonino/aprenda/fisica/fisi c6.html • http://acacia.pntic.mec.es/jruiz27/contenidos.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Permeabilidad_magn%C3%A9tica

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/index9.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/magnetismo/ap01_campo_magnetico.php

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