Download Semana 12 Electricidad y magnetismo (parte 1)

Movimiento
Semana
12parabólico
Electricidad y magnetismo (parte 1)
Semana 11
¡Empecemos!
Ya hemos estudiado diferentes
fenómenos físicos relacionados
con el movimiento de los cuerpos. Para esta semana te presentamos los aspectos teóricos
y prácticos relacionados con los
experimentos eléctricos.
La historia de la electricidad
tuvo sus inicios hace 2.500 años,
con lo que aparentemente solo
eran juegos recreativos de salón. En esa época muy poca importancia se daba
a los fenómenos eléctricos, por lo que hubo que esperar hasta la era moderna
para descubrir su utilidad. Tales de Mileto atrayendo pajillas y papeles con
una varilla de ámbar, que previamente había frotado con una tela, pudo sospechar que la fuerza oculta existente en dicho experimento llegaría con el
tiempo a ser de gran importancia para la humanidad.
¿Qué sabes de...?
Para comprender debidamente el tema de esta semana, investiguemos lo
siguiente:
1. ¿Qué es la energía eléctrica?
2. ¿Cómo se genera la energía eléctrica?
3. ¿Qué dispositivos utilizamos para generar, transmitir y medir la energía
eléctrica?
4. Investiga los instrumentos llamados voltímetro y amperímetro: ¿cómo
se utilizan en los circuitos en serie y paralelo?
El reto es...
Para realizar una actividad práctica, busca con tus compañeros los siguientes materiales:
• Dos pilas de 1,5 voltios.
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Semana 12
Electricidad y magnetismo (parte 1)
• Tres bombillos para linterna.
• Tres portalámparas.
• Cables conectores (caimanes).
• Voltímetro y amperímetro (o multímetro).
La práctica consiste en lo siguiente:
Circuito en serie
1. Coloca un bombillo en el portalámparas y conecta en un extremo el cable de conexión y el otro al terminar el amperímetro.
A
12
Lectura 1
Figura 36
2. Asocia las pilas con cinta y conéctalas al bombillo y al amperímetro.
3. Conecta el voltímetro. Determina el valor de la corriente y el voltaje en
el circuito.
4. Determina la resistencia del bombillo, reemplazando los valores i y V en
la siguiente ecuación:
V
R=
i
5. Escribe los valores en la tabla de registro (tabla 17).
Tabla 17
R (Ω )
V1(V)
V2(V)
V3(V)
252
V1 + V2 + V3
V (pilas)
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6. Conecta en serie los tres bombillos.
7. Ubica el voltímetro en el primer bombillo; halla su valor y anótalo en la
tabla 17.
8. Repite el proceso con los otros dos bombillos y has tus anotaciones en
la tabla 17.
9. Suma los tres voltajes obtenidos.
10. Con el voltímetro determina el voltaje de las pilas sin que estén conectadas a los bombillos; anota el voltaje en la tabla 17.
Analiza tus resultados respondiendo a los siguientes planteamientos:
11.Calcula la resistencia equivalente.
12.¿Cómo podemos explicar que el voltaje de la pila no sea igual a la suma
de todos los voltajes?
13.Con el valor de la resistencia equivalente y el voltaje de las pilas, determina la corriente del circuito. ¿Es igual esta corriente al valor obtenido
en el paso 3? Explica tu respuesta.
14.Investiga cómo realizar una experiencia como esta, pero para un circuito en paralelo.
Vamos al grano
Circuitos eléctricos
Un circuito eléctrico está formado por la asociación de una serie de elementos conductores que hacen posible el mantenimiento en su interior de una
corriente eléctrica. Si los generadores producen una diferencia de potencial
constante entre sus bornes o polos, la corriente producida será continua. Tal
es el caso de las pilas y las baterías.
Tabla 18
Elemento
Símbolo
Elemento
Símbolo
Conductor
Interruptor
cerrado
Pila
Motor
M
Resistencia
Generador
G
Interruptor
abierto
Amperímetro
A
Voltimetro
V
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Semana 12
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En los circuitos de corriente continua pueden distinguirse básicamente dos
tipos de elementos: los generadores y los receptores. Los primeros aportan
al circuito la energía necesaria para mantener la corriente eléctrica; los segundos consumen energía eléctrica o bien la disipan en forma de calor, como es
el caso de las resistencias, o la convierten en otra forma de energía, como
sucede en los motores.
Asociación de resistencias
Existen dos modos fundamentales de conectar o asociar las resistencias entre sí, en serie y en paralelo o derivación:
• En la asociación en serie las resistencias se conectan una tras otra de
modo que por todas ellas pasa la misma intensidad de corriente.
• En la asociación en paralelo la conexión se efectúa uniendo los dos
extremos de cada una de ellas a un mismo par de puntos. En este caso,
la diferencia de potencial entre los extremos de cualquiera de las resistencias asociadas es la misma pero, de acuerdo con el principio de no
acumulación de cargas, la intensidad total que llega al nudo o punto de
bifurcación se reparte entre ellas.
• En la asociación mixta las conexiones pueden ser en serie y en paralelo.
Se denomina resistencia equivalente de una asociación de resistencias a
aquella resistencia única por la que podría sustituirse la asociación sin alterar
la intensidad que circula por el circuito.
Tabla 19
Circuito en serie
Circuito en paralelo
I = I1 = I2 = I3
I = I1 = I2 = I3
En un circuito en serie la intensidad de corriente es constante.
V = V1 + V2 + V3
La intensidad de corriente es igual
a la suma de las intensidades parciales.
V = V1 = V2 = V3
La diferencia de voltaje (tensión) en En un circuito en paralelo la diferenlos extremos del circuito es igual a la cia de voltaje es la misma.
suma de las diferencias de voltaje de
cada elemento del circuito.
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Electricidad y magnetismo (parte 1)
Semana 12
1 = 1 + 1 + 1
Re
R2
R3
R1
La resistencia equivalente es igual a la La resistencia equivalente es igual a
suma de las resistencias del circuito.
la suma de los inversos de cada resistencia del circuito.
Re = R1 + R2 + R3
La Ley de Ohm
Cuando entre los extremos de un conductor se establece una diferencia de
potencial V, aparece en él una corriente eléctrica de intensidad I que lo atraviesa. Dado que I es consecuencia de V, debe existir una relación entre sus
valores respectivos. Para conductores metálicos dicha relación es lineal o de
proporcionalidad directa y constituye la Ley de Ohm.
La comprobación experimental de la Ley de Ohm pueda efectuarse con la
ayuda de los siguientes medios:
• Una fuente de f.e.m. cuya tensión de salida pueda graduarse a voluntad.
• Una resistencia metálica que hará las veces de conductor.
• Un voltímetro, un amperímetro y cables de conexión.
La expresión puede escribirse, haciendo intervenir a la resistencia, en la siguiente forma:
V=I·R
Esta constituye la expresión más conocida de la Ley de Ohm.
A partir de la ecuación anterior se define el ohm (Ω) como la unidad de resistencia eléctrica en la siguiente forma:
1ohm (Ω) =
1 volt (V)
1 ampere (A)
Efectos caloríficos de la corriente eléctrica. Ley de Joule
El calentamiento de los conductores por el paso de la corriente eléctrica
fue uno de los primeros efectos observados por los científicos estudiosos de
los fenómenos eléctricos; sin embargo, habría de pasar algún tiempo antes
de que se conociera la magnitud de tal efecto calorífico y los factores de los
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Semana 12
Electricidad y magnetismo (parte 1)
que depende. J. P. Joule (1818-1889) se interesó desde joven en la medida de
temperaturas de motores eléctricos, lo que le permitió hacia 1840 encontrar
la ley que rige la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica a
través de un conductor.
La Ley de Joule establece que la cantidad de calor producida es directamente proporcional a la resistencia R del conductor, al cuadrado de la intensidad
de corriente I que lo atraviesa y al tiempo t. Es decir:
Q = I2 · R · t
La potencia calorífica representa el calor producido en un conductor en
la unidad de tiempo. Su expresión se deduce a partir de la Ley de Joule de la
siguiente forma:
P=
Q
t
=
I2 · R · t
t
= I2 · R
Puesto que el calor es una forma de energía, se expresa en Joule (J) y la
potencia calorífica en Watts (W). Cuando se combinan la Ley de Ohm y la potencia calorífica resulta otra expresión para la potencia eléctrica consumida
en un conductor:
P = IR · I = I · V
Para comprender la aplicación de las fórmulas y cómo realizar un análisis
para solucionar una situación que involucre el movimiento parabólico, estudiemos lo siguiente:
Situación 1: Según el circuito de la figura 37, determina:
a) La resistencia total.
b) La intensidad total.
c) El voltaje en cada resistencia.
d) La intensidad por cada resistencia.
e) La energía calorífica producida en R2 en un minuto.
f ) La potencia de la pila.
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Semana 12
Electricidad y magnetismo (parte 1)
La letra k significa el prefijo kilo y es igual a
la potencia 1k=103=1000.
R2
500Ω
R1
1kΩ
R3
1kΩ
V1
12V
R4
1kΩ
Figura 37
Soluciones
a) Las resistencias R1 y R2 están en paralelo y las resistencias R3 y R4
se encuentran en serie. Para obtener la resistencia total debemos
hacer lo siguiente:
1
Re (Paralelo)
=
1
1
1
500Ω +1000Ω
1
+
=
+
=
= 0,003Ω
R2
1000Ω
500Ω
500000Ω2
R1
Re (Paralelo) = 333,33Ω
como Re (Paralelo) y Re (Serie) están en serie
RT = Re (Paralelo) + Re (Serie) = 333,33Ω + 2000Ω = 2333,33Ω
b) Como ya conocemos la resistencias totales, podemos saber la intensidad de corriente total del circuito, aplicando la Ley de Ohm:
V=I·R
IT =
VT
= 12V
RT
2333,33Ω
= 0,0051A
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Semana 12
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c)Los voltajes para las resistencias R3 y R4 son:
V3 = I · R3 = 0,0051A · 1000 Ω = 5,1V y
V4 = I · R4 = 0,0051A · 1000 Ω = 5,1V
Como el caso de R1 y R2 los voltajes son V1=V2=V, ya que están en
paralelo:
V T = V3 + V4 + V
V = V T - V3 - V4 = 12V - 5,1V - 5,1V = 1,71V
d) La intensidad de corriente para R1 y R2 viene dada por:
V
1,71V
V
1,71V
=
= 3,4 x 10-3 A y I2 =
=
= 1,71 x 10-3 A
I1 =
R1
500Ω
R2
1000Ω
e) Analizamos el efecto joule en R2:
Q = I22 · R2 · t = 1,71 x 10-3 A · 1000Ω · 60s = 102,6J
f ) Calculamos la potencia de la fuente con la fórmula:
P = IT · V T = 0,0051A · 12V = 0,061W
Para saber más…
Consulta la siguiente web interactiva que muestra de manera ilustrativa
el tema de los circuitos eléctricos: http://goo.gl/gc1bN
Aplica tus saberes
1. Según el circuito de la figura 38 determina:
a) La resistencia total.
b) La intensidad total.
c) El voltaje en cada resistencia.
d) La intensidad por cada resistencia.
e) La energía calorífica producida en R5 en dos minutos.
f ) La potencia de la pila.
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R1
R3
3kΩ
9kΩ
R2
R4
R5
1kΩ
5kΩ
1kΩ
V1
30V
Figura 38
2. En el circuito mixto de la figura 39:
a) Calcula el valor de la resistencia equivalente.
b) La intensidad en cada rama, las caídas de tensión.
c) La potencia disipada en cada resistencia.
l1
R1 = 32 Ω
l3
R3 = 100 Ω
l2
V T = 16 V
R2 = 180 Ω
R6 = 20 Ω
R4 = 70 Ω
R5 = 100 Ω
Figura 39
3. En el ámbito industrial y doméstico la energía eléctrica se mide en kilovatios por hora (kWh), que es la energía que consume un aparato eléctrico de 1kW de potencia durante una hora. Si los artefactos funcionan a
un voltaje de 120V y 1kWh cuesta Bs. 0,12, calcula cuánto dinero cuesta
la energía que se consume en un mes (30 días):
a) Una nevera de potencia 200W, que permanece conectada.
b) Un televisor de potencia 230 W, que se usa 8 horas al día.
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Electricidad y magnetismo (parte 1)
Comprobemos y demostremos que…
1. Realiza un informe sobre la experiencia vivida en “El reto es” y entrégalo
a tu facilitador.
2. Encuentra con tus compañeros las soluciones de los problemas y ejercicios y consulta con tu facilitador las dudas que tengas.
3. Autoevaluación. Responde a las siguientes preguntas de manera reflexiva y responsable:
Indicadores
¿Comprendí el desarrollo de las actividades?
¿Procuré solucionar las dudas que tuve?
¿Acepté mis errores y los corregí?
¿Trabajé con orden y limpieza?
¿Compartí mis saberes con los compañeros?
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Si Medianamente No