2.3.- Ecuación fundamental de la presión hidróstatica
3.-Presión atmosférica
3.1- Barómetro de Torricelli 3.2.- Presión absoluta
4.-Principio de Pascal
5.- Principio de Arquímedes
6.- ¿Cuándo flota un cuerpo y cuándo no?
7.- Hidrodinámica
7.1.-Caudal o gasto
7.2 Flujo másico
7.3Flujo volumetrico
8.- Ecuación de continuidad
9.- Ecuación de Bernoulli para un fluido ideal
Propiedades generales de los fluidos
Los fluidos son de gran ayuda e importancia en nuestra vida diaria. Debido al estudio de los fluidos se logró que grandes barcos se desplacen en el océano y que los aviones puedan transportar material que pesen toneladas
La hidráulica es la rama de la física que estudia a los fluidos y su comportamiento cuando interactuan con otras sustancias, así como sus propiedades y aplicaciones.
La hidráulica tiene a su vez dos ramas:
La hidrostática: cuyo objeto de estudio son los fluidos en reposo, la presión generada por el agua en una presa, el funcionamiento de los frenos hidráulicos de un automovil, la flotación de los barcos. entre otro.
Características de los líquidos
Los líquidos tienen las siguientes propiedades:
Forma y volumen:
Los líquidos carecen de forma propia y toman la del recipiente que lo contiene. Sin embargo, en el espacio, en ausencia de la aceleración gravitatoria. Los líquidos tienen una forma esferica.
Los líquidos tienen un volumen determinada y presentan una superficie libre que los limita naturalmente.
Compresibilidad:
Se dice que los líquidos son incompresibles porque ofrece una gran resistencia a cualquier disminución de su volumen, pues transmiten por toda su masa la fuerza que se les aplique.
Viscosidad:
Los líquidos ofrecen cierta resistencia al desplazamiento debido a la flicción interna de sus moléculas; esta propiedad depende de la temperatura a la cual se encuentre el líquido.
Fuerza de cohesión y adhesión:
Dentro de los líquidos existen fuerzas que actúan entre sus átomos, tanto para atraer en sus moléculas como para repelerlas. Estás fuerzas se denominan fuerzas intermoléculares, son las causantes de la fuerza de cohesión y adhesión.
Fuerza de cohesión
Las fuerzas de atracción intermoléculares reciben el nombre de fuerzas de cohesión, la forma de los líquidos se debe a la poca cohesión entre sus moléculas, lo cual les brinda gran movilidad y la posibilidad de deslizarse unas entre otras. Sin embargo, en los gases las fuerzas de cohesión se pueden considerar casi nulas; por tanto, las moléculas son independientes unas de otras.
Fuerza de adhesión
Las fuerzas de atracción entre moléculas, de diferentes susutancias, reciben el nombre de fuerzas de adhesión. Las fuerzas de cohesión y adhesión son las responsables de que las superficies de los líquido se curve hacia dentro a hacia fuerza, las fuerzas de adhesión como su nombre la índica, intentan pegar el líquido al sólido, las fuerzas de cohesión por el contrario intentan separar el líquido del solido.
Por ejemplo: el agua posee fuerzas de adhesión más grandes que las de cohesión por lo que moja a un vidrio y se intento adherir a el, mientras que el mercurio tiene fuerza de cohesión más grandes que de adhesión y por tanto no lo moja.
Capilaridad:
Es el ascenso que hace un fluido por si mismo a través de un conducto estrecho o capilar, la capilaridad es responsable de la elevación del combustible en una mecha de una lampara de aceite y de la forma en la que se alimentan las plantas.
La adhesión entre el líquido y el sólido del que está formado el líquido empuja el líquido hacia arriba hasta que la masa del líquido es suficiente para detener la ascención debido a su peso.
Densidad:
La densidad (p) es la propiedad que tienen las sustancias, que expresa la cantidad de masa (m) presenta en una unidad de volumen (v). Está relación se expresa como:
p=m/v[kg/m2]
Peso específico:
Es la relación del peso de una susutancia y su volumen. Está relación del peso de una susutancia y su volumen. Está relación del peso entre volumen es una cantidad vectorial y puede expresarse como:
y=w/v= mg/v= pg[N/m3]
Hidrostática
La hidrostática es la rama de la física que estudia los fluidos en reposo. Debido a que los fluidos se adoptan al recipiente que los contiene, son capaces de almacenar energía. Está energía s e puede emplear de diversas formas y en diferentes mecanismos para efectuar trabajos exigentes.
Por ejemplo:
Un automóvil tiene un mecanismo que, con una fuerza mínima en el pedal de los frenos, puede detener toda la maquina. A éste mecanismo se le llama prensa hidráulica, y fue desarrollada por Blaiser Pascal.
Presión
La presión se define como la relación entre la fuerza ejercida por un cuerpo y su área de aplicación.
La presión es directamente proporcional a la fuerza. Esto quiere decir que si aumenta la fuerza, la presión aumenta .
La presión inversamente proporcional al área de contado.
Esto quiere decir que si el área donde se aplica la fuerza menor, la presión es mayor
Por ejemplo:
Si aplicamos una fuerza sobre una mesa, está se distribuirá en forma homogénea por toda la superficie de dicho objeto
P=fuerza/superficie= F/A [N/m2]
En el sistema internacional de Unidades, la unidad es el Newton (N), y la de el área es el m3. La unidad de presión entonces, es el Newton (N) por m3, al cual se le conoce como Pascal
1N/m3= 1Pascal
La presión hidróstatica
Cuando los líquidos entran en contacto con cuerpos sólidos ejercen fuerzas perpendículares distribuidas sobre toda la superficie de dichos cuerpos. Está presión, llamada presión hidrostática, depende de la densidad del líquido y de la profundidad a la que se encuentra inmerso del cuerpo.
Conforme se hunda un cuerpo en un líquido, mayor presión tendrá en toda su superficie debido al peso del agua, que se incremento conforme aumenta la profundidad. Si el cuerpo empieza a ascender, la presión ofrecida por el líquido disminuirá, ya que el peso del agua es menor.
Presión hidrostática en diferentes cuerpos
Ecuación fundamental de la presión hidrostática
Obtener la presión que ofrece un líquido sobre un objeto irregular sería complicado utilizando la fórmula:
1) P= F/A
Para solucionar este problema imaginemos un estanque como el que se muestra la densidad del líquido
2) p= m/v
La fuerza ejercida sobre la base de dicho estanque es el peso del líquido
3) f= w= mg
Se sustituye la ecuación (3) en la (1)
4) p= mg/a
Despejando la masa de la ecuación (2)
5) m= pv
Sustituimos la ecuación (5) en la ecuación (4)
6) p= (P)(v)(g)/ A
Recordando que el volumen es: v=(A)(h), lo vamos a sustituir en la ecuación (6)
7) p= (P)(A)(h)(g)/A
Eliminando el área de la base, finalmente queda la ecuación fundamental de la presión hidrostática:
P= (p)(h)(g)
La ventaja de está ecuación es que con sólo conocer la profundidad (h) y la densidad (p) del líquido se puede obtener la presión a la que se somete cualquier cuerpo sumergido a esa profundidad. También se llama presión de la columna del líquido. Sus unidades son N/m2, es decir, Pascales (Pa)
Presión atmosférica
Es la fuerza que el peso del aire de la atmósfera ejerce sobre la superficie terrestre.
La atmósfera es una enorme masa gaseosa que envuelve totalmente a nuestro planeta. Su peso genera una presión que se manifiesta en todo sitio y lugar de la superficie terrestre. Su valor no es fijo, ya que depende de la altitud a la que nos situemos sobre la superficie y otros factores ambientales. Se considera como patrón de medida d la presión el valor de la presión atmósferica a nivel del mar.
La atmósfera se extiende hasta unos 1000km. En sus quince primeros kilómetros se encuentra 95% de los gases que lo componen
Esta dividido en 4 capas:
Troposfera: va de los 0 alos 12km. Su espesor varia entre los polos (con temperaturas de 60 grados C) y el ecuador ( con temperaturas de 50 grados C). En ella se producen los fenómenos meteorológicos (nubes, lluvias, etc).
Estratosfera: llega hasta los 50 km de altitud. Su temperatura ascilo entre los 50 grados C y 70 grados C en la zona próxima a la capa de ozono por absorber la radiación ultravioleta del sol.
Metosfera: se extiende hasta los, 80 km de altitud.Su temperatura disminuye de forma progresiva hasta los 80 grados C.
Ionosfera: se extiende hasta los 800 km de altitud. Su temperatura varía con la radiación solar durante el día y puede llegar hasta 1500 grados C.
El barómetro es un instrumento de medida de la presión atmósferica. El modelo más sencillo fue inventado por Evangelista Torricelli, en 1644. Consiste en un tubo de vidrió de 1m de largo, con uno de sus extremos abierto y sumergido en un recipiente lleno del mismo líquido. El mercurio baja por el tubo debido a su propio peso, hasta una altura determinada, donde permanece estático. Está altura es proporcional al valor de la presión atmósferica externa, ya que el peso del mercurio es contrarrestado por el peso de la atmósfera. La altura de la columna de mercurio es independiente del diámetro del tubo y su inclinación.
A mayor presión más alta es la columna y viceversa. El aire es una mezcla de gases que, debido a su peso, ejerce una presión atmósferica, y esta varia con la altura, el valor de la presión atmósferica al nivel del mar equivale a una atmosfera (1 atm).Aplicando la ecuación general de la hidrostática a la columna del mercurio, que mide 760mm= 76.0cm= 0.76m, al nivel del mar, y conociendo la densidad del mercurio que es:
Al encender la bomba de agua de nuestros hogares, la presión del agua dentro de la tubería se incrementa. Está se mide con un aparato llamado manómetro, como el que se muestra, y se conoce como presión manométrica.
Para conocer la presión atmósferica (P atm) y la presión manométrica (P man)
P abs= P atm + P man
En muchos casos la presión manométrica es la presión hidrostática que se ejerce sobre un cuerpo.
Por Ejemplo:
La presión la presión absoluta que afecta a un buzo
Blaiser Pascal, matématico, físico y filosofo francés del siglo xvll, enunció el siguiente principio
Una presión que se ejrce en un líquido se transmite íntegramente en todo el volumen de dicho líquido.
En el estudio de la hidrostática, este principio determina el comportamiento de los fluidos en reposo. Podemos usar su estudio para la construcción de prensas hidráulicas, que son dispositivos empleados para elevar coches en los talleres o levantar pesos muy grandes.
Su principio básico de funcionamiento consiste en un depósito con dos émbolos de distanciassecciones conectadas con él. La presión ejercida por el émbolo de menor área al presionar en la superficie del líquido se transmite integramente a todo el líquido y al segundo émbolo de mayor área, simplificando la fuerza.
La presión que ejerce el émbolo menor se transmite en todos los puntos del líquido hasta el émbolo mayor. El área de aplicación del émbolo mayor es la que amplifica la fuerza.
Por esta razón es posible levantar hasta un camión de carga.
El principio de Pascal puede expresarse así:
P1=P2
Pero, como la expresión para la presión es:
P=F/A
Podemos sustituir para obtener la ecución del principio de Pascal en la forma:
Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba. Arquímides descubrió cuál es la magnitud de dicho empuje
Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimentan un empuje vertical, en dirección hacia arriba, igual al peso del volumen del líquido que es desplazado por el cuerpo.
Matematicamente, se ve de la siguiente manera:
F=(p)(g)(v) desplazado
F= fuerza boyante exprezada en Newton (N)
p= es la densidad del fluido en el que fue sumergido el cuerpo se expresa en Kg/m3
g= gravedad expresada en m/s2
v desplazado= volumen del fluido desplezado por el cuerpo se expreso en m3
Al sumergirnos en una alberca, lo que sentimos es una cierta perdida de peso. En realidad no perdemos peso sino que el agua de la alberca nos empujo hacia arriba. Esto pasa con casi cualquier cosa en el agua como cuando queremos sacar algún objeto que está en ella.
Con este principio se pueden construir submarinos. Si queremos sumergirlo a cierta profundidad o hacer que emerja, sólo se debe controlar la densidad del submarino, metiendo agua y luego expulsando la.
Si cambiamos la densidad del objeto podemos variar su posición dentro de un fluido. Observemos los siguientes casos
Caso 1: Cuando la densidad del cuerpo es mayor a la densidad del líquido en el que sumerge. Un cuerpo se hunde porque su peso es mayorque la fuerza de empuje del agua. Como todo el cuerpo se encuentran inmerso en el líquido desplazado, se podría atar un cordel para que el cuerpo no llegue hasta el fondo. La tensión que se genera en la cuerda es el peso aparente de el cuerpo
p= líquido< p cuerpo
V= cuerpo= V desplazamiento
Caso 2: la densidad del cuerpo es menor a la densidad del líquido en el que se sumerge
Vemos que el cuerpo no llega hasta el fondo. El peso del cuerpo, como su volumen, son iguales a los del líquido desplazado.
P líquido= P cuerpo
V cuerpo = V desplazado
Caso 3: Cuando la densidad del cuerpo es menor a la densidad del líquido en el que se sumerge. Observamos que el cuerpo flota y parte de su volumen queda a fuera. Entonces, el volumen del cuerpo que quedó dentro del líquido desplazado. El peso del cuerpo es igual al empuje, ya que el objeto quedó en equilibrio
P líquido > P cuerpo
V cuerpo # V desplazado
Hidrodinámica
Es la rama de la física que estudia y describe las leyes de
que rigen el movimiento de los fluidos.
Ejemplo de sus aplicaciones:
Cuando se abre la llave de agua
En el vuelo de los aviones en el funcionamiento airodinámica
En la formación de los huracanes o tornados en el transporte de agua por medio de tuberias o acueductos
Podríamos, tal vez, colocar una cubeta y medir el tiempo que toma llenarla cuando abrimos la llave de aguda. Si la cubeta tuviera dedida
Por Ejemplo:
25 L, y tomara 4 min llenarla, sabríamos entonces que el agua fluye a 25L por cada 4min , es decir 6.25 en 1 min. Este valor determina el caudal del flujo también gasto.
Se le conoce como gasto másico. si se tiene un fluido en movimiento que pasa a través de un área, el flujo másico (m) es el cambio de masa (m), que pasa por esa área por un tiempo determinado (t) , su expresión matemática es:
m= m/t
Flujo volumetrico:
También se le conoce como caudal o gasto volumetrico (Q), y se define como el volumen de fluido (V) medido en metros cúbicos (m3), que pasa a través de la sección transversal de un ducto, en un determinado tiempo (t), medido en segundo (s) se expresa matematicamente como:
Q= V/t
Cuando se pretende determinar el caudal en una tuberia, se tiene que la distancia que corre el fluido está dada en la expresión:
d=velocidad x tiempo
Mientras que el volumen del fluido está dada por el área de la sección transversal multiplicada por la distancia que recorrio
V=(A)(d)
ancho del área del fluido
Sustituimos la ecuación
V= (A)(v)(t)
Sustituimos está ecuación en la ecuación del caudal
Q=V/t = (A)(v)(t) /t= Q= (A)(v)
Ecuación de continuidad:
Cuando colocas el dedo pulgar en la salida de una manguera, disminuyes el área por donde sale el agua, sin embargo, el agua se expulsa más rápido. La ecuación de continuidad nos permite cálcular la velocidad a la que se mueve un fluido dentro de una tubería cuando se reduce o aumenta su diámetro.
La eciación de continuidad se deduce el principio de conservación de la masa. Esto significa que la cantidad de masa de fluido que entra a un conducto cerrado será la misma cantidad que salga.
Si despejamos la masa de la densidad, tendremos que:
m=(p)(v)
Se observa cómo la masa que entra en el punto 1 recorre una sección de la tuberia durante un tiempo determinada donde A1, es el área transversal del tubo en la entrada.
En otras palabras, en un cierto tiempo /\+, una cierta cantidad de masa /\m, recorre una distancia /\x1. Esto puede expresarse en la ecuación de densidad
/\m1= p/\v1= p1A1/\x1= p2A2v2/\t
Como la masa se conserva, las ecuaciones que definen el punto 1 y el punto 2 quedaría relacionadas como sigue:
/\m1=/\m2
p1A1v1/\t= p2A2v2/\t
Ccomo el tiempo es igual en ambos casos, se puede eliminarde la igualdad
p1A1v1= p2A2v2
Está es la ecuación de continuidad
Si se trata de un fluido ideal con densidad constante, se puede considerar entonces que:
A1v1=A2v2
Como el caudal es igual al producto del área por la velocidad, tenemos que, en dos puntos de una misma tubería, se debe cumplir que:
Pensemos que un líquido fluye de manera ideal a través de una tubería, se observa cómo cierto volumen del líquido marcado con verde está siendo empujado por la fuerza
F1= p1A1. Está fuerza es normal a la superficie A; sin embargo, debido a la tercera ley de Newton, existen otras fuerzas F2=p2A2.
Al mismo tiempo, se observa como A1, multiplicada por /\x es igual a un volumen (/\V). También A2, multiplicado por /\x2, es igual a un volumen (/\V2). En ambos casos el volumen es el mismo, ya que la masa y la densidad se conservan por considerar al fluido incomprensible.
De está manera, el trabajo efectuado sobre el líquido está dada sólo por el cambio en su presión
El teorema de conservación de la energía mecánica establece que " el cambio de energía mecánica es igual a la suma de todos los trabajos hehvhos por fuerzasno conservativas". Así, colocando de un lado la expresión los terminos pertenezcan al punto1, y del otro lado los terminos que corresponden al punto2, llegamos a la ecuación de Bernoulli
p1+pv1/2 (p)(g)(h1)=p2+ pv2/2+pgn2
Donde la pa es la expresión de la densidad, g la aceleración de la gravedad sobre la superficie de la tierra, v la velocidad del fluido y la h la altura.
CARGA ELECTRICA LEY DE CARGAS ELECTRICAS DIFERENTES FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO ELECTRIZACIÓN POR FROTACIÓN, CONTACTO, INDUCCIÓN
MATERIALES CONDUCTORES, MATERIALES AISLANTES MATERIALES SEMICONDUCTORES LEY DE COULUMB CAMPO ELECTRICO DE UNA CARGA Y CONJUNTO DE CARGAS ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA VOLTAJE
ELECTRODINAMICA
CORRIENTE ELECTRICA ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELECTRICO LEY DE OHM CIRCUITO EN SERIE CIRCUITO EN PARALETO POTENCIA ELECTRICA EFECTO JOULE LEYES DE KIRCHHOFF Primera ley: Ley de corriente de Kirchhoff Segunda ley: Ley de voltaje de Kirchhoff Solución de circuitos complejos
TERMOLOGÍA
La termología es la parte de la física que estudia la temperatura, así como los fenómenos en los que interviene el calor. El calor se define como el aumento o disminución de la temperatura que posee un cuerpo, su unidad es la caloría y lo podemos medir con un calorímetro. La temperatura es una medida de la energía cinética, de los átomos o moléculas que constituyen a la materia y la podemos medir con un termómetro. Las diferentes escalas en las que podemos medirla son: Celsius, Fahrenheit y Kelvin.
CALOR
El calor es una forma de energía que se transfiere de manera espontánea entre distintas zonas de un cuerpo o desde un cuerpo hacia otro.
En termodinámica, “calor” significa “transferencia de energía”. Esta transferencia siempre tiene una dirección definida por la diferencia de temperatura entre los cuerpos. El calor fluye del cuerpo más calie nte al más frío, de manera de llegar a una temperatura de equilibrio.
El calor se puede transmitir de tres formas diferentes:
●Radiación térmica. El calor se propaga a través de ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten calor de esta forma, a menos que estén a una temperatura igual al cero absoluto, 0 Kelvin.
●Conducción térmica. El calor se transmite por la agitación de las moléculas, lo que provoca que la temperatura incremente, que los líquidos se evaporen, que los sólidos se fundan y que los cuerpos se dilaten.
●Convección térmica. El calor se transfiere por medio del movimiento de un fluido, como puede ser un gas y un líquido. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola, la porción que está en contacto con su base asciende al calentarse, mientras que el agua de la superficie desciende por los lados al enfriarse y ocupa el lugar que dejó la porción caliente.
TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa.
La medición de la temperatura está relacionada con la noción de frío (menor temperatura) y de calor (mayor temperatura), que se puede percibir de manera instintiva. Además, la temperatura actúa como un valor de referencia para determinar el calor normal del cuerpo humano, información que sirve para estimar estados de salud. El calor también se utiliza para los procesos químicos, industriales y metalúrgicos
Dicha temperatura se expresa en términos de caliente o frío siendo el primero asociado con la temperatura más alta mientras que el frío es asociado con una temperatura más baja
Los grados Celsius (°C) grados Fahrenheit (°F) y Kelvin (°K) son las escalas más comunes para medir la temperatura
La temperatura se mide desde el límite inferior conocido como cero absoluto equivale 0 k o -273,16°C
No se conoce un límite superior para cuantificar la temperatura
Características:
La temperatura cuantifica el movimiento de los átomos de una sustancia o cuerpo
El efecto que tiene una temperatura sobre una sustancia dependerá de las propiedades de la misma
La temperatura está estrechamente ligada por la presiónLa temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa.
La medición de la temperatura está relacionada con la noción de frío (menor temperatura) y de calor (mayor temperatura), que se puede percibir de manera instintiva. Además, la temperatura actúa como un valor de referencia para determinar el calor normal del cuerpo humano, información que sirve para estimar estados de salud. El calor también se utiliza para los procesos químicos, industriales y metalúrgicos.
ENERGIA TERMICA
La energía térmica o energía calórica es el grado de energía interna contenida en un sistema termodinámico en equilibrio (un cuerpo, un conjunto de partículas, una molécula, etc.) y que es proporcional a su temperatura absoluta.
Dicho en otras palabras, la energía térmica es la que genera el movimiento interno y aleatorio de las partículas de un cuerpo (es decir, es equivalente a la energía cinética), que aumenta o disminuye por transferencia de energía, usualmente bajo la forma de calor o de trabajo.
La temperatura de un sistema y su capacidad de generar un trabajo (movimiento, etc.) dependen de su energía térmica. Esto se debe a que, como ocurre con todas las formas de energía, puede ser transformada, transmitida o conservada hasta cierto punto.
Esto implica que la energía térmica también es responsable de los estados de agregación de la materia, ya que, a mayores niveles de energía, mayor agitación de las partículas constituyentes de la materia y menor posibilidad de que compartan un espacio limitado.
Es un proceso de propagación del calor de un sitio a otro, produciéndose cuando hay un gradiente térmico de temperaturas.
MECANISMOS DE TRASMISION
El proceso persiste hasta que se igualan las temperaturas (equilibrio térmico), habiendo una transferencia de energía entre ellos, a través de cambios en la presión, la temperatura y volumen. Este se puede transferir de tres maneras, ya sea por convección, radiación o conducción.
❖Conducción: Se llama conducción a la transferencia de calor mediante el contacto directo de las partículas de un material con las de otro, sin transferir materia entre los cuerpos. Ocurre en todos los estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso, aunque en estos dos últimos suele preferirse la convección ❖Radiación: Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a Para que este fenómeno se perciba es necesario un cuerpo a una temperatura bastante elevada ya que la transferencia. ❖Convección: En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o líquido) en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas. La transmisión de calor por convección puede ser: Forzada: a través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría. Natural: el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.
ESCALAS DE TEMPERATURA CON 4 MODELOS
CELSIUS
Hoy se conoce como escala Celsius aquella cuyo 0 es equivalente a 0.01 grados por debajo del llamado "punto triple"
Es importante tener en cuenta que los grados Celsius también son llamados grados centígrados
La escala Celsius es la escala de temperatura más utilizada a nivel mundial. Su símbolo es ºC y se lee grados Celsius o centígrados.
En 1742, el astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744) propuso dos puntos fijos para hacer su escala de temperatura: el punto de fusión del hielo representaría el 0 ºC y el punto de ebullición del agua sería 100 ºC.
La escala Celsius y la escala Kelvin están relacionadas por la fórmula:
ESCALA KELVIN
El Kevin es la unidad de temperatura que se utiliza en el marco de una escala desarrollada por el físico irlandés William Thomson
El símbolo de esta unidad es K tomando la base del grado centígrado o Celsius por lo tanto 0 k equivale a -273,15°C. Esto quiere decir que 0 k es el ser absoluto
El Kelvin es la unidad para la temperatura en el sistema internacional y la más usada en el contexto científico su símbolo es la k y se lee Kelvin
Para definir Kelvin necesitamos saber que el triple punto del agua es el punto en el que podemos encontrar el agua en sus tres estados líquido sólido y gaseoso
Esta temperatura se estableció como 273.16 k por un acuerdo internacional en 1954 de aquí que un Kelvin se define como la fracción 1/ 273.16 de la temperatura termodinámica del triple punto del agua
La escala Kelvin es la única fundamentada en los principios termodinámicos y no en cómo se comporta un término material
ESCALA FAHRENHEIT
Originalmente , Fahrenheit planeando tres puntos fijos el más alto era la temperatura del cuerpo humano (96 °F) el punto intermedio la temperatura de la mezcla de hielo y agua (32°F) y el punto más bajo de la temperatura de una mezcla a partes iguales de hielo sal y agua (0°F)
La escala Fahrenheit es la escala de temperatura que se usa en los Estados Unidos, Liberia y Bahamas, entre otros. Su símbolo es °F y se lee grados Fahrenheit.
El físico Daniel Fahrenheit (1686-1736) describió la escala que lleva su nombre en 1724. Se basa en dos puntos fijos: la temperatura a la que el agua se congela (32 ºF) y la temperatura a la que el agua hierve (212 ºF).
El punto más alto era la temperatura del cuerpo humano (96 ºF),
El punto intermedio era la temperatura de la mezcla de hielo y agua (32 ºF).
El punto más bajo era la temperatura de una mezcla a partes iguales de hielo, sal y agua (0 ºF).
El grado Fahrenheit representado como °F es una escala de temperatura propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724 la escala se establece que las temperaturas de congelación y evaporación de agua qué son 32°F y 212°F respectivamente
Para convertir grados Fahrenheit a partir de grados Celsius se usa la siguiente formula:
Temperatura en grados Fahrenheit = ( 9/5 temperatura en grados Celsius ) + 32
ESCALA RANKING
La escalar Franklin es una escala absoluta de temperatura termodinámica en la cual todos sus valores son positivos ya que están referidos al ser absoluto
Fue propuesta en 1859 por el ingeniero escocés William John MacQuorn
La escala de Rankine usa el grado como el grado Fahrenheit, pero se mide a partir del cero absoluto como la escala Kelvin. Esta escala está actualmente en desuso.
El cero absoluto, en la escala Rankine, es equivalente a -459.67°F, es decir, la temperatura más baja posible, en la que las partículas no tienen energía cinética. A partir de ese punto, las temperaturas se suman en la escala Rankine, a diferencia de la escala Kelvin dond e se restan, ya que la escala Kelvin tiene su origen en el cero absoluto
Para convertir temperaturas de la escala Rankine a la escala Fahrenheit, se utiliza la fórmula:
\[T(°F)=T(°R)-459.67\]
Y para convertir temperaturas de la escala Rankine a la escala Kelvin, se utiliza la fórmula:
\[T(K)=\frac{T(°R)}{1.8}\]
DILATACION TERMICA
La dilatación térmica es un fenómeno físico que implica el cambio de tamaño o volumen de un material cuando experimenta variaciones en la temperatura. Este cambio se debe a la respuesta de las partículas que componen el material a las fluctuaciones térmica
Cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse. Es por ello que el cuerpo necesita aumentar su volumen. Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos casos de contracción térmic
DILATACION TERMICA LINEAL
La dilatación térmica lineal es un tipo específico de dilatación térmica que ocurre en una dimensión, generalmente en la longitud de un objeto. Se mide mediante el coeficiente de dilatación lineal, que indica cuánto cambiará la longitud de un objeto por cada grado de cambio de temperatura.
DILATACIÓN TÉRMICA SUPERFICIAL
la dilatación superficial es la expansión de una superficie que experimenta un cuerpo al ser calentado. El fenómeno de dilatación superficial se presenta, por lo general en placas metálicas o en láminas muy delgadas, donde podemos apreciar su espesor. En estas placas metálicas, al aplicarles calor se produce su expansión de su superficie o área, es decir, crecen un poco.
La dilatación superficial es la expansión de un cuerpo en dos dimensiones, incrementando de esta manera su área.
DILATACIÓN TÉRMICA VOLUMÉTRICA
Es el incremento del volumen (Tercera Dimensión) de un cuerpo en forma de un sólido geométrico por su aumento interno de temperatura. Se llama Coeficiente de Dilatación Cúbico (KC) al incremento del volumen que experimenta la unidad de volumen al aumentar su temperatura en 1°C.
El coeficiente de dilatación cúbico KC es igual al triple del coeficiente de dilatación lineal del mismo material, o sea:
KC = 3 * K
Su fórmula es:
VF: Volumen final
VO: Volumen Inicial
TF: Temperatura final
TO: Temperatura inicial
CALORIMETRIA
La calorimetría recurre a un dispositivo denominado calorímetro para la medición del calor. Lo que hace el calorímetro es registrar la cantidad de calor que un cuerpo recibe o suministra, determinando de este modo el calor específico del mismo y el calor que capta o libera.
Los calorímetros suelen ser recipientes aislados y cerrados que contienen agua, un termómetro y un elemento para agitar. Al recurrir a una fuente de calor y agitar el agua hasta conseguir un equilibrio, se mide el incremento de la temperatura mediante el termómetro. A través de cálculos, se puede conocer el calor liberado, el calor absorbido, etc.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
La conductividad térmica es una propiedad de ciertos materiales capaces de transmitir el calor, es decir, permitir el paso de la energía cinética de sus moléculas a otras sustancias adyacentes. Se trata de una magnitud intensiva, inversa a la resistividad térmica (que es la resistencia de ciertos materiales a la transmisión del calor por sus moléculas).
Formula
K= H • L / A ∆t
(K) es la conductividad térmica del material.
(H) es el flujo del calor.
(L) es la longitud del material a través del cual se transfiere el calor.
(A) es el área de la sección transversal a través de la cual se transfiere el calor.
(∆T) es la diferencia de temperatura a través del material.
CALOR LATENTE
El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos casi todas las sustancias aumentan el volumen al calentarse y se contraen al contraerse el comportamiento del agua entre 0 y 4°C constituye una importante excepción a esta regla.
Se denomina fase a una sustancia a su estado que puede ser sólido líquido o gaseoso los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación de sólido a líquido fusión y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante estos procesos tienen lugar a una temperatura constante la cantidad necesaria para producir un cambio de fase se llama calores latantes de sublimación, fusión y vaporización
El calor latente es la energía absorbida por una sustancia cuando cambia de estado; por ejemplo, de sólido a líquido en cuyo caso se conoce como calor latente de fusión – o de líquido a gaseoso – en cuyo caso se conoce como calor
Calor latente
fórmula Q = m· L Q:
cantidad de calor (medido en cal o J)
m: masa (medida en gramos o kilogramos)
L: calor latente (cal/gr o J/Kg) En el Sistema Internacional la medida para el calor latente se expresa en J/kg; sin embargo, también puede expresarse en cal/g.
CALOR ESPECÍFICO
En física, se entiende por calor específico (también llamado capacidad térmica específica o capacidad calórica específica) a la cantidad de calor que se requiere para que una unidad de una sustancia incremente su temperatura en una unidad de grado Celsius
El calor específico varía de acuerdo con el estado físico de la materia, es decir, es distinto si la materia se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso porque su particular estructura molecular incide en la transmisión del calor dentro del sistema de partículas.
Lo mismo ocurre con las condiciones de presión atmosférica: a mayor presión, menor calor específico. Para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de Unidades el calor lactante es específico se expresa a en julio por kilogramo y Kelvin en ocasiones también se expresa en calorías por gramo o grados centígrado.
El calor específico del agua es una caloría por gramo y grados centígrado es decir hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura.
De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dolong y Alexis Thérese Petit, para la mayoría de los elementos sólidos el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expone un gas mientras se suministra se consume en el trabajo de expansión por eso el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante
Fórmulas de calor específico
La fórmula más usual para calcular el calor específico de una sustancia es:
donde Q representa la transferencia de energía calórica entre el sistema y su entorno, m la masa del sistema y Δt la variación de temperatura al cual se lo somete.
Así, el calor específico (c) a una temperatura dada (T) se calculará de la siguiente forma:
c = lim (Δt→0) . Q / m.ΔT = 1/m . dQ/dT
Cuanto mayor es el calor específico de una sustancia frente a cierto suministro de calor, su temperatura variará menos. Por ejemplo, preferimos usar una cuchara de madera para cocinar y no una de aluminio ya que el calor específico de la madera es considerablemente mayor al del aluminio
ELECTROSTATICA
La electrostática es una rama de la Física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, o lo que es lo mismo, el comportamiento de las cargas eléctricas en situación de equilibrio. Dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen.
La electrostática surgió mucho antes de que se comprendiera que la electricidad y el magnetismo son fenómenos emparentados y que deben estudiarse conjuntamente.
Los antiguos griegos ya habían notado los extraños fenómenos que surgían de frotar un trozo de ámbar con lana u otros tejidos, y cómo atraían objetos pequeños con electricidad estática.
La formulación de la Ley de Coulomb en el siglo XVII y de las Leyes de Maxwell en el siglo XIX dio forma definitiva a esta disciplina de la física y sentó las bases para su inclusión en el estudio formal del electromagnetismo.
El objeto de estudio de la electrostática es la electricidad estática, definida como el fenómeno producido entre dos cuerpos que han acumulado una carga eléctrica, ya sea por inducción o por fricción.
CARGA ELECTRICA
En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas y se evidencia por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, a través de campos electromagnéticos.
La materia compuesta por átomos es eléctricamente neutra, es decir, no está cargada a menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica positiva (protones).
Sin embargo, la materia puede cargarse eléctricamente, es decir, puede ganar o perder carga, y así quedar cargada en forma negativa o positiva. La materia cargada genera un campo eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza.
Las cargas eléctricas no pueden crearse ni destruirse. La cantidad de carga eléctrica en el universo es constante, no cambia con el tiempo.
Los materiales responden de distinto modo a la inducción electromagnética. Algunos son conductores de la electricidad y otros son aislantes, es decir, no la conducen.
Conforme al Sistema Internacional de Medidas (SI), las cargas eléctricas se miden en una unidad llamada Coulombios o Coulombs (C). Su nombre se estableció en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), uno de los mayores estudiosos de este tipo de fenómenos físicos.
Una unidad de Coulomb se define como la cantidad de carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio por un conductor eléctrico en un segundo. Un amperio corresponde a 6,242 x 1018 electrones libres
LEY DE CARGAS ELECTRICAS
Ley de cargas eléctricas se refiere a la ley de colon que establece la relación entre las fuerzas eléctricas y las cargas eléctricas. Esta ley fue formulada por el físico francés Charles Agustín en Coulomb
La ley de Colón establece que la fuerza eléctrica entre dos cargas eléctricas es diferentemente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional cuadrados de la distancia entre ellas matemáticamente se expresa de la siguiente manera
F=K
F = Es la fuerza eléctrica entre dos cargas
K= Es la constante de proporcionalidad electrostática ( 9×10 ⁹ N m²/c²)
r= Es la distancia entre las cargas
Cloroide column también establece que la fuerza eléctrica tiene dirección y sentido siguiendo al principio de acción y reacción
Es decir, si una carga ejerce una fuerza sobre otra carga la segunda carga una fuerza de igual lo magnitud, pero en dirección opuesta sobre la primera carga
Esta ley fundamental para comprender las interacciones eléctricas entre cargas y es aplicable tanto en cargas puntuales como a distribuciones de cargas más complejas
DIFERENTES FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO
Es un proceso en el cual se genera una separación de cargas en un objeto neutro debido a la presencia de un objeto cargado eléctricamente cercano sin que haya un contacto directo entre ellos
En la electrización por inducción del objeto cargado eléctricamente incluye una distribución de cargas en el objeto neutro sin que haya una transferencia física de electrones entre ellos.
Electrización por frotación
La electrización por rotación es un proceso en el cual se genera carga eléctrica en un objeto contrario contra otro objeto que de diferente material este proceso se basa en la transferencia de electrones entre los objetos durante el contacto y el frotamiento
Cuando se frota un objeto con otro los átomos de ambos objetos interaccionan entre sí algunos átomos pueden ganar electrones adquiriendo una carga negativa esto crea un desequilibrio o de carga entre dos objetos
Algunos materiales tienden a perder electrones más fácilmente mientras que otras tienden a ganar electrones esto determina que un objeto adquiere una carga positiva y cuál adquirir una carga negativa durante el proceso de enfrentamiento
La electrización comportamiento es un fenómeno comúnmente observado en la vida cotidiana y se utilizan diversas aplicaciones como en la generación de electricidad estática y en la fabricación de dispositivos electrónicos
Electrización por contacto
La electrización por contacto es un proceso en el cual se transfiere carga eléctrica de un objeto cargado a otro objeto que inmediatamente están a otro esto ocurre cuando ambos objetos entran en contacto directo entre sí una carga eléctricamente entra en contacto con un objeto neutro parte de la carga eléctrica del objeto cargado se transfiere carga ocurre debido a la distribución de los electrones en los átomos de ambos objetos
Si el objeto cargado tiene un exceso de electrones (carga negativa) al entrar en contacto con con el objeto neutro algunos de esos electrones pueden moverse desde el objeto cargado hacia el objeto neutro como resultado del objeto neutro adquiere una carga negativa mientras que el objeto cargado puede perder parte de su carga
Por otro lado, si el objeto cargado tiene una diferencia de electrones (carga positiva) al entrar en contacto a algunos electrones pueden moverse
Electrización por inducción
Es un proceso en el cual se genera una separación de cargas en un objeto neutro debido a la presencia de un objeto cargado eléctricamente cercano sin que haya un contacto directo entre ellos
En la electrización por inducción del objeto cargado eléctricamente incluye una distribución de cargas en el objeto neutro sin que haya una transferencia física de electrones entre ellos
1- Aceleramiento del objeto inductor:
El objeto de cargado eléctricamente se acerca al objeto neutro sin que llegue a tocarse la carga del objeto inductor provoca una separación de cargas en el objeto inducido, pero sin que haya una transferencia de carga
2- Conexión a tierra o separación:
En esta etapa se puede realizar una conexión o tierra o simplemente separar al objeto inductor del objeto inducido
MATERIALES CONDUCTORES, AISLANTES Y SEMICUNDUCTORES
Los materiales conductores son aquellos que, en mayor o menor medida, son capaces de conducir electricidad. Este tipo de materiales permiten el desplazamiento libre y fluido de electrones de un punto a otro si se conectan a un punto de tensión.
Los metales como el cobre, hierro, oro, aluminio y plata son los mejores materiales conductores de electricidad.
La conductividad eléctrica de los materiales se mide a través de los electrodos en una solución acuosa y estandarizada a una determinada temperatura. El resultado de la medición es el contenido iónico del material, lo que permite conocer cuál es su capacidad de conducción eléctrica.
SUS CARCTERISTCAS SON
No ofrecen resistencia al paso de la corriente eléctrica a través de ellos, garantizando su libre circulación.
Permiten el libre flujo de electrones entre partículas, lo que facilita la conducción de electricidad. El cobre se usa como referencia para medir y comparar el grado de conducción de otros materiales.
Cuentan con un gran número de electrones libres que se mueven a través del material, facilitando la transmisión de la carga de un objeto a otro.
Tienen una estructura atómica que permite el paso de la electricidad, sin necesidad de requerir una gran cantidad de energía para el paso de electrones entre un átomo y otro.
Son altamente maleables; es decir, pueden manipularse sin llegar a romperse.
MATERIALES AISLANTES
Los materiales aislantes de electricidad son aquellos que ofrecen una alta resistencia al flujo de corriente eléctrica, impidiendo su transmisión, por lo que actúan como mediadores entre diferentes conductores eléctricos, así como entre estos y el contacto humano, lo cual evita cortocircuitos y protege a las personas de descargas, lesiones o siniestros derivados de las mismas.
Características de los Materiales aislantes
Baja conductividad: dado que las cargas eléctricas internas de los materiales aislantes no pueden moverse, causan una escasa magnitud de corriente, por lo que su nivel de resistividad es elevada.
Alta resistencia térmica: tienen la capacidad de oponerse al flujo de calor; entre más elevada sea, más eficaz es el aislamiento eléctrico.
Transmisión acústica nula o parcial: aíslan o atenúan el nivel sonoro en determinado espacio.
Ejemplos de materiales aislantes
Madera: dado que se compone por sales, fibras y presenta cierta humedad, no acumula energía ni calor. Asimismo, sus propiedades térmicas naturales contrarrestan la temperatura del agua.
Corcho: tejido vegetal que, debido a su poco peso y densidad, permite generar elementos con varias capas del material, lo que aumenta su eficacia. Además, es impermeable.
MATERIALES SEMICONDUCTORES
Un semiconductor es todo aquel material que, dependiendo de las circunstancias —temperatura, presión, radiación y campos magnéticos—, puede actuar como conductor, permitiendo el paso de la corriente, o como aislante, impidiendo el paso de la misma. Los semiconductores, por tanto, se diferencian de los conductores en que pueden ejercer ambas funciones al mismo tiempo. En la actualidad, el semiconductor más utilizado es el silicio, especialmente en la industria electrónica e informática, por ser el más abundante en la naturaleza y el que mejor se comporta a altas temperaturas
TIPOS DE SEMICONDUCTORES
Dependiendo de su pureza, los semiconductores se clasifican en dos tipos:
Intrínsecos: son puros, ya que su estructura molecular está conformada por un solo tipo de átomo, como el silicio, el germanio, el estaño, el selenio o el telurio.
Extrínsecos: son aquellos a los que se añaden impurezas en un proceso conocido como dopaje, cuyo fin es aumentar la conductividad de los materiales.
Al dopar un semiconductor intrínseco con impurezas, se pueden obtener dos tipos de semiconductores extrínsecos:
Tipo P: al dopar un átomo tetravalente (como el silicio) con otro trivalente (como el aluminio, el boro o el galio), hay tres electrones para cuatro enlaces covalentes, generándose un hueco por el que se produce el flujo de electrones que da lugar a la corriente eléctrica. Debido a la carga positiva del hueco, son conocidos con la letra P.
Tipo N: se forman al dopar un átomo tetravalente (como el silicio) con otro pentavalente (como el fósforo, el antimonio o el arsénico). Al haber cinco electrones y cuatro enlaces covalentes, un electrón con carga negativa, de ahí la letra N, queda libre para desplazarse a través de la red cristalina, aumentando la conductividad del semiconductor intrínseco.
LEY DE COULUMB
La ley de Coulomb se emplea en el área de la física para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo.
A partir de esta ley se puede predecir cuál será la fuerza electrostática de atracción o repulsión existente entre dos partículas según su carga eléctrica y la distancia que existe entre ambas.
La ley de Coulomb debe su nombre al físico francés Charles-Augustin de Coulomb, quien en 1785 enunció esta ley:
“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.
Esta ley constituye la base de la electrostática y se representa de la siguiente manera:
F: fuerza eléctrica de atracción o repulsión en Newtons (N). Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen.
k: es la constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. La fuerza varía según la permitividad eléctrica (ε) del medio, bien sea agua, aire, aceite, vacío, entre otros.
q: valor de las cargas eléctricas medidas en Coulomb (C).
r: distancia que separa a las cargas y que es medida en metros (m)
Ejemplo 1
Tenemos dos cargas eléctricas, una de +3 C y una de -2 C, separadas a una distancia de 3 metros. Para calcular la fuerza que existe entre ambas cargas, es necesario multiplicar la constante K por el producto de ambas cargas. Como se observa en la imagen, se ha obtenido una fuerza negativa.
Ejemplo ilustrado de cómo aplicar la ley de Coulomb:
Campo eléctrico de una carga y de un conjunto de cargas
Un campo eléctrico es un campo físico o región del espacio que interactúa con cargas eléctricas o cuerpos cargados mediante una fuerza eléctrica. Su representación por medio de un modelo describe el modo en que distintos cuerpos y sistemas de naturaleza eléctrica interactúan con él.
Dicho en términos físicos, es un campo vectorial en el cual una carga eléctrica determinada (q) sufre los efectos de una fuerza eléctrica (F).
Estos campos eléctricos pueden ser consecuencia de la presencia de cargas eléctricas, o bien de campos magnéticos variables, así, un campo eléctrico es esa región del espacio que se ha visto modificada por la presencia de una carga eléctrica.
Los campos eléctricos no son medibles directamente, con ningún tipo de aparato. Pero sí es posible observar su efecto sobre una carga ubicada en sus inmediaciones, es decir, sí es posible medir la fuerza que actúa sobre la carga (intensidad). Para ello se emplean newton/coulomb (N/C).
Unidades del campo eléctrico
Los campos eléctricos no son medibles directamente, con ningún tipo de aparato.
Pero sí es posible observar su efecto sobre una carga ubicada en sus inmediaciones, es decir, sí es posible medir la fuerza que actúa sobre la carga (intensidad). Para ello se emplean newton/coulomb (N/C).
Fórmula del campo eléctrico
La ecuación que relaciona un campo eléctrico E con la fuerza que ejerce sobre una carga q está dada por la siguiente ecuación:
F= qE
Donde F es la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga eléctrica q introducida en el campo con una intensidad E. Notemos que tanto F como E son magnitudes vectoriales, dotadas de sentido y dirección.
Intensidad del campo eléctrico
La intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que representa la fuerza eléctrica F actuando sobre una carga determinada en una cantidad precisa de Newton/Coulomb (N/C). Esta magnitud suele denominarse sencillamente "campo eléctrico" debido a que el campo en sí mismo no puede ser medido, sino su efecto sobre una carga determinada.
Para calcularla se utiliza la fórmula F = q.E, tomando en cuenta que si la carga es positiva (q > 0), la fuerza eléctrica tendrá el mismo signo que el campo y q se moverá en el mismo sentido; mientras que si la carga es negativa (q < 0), ocurrirá todo al revés.
ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA
"La Energía Potencial Eléctrica es la energía que tiene una carga eléctrica debido a su posición en relación con otra u otras cargas eléctricas".
El movimiento de las cargas eléctricas es debido a esta energía.
Los cuerpos que poseen carga eléctrica pueden tener carga positiva o negativa, por ejemplo, un electrón tiene carga eléctrica negativa y un protón positiva.
Resulta que cuando un cuerpo tiene carga eléctrica genera una región de espacio a su alrededor (campo eléctrico) donde si introducimos otra carga eléctrica, esta se verá afectada por la primera.
Cualquier carga que introduzcamos en el campo de la carga + se verá sometido a una fuerza debida al campo eléctrico de esta carga.
Esta fuerza será mayor cuanto más cerca esta una carga de la otra, es decir depende de la posición dentro del campo eléctrico
Es por eso que la energía que tendrá la carga dentro del campo, al igual que en la piedra se llamaba potencial gravitatorio, en la carga eléctrica se llamará energía potencial y eléctrica, ya que es producida por el campo eléctrico.
Tienes que darte cuenta de que la carga nueva que introducimos dentro del campo también tiene su propio campo, lo que hace que también sobre la carga + inicial que crea el primer campo, se genere en ella una fuerza por causa del segundo campo generado por la nueva carga que entra en el campo inicial.
Es decir 2 cargas tienen dos campos y si las dos cargas están dentro de cada uno de los campos producidos por cada una de ellas, las dos cargas tendrán una fuerza.
Estas dos fuerzas harán que las dos cargas o se separen o se junten.
VOLTAJE
El voltaje es la magnitud responsable de crear la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, se refiere al trabajo realizado por una unidad de carga eléctrica cuando se desplaza a través de dos puntos en un campo eléctrico específico.
La medición del voltaje se realiza empleando una herramienta de medición conocida como voltímetro. Este dispositivo se conecta en paralelo con la fuente de energía cuyo potencial eléctrico se desea obtener. Su unidad de medida es el voltio
TIPOS
Voltaje inducido: fuerza que se induce para generar la energía eléctrica que recorrerá un circuito.
Voltaje alterno: es el más común en las tomas de corriente. Los valores están alternados, su frecuencia varía en función del país donde se ubique.
Voltaje de corriente directa: habitual en motores y baterías. Se obtiene al transformar una corriente alterna en una continua.
Voltaje continuo: habitual en chips y microprocesadores. Son corrientes que no presentan alteraciones, el voltaje es constante.
ELECTRODINAMICA
Electrodinámica. Estudio de las relaciones entre los fenómenos eléctricos, magnéticos y mecánicos. Incluye el análisis de los campos magnéticos producidos por las corrientes, las fuerzas electromotrices inducidas por campos magnéticos variables, la fuerza sobre las corrientes en campos magnéticos, la propagación de las ondas electromagnéticas y el comportamiento de partículas cargadas en campos magnéticos y eléctricos.
La electrodinámica clásica se ocupa de los campos y las partículas cargadas en la forma original descrita sistemáticamente por James Clerk Maxwell, en tanto que la electrodinámica cuántica aplica los principios de la mecánica cuántica a los fenómenos eléctricos y magnéticos. La electrodinámica relativista trata de la conducta de las partículas cargadas y de los campos, cuando la velocidad de ellas se aproxima a la de la luz.
CORRIENTE ELECTRICA
Se llama corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material conductor, debido al desplazamiento de los electrones que orbitan el núcleo de los átomos que componen al conductor.
Este movimiento de partículas se inicia una vez que en los extremos del conductor se aplica una tensión externa, como una batería, por ejemplo. Esta tensión genera un campo eléctrico sobre los electrones que, al poseer carga negativa, se ven atraídos hacia la terminal positiva.
Para transmitirse, la corriente eléctrica requiere de materiales que dispongan de una gran cuota de electrones libres, es decir, ubicados en su última órbita alrededor del núcleo y, por lo tanto, susceptibles de movilizarse al estar menos fuertemente atraídos por éste.
En ese sentido puede distinguirse entre materiales conductores, semiconductores y aislantes, de acuerdo a su capacidad de transmitir la corriente eléctrica (buena, poca y nula, respectivamente).
Los primeros experimentos con la electricidad fueron en el siglo XVIII y disponían únicamente de cargas eléctricas obtenidas por frotamiento (estática) o por inducción.
Tipos de corriente eléctrica según su naturaleza, la corriente eléctrica puede ser de varios tipos:
Corriente continua (CC). También llamada corriente directa (CD), consiste en un flujo de cargas eléctricas que no cambia su sentido en el tiempo, es decir, que se produce en base a una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) cuyos terminales de mayor y menor potencial no son intercambiables. Dicho de otro modo, su sentido de circulación es siempre el mismo.
Corriente alterna (CA). A diferencia de la continua, se trata de una corriente eléctrica cuyo sentido y dirección varía cíclicamente. Esta corriente se describe matemáticamente por ondas senoidales y en términos energéticos es mucho más eficiente que la corriente continua, razón por la cual la reciben los hogares y las empresas. Fue inventada por Nikola Tesla a finales del siglo XIX.
Corriente trifásica. La corriente trifásica es la forma de electricidad más comúnmente generada y consiste en tres corrientes alternas de idéntica frecuencia y amplitud, dadas en un orden determinado y llamadas fases. Este sistema, producto también de los experimentos de Tesla, es sumamente eficaz y, por ende, el más popular del planeta.
ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELECTRICO
Un circuito eléctrico consta de cinco tipos de elementos fundamentales: elementos generadores, elementos conductores, elementos receptores, elementos de maniobra y control e por último elementos de protección. Para que exista un circuito tien que haber, por lo menos, un generador, un medio conductor y un receptor.
Generadores: Son los encargados de impulsar la energía eléctrica por todo el circuito eléctrico.
En el mercado podemos encontrar varios tipos de generadores para cada necesidad, desde sencillos hasta un poco más complejos como por ejemplo las baterías o las turbinas para una central eléctrica
Conductores: Es la vía por donde se moviliza la energía eléctrica en el circuito. Constituyen todos aquellos elementos que facilitan la circulación de la energía por el circuito. Los más utilizados son los cables, los cuales están compuestos por cobre. También se suelen usar las pistas de cobre. Este último tiene mayor demanda en las placas electrónicas.
Receptores: Reciben la corriente eléctrica y la transforman en otro tipo de energía, como por ejemplo, un bombillo.
Elementos de maniobra: Estas piezas se encargan de la interacción en el circuito eléctrico. Dicha interacción está ajustada a la necesidad del usuario. Uno de los elementos de maniobra más usados en distintos tipos de electricidad son los interruptores, quienes realizan a la perfección la función de maniobrar la energía.
Elementos de protección: Como su nombre lo indica, cumplen el objetivo de resguardar el circuito eléctrico de manera automática.
El fusible: Se trata de una pieza que protege al circuito eléctrico en caso de presentarse un cortocircuito o un alto voltaje de electricidad, ya que es el que recibe el impacto del cortocircuito o del voltaje, evitando que la avería afecte el resto del sistema.
LEY DE OHM
La ley de Ohm se usa para determinar la relación entre la diferencia de potencial (V), la corriente eléctrica (I) y la resistencia eléctrica (R), en un circuito eléctrico. Establece que la intensidad de la corriente eléctrica (I) que circula por un circuito eléctrico es directamente proporcional a la diferencia del potencial (V), que aplicamos entre los extremos del circuito eléctrico y es inversamente proporcional a la resistencia eléctrica (R) del conductor.
ConceptoDefiniciónUnidad de medidaSímbolo
Diferencia de potencial (V)Es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por un conductor de un circuito eléctrico.Volt[V]
Corriente eléctrica (I)Flujo de carga eléctrica que circula a través de un material por unidad de tiempo.Ampere[A]
Resistencia eléctrica (R)Es la propiedad que posee un material para oponerse al paso de electrones a través de él.Ohm[Ω]
CIRCUITO EN SERIE
Se llama circuito en serie a un tipo de circuito eléctrico provisto de un único camino para la corriente, que debe alcanzar a todos los bornes o terminales conectados en la red de manera sucesiva, es decir uno detrás de otro, conectando sus puntos de salida con el de entrada del siguiente.
Si lo explicamos con una metáfora hidráulica, tendremos dos o más depósitos de agua dispuestos de manera tal que la tubería de salida de uno es la de entrada del siguiente, y así sucesivamente.
Los circuitos en serie suministran a los terminales la misma cantidad de corriente en la misma idéntica intensidad, y provee al circuito de una resistencia equivalente igual a la suma de las resistencias de cada terminal conectado, pero siempre más alta que la mayor de ellas; esto significa que a medida que añadimos terminales, la resistencia incrementa (en vez de disminuir, como en los circuitos en paralelo).
Los circuitos en serie son útiles porque permiten la suma del voltaje, sobre todo en lo referido a generadores; esto es, permiten acumular la potencia de la red. Por eso ciertos aparatos emplean un número determinado de baterías para alimentarse: porque sólo así pueden alcanzar el voltaje requerido. Caso contrario requeriríamos una sola pila más potente y costosa.
Elementos de un circuito en serie
Los elementos que componen un circuito en serie no son en esencia distintos de los de un circuito de otro tipo. La diferencia sustancial es cómo están dispuestos. De ese modo, tenemos que un circuito en paralelo se compone de:
Una fuente eléctrica. En donde se origina la energía que se transmite por el conductor.
Un conductor. Usualmente elaborado de un material metálico (cobre, etc.) que va desde la fuente hasta los terminales y de vuelta, permitiendo el flujo electrónico que es la electricidad etc.
CIRCUITO EN PARALETO
Cuando hablamos de un circuito en paralelo o una conexión en paralelo, nos referimos a una conexión de dispositivos eléctricos (como bobinas, generadores, resistencias, condensadores, etc.) colocados de manera tal que tanto los terminales de entrada o bornes de cada uno, como sus terminales de salida, coincidan entre sí.
El circuito en paralelo es el modelo empleado en la red eléctrica de todas las viviendas, para que todas las cargas tengan el mismo voltaje. Si lo entendemos usando la metáfora de una tubería de agua, tendríamos dos depósitos de líquido que se llenan simultáneamente desde una entrada común, y se vacían del mismo modo por un desagüe compartido
Este tipo de circuitos permiten reparar alguna conexión o dispositivo sin que se vean afectados los demás, y además mantiene entre todos los dispositivos la misma exacta tensión, a pesar de que mientras más dispositivos sean más corriente deberá generar la fuente eléctrica. Además, la resistencia obtenida de esta manera es menor que la sumatoria de las resistencias del circuito completo: mientras más receptores, menor resistencia.
La gran ventaja de los circuitos en paralelo es esa: la independencia de cada estación de la red, cuya posible falla no alteraría en absoluto la diferencia de potencial que hay en los extremos del circuito. Esta es su principal diferencia de uso con los circuitos en serie.
POTENCIA ELECTRICA
La potencia eléctrica es un parámetro que indica la cantidad de energía eléctrica transferida de una fuente generadora a un elemento consumidor por unidad de tiempo. En nuestro hogar determina la cantidad de aparatos eléctricos que podemos conectar a la red de manera simultánea. Calcular la potencia eléctrica que se necesita para un hogar o una empresa permitirá saber qué cantidad de energía es necesario contratar, lo que contribuirá a reducir la factura de la luz, o cuántos dispositivos pueden estar conectados a la vez.
EFECTO JOULE
El efecto Joule es un fenómeno por el que los electrones en movimiento de una corriente eléctrica impactan contra el material a través del cual están siendo conducidos.
La energía cinética que tienen los electrones se convierte entonces en energía térmica, calentando el material por el que circulan.
Explicación del Efecto Joule
James Prescott Joule descubrió en 1841 que cuando una corriente eléctrica fluye por un sólido o líquido con una cierta conductividad, la energía eléctrica se convierte en calor a través de las pérdidas resistivas de forma irreversible. Los electrones que colisionan, tal y como se ha explicado, con los átomos del material conductor, causando que el calentamiento de éste. Pero ¿de qué factores depende este fenómeno?
La Resistencia (R): Es la oposición que ejerce un material al paso de los electrones. Cuanto
mayor sea, más colisiones ocurrirán y el material se calentará más. Se expresa en ohmios.
La Intensidad (I): La cantidad de electrones que recorren el circuito por unidad de tiempo. Se expresa en amperios.
Energía disipada (E): La energía que se disipa en un conductor al circular por él energía eléctrica. Se expresa en Joules o Julios.
Tiempo (t): El tiempo durante el que fluye la corriente.
E = R·I2·t
LEYES DE KIRCHHOFF
En el análisis de circuitos eléctricos no suele ser suficiente con emplear la ley de Ohm, para ello se acude a las leyes de Kirchhoff que complementan el análisis de circuitos como una herramienta eficaz para analizar y resolver una gran variedad de circuitos eléctricos. Las leyes de Kirchhoff se llaman así en honor al físico alemán Gustav Robert Kirchhoff quien introdujo la ley de corriente (o primera ley de Kirchhoff) y ley de tensión (o segunda ley de Kirchhoff).
Primera ley: Ley de corriente de Kirchhoff
La ley de corriente de Kirchhoff o primera ley está basada en la ley de la conservación de la carga, lo cual implica que la suma algebraica de las cargas dentro de un sistema no puede cambiar.
“Estableciendo en la ley de corriente de Kirchhoff (o LCK por sus siglas) que, la suma algebraica de las corrientes que entran a un nodo es cero.”
Esto se puede expresar matemáticamente como,
∑_(n=1i)^N in=0
Donde:
N = Número de ramas conectadas al nodo.
in = n-ésima corriente que entra o sale del nodo.
Segunda ley: Ley de voltaje de Kirchhoff
La ley de voltaje de Kirchhoff o segunda ley está basada en el principio de conservación de la energía, lo cual implica que la suma algebraica de la energía producida dentro de un sistema siempre permanece constante.
“Estableciendo en la ley de voltaje de Kirchhoff (o LTK por sus siglas) que, la suma algebraica de las tensiones en una trayectoria cerrada (o malla) es cero.”
Esto se puede expresar matemáticamente como,
Donde:
M = Número de tensiones presentes en la malla.
Vm = m-ésima tensión en la malla.
SOLUCION DE CIRCUITOS DIRECTOS Y COMPLEJOS
Solución de circuitos de corriente directa
Las resistencias se encuentran en toda clase de circuitos, desde secadoras para el cabello y planchas, hasta circuitos que limitan o dividen la corriente, o reducen o dividen un voltaje. Es frecuente que tales circuitos contengan varios resistores, por lo que es apropiado considerarlos como combinaciones de resistencias, las más simples son aquellas resistencias que se encuentran conectadas en serie y en paralelo.
Solución de circuitos complejos
Las dos reglas de Kirchhoff son todo lo que se necesita para resolver una amplia variedad de problemas de redes. Siempre se debe obtener de las reglas de Kirchhoff cierto número de ecuaciones independientes igual al número de incógnitas, de manera que sea posible resolverlas simultáneamente.
Propiedades generales de los fluidos
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