Blog 4° n 2
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Este documento presenta una guía de estudio sobre electrodinámica para estudiantes de cuarto medio. Explica conceptos clave como intensidad de corriente, diferencia de potencial, resistencia eléctrica y circuitos eléctricos. Incluye definiciones, fórmulas y ejemplos numéricos para ilustrar cada concepto. También propone problemas para que los estudiantes apliquen lo que aprendieron.
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- 1. Física Nivel 4° Medio GUIA DE ESTUDIO Tema: Electrodinámica La Electrodinámica estudia el movimiento de las cargas eléctricas a través de conductores, lo que constituye una corriente eléctrica. Motivo de estudio de la Electricidad, elemento fundamental en la vida moderna. En esta guía de estudio, analizaremos los conceptos de intensidad de la corriente, diferencia de potencial, resistencia eléctrica y sus aplicaciones en circuitos eléctricos. Corriente eléctrica: Llamaremos corriente eléctrica al movimiento orientado de partículas con cargas eléctricas por un conductor. El movimiento se produce al establecer un campo eléctrico dentro del conductor y el transporte de carga irá de un punto a otro, los electrones que se desplazan no son generados por la fuente de energía sino que forman parte de la estructura misma del metal conductor y la función de aquella es solamente ponerlos en movimiento. Intensidad de la corriente eléctrica Si a través de una sección transversal de un conductor pasa una carga “q” en un tiempo “t”, la razón q/t da la cantidad media de carga que la atraviesa en cada unidad de tiempo. Esta razón se denomina Intensidad de corriente y se designa por “I” Se expresa a través de la fórmula: Intensidad = carga I =q tiempo t Unidades de medida: Ampere ( A) = coulomb (C) segundo( s) Otras subunidades importantes: 1 miliampere ( mA) = 10-3 A 1 microampere ( µ A) = 10-6 A Algunas intensidades de corriente: Automático en una casa : 15 A Ampolleta de 70 W : 0,3 A Luces encendidas de automóvil: 14 A Problema resuelto: 1.- ¿Cuál es la intensidad de la corriente eléctrica si por una sección transversal de un conductor circulan 4 x 10 -3 C en 2 s ? Expresa el resultado en mA carga = 4 x 10-3 C tiempo = 2 s Intensidad de corriente eléctrica = ¿ ? I = q/t I = 4 x 10-3 C = 2 x 10-3 A 2s 1 mA ……10-3 A X ……2 x 10-3 A X = 2 mA Entonces, la Intensidad de la corriente será 2 x 10-3 A y expresado en otra unidad 2mA.
- 2. Problemas propuestos: 1.-¿Qué sucede con la intensidad de corriente eléctrica, cuando la carga eléctrica que atraviesa una sección del conductor, en un intervalo de tiempo, se triplica?, ¿Y si disminuye a la mitad? 2.-Una cantidad de 300 C de carga eléctrica atraviesa una sección determinada de un conductor, en un intervalo de 4 minutos. Calcula la intensidad de corriente que circula por el conductor. 3.-¿Cuántos electrones atraviesan la sección transversal de un conductor en un segundo si la intensidad de la corriente es de 3 A? . Considera que la carga de un electrón es de 1,6 x 10 -19 C , es decir, 1 e = 1,6 x 10-19 C ( trabajar con q = I · t ) Diferencia de potencial: Para establecer una corriente eléctrica en un circuito y mantenerla constante durante un tiempo, se requiere la acción de un dispositivo especial llamado generador de corriente eléctrica, el cual produce separación continua de cargas positivas y negativas que se acumulan en los bornes del generador. Esto crea una diferencia de potencial entre esos dos bornes, y por lo tanto, un campo eléctrico entre ellos. La diferencia de potencial producida en estos generadores se llama fuerza electromotriz (fem), voltaje o tensión. La unidad de medida es el Volt ( V) El sentido de la corriente eléctrica por convención va desde el lugar de mayor potencial hacia el de menor potencial. Si el voltaje es suministrado por una pila el sentido convencional para el flujo de electrones va desde el terminal positivo hacia el negativo. Son generadores de corriente continua las pilas y baterías ( la corriente siempre va en un mismo sentido). Son generadores de corriente alterna aquellos que invierten alternadamente la diferencia de potencial, es decir, producen un voltaje alterno.( corriente en la red domiciliaria). Resistencia eléctrica Los artefactos como radios, computadores, televisores, ampolletas, etc., constituyen resistencias en un circuito. Si en un circuito eléctrico se establece una diferencia de potencial “V” , circulará una corriente eléctrica “I” por los conductores. Luego si variamos la diferencia de potencial y medimos nuevamente la intensidad de la corriente, observaremos que existe una relación constante al hacer el cuociente entre V e I . Llamaremos a dicha constante Resistencia eléctrica “R”. Esta relación de proporcionalidad directa entre potencial e intensidad recibe el nombre de Ley de Ohm. “ La ley señala que la corriente que fluye por un circuito formado por resistencias es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito.” Se expresa a través de la siguiente fórmula: I =V R (1) De la expresión (1) se desprenden: V=I·R y R= V I Unidades de medida: Intensidad de la corriente = Ampere (A) Diferencia de potencial = Volt (V) Resistencia eléctrica = Ohm ( Ω ) Luego reemplazando en (1) tenemos que: 1A= 1V 1Ω
- 3. Estas relaciones se aplican a conductores metálicos ( lineales). Si un conductor aumenta su resistencia, la corriente que pasa por él disminuye. Problema resuelto: 1.-¿A qué potencial está conectada una resistencia de 50 Ω , si por ella circula una corriente de 0, 5 A ? Diferencia de potencial = ¿ ? Resistencia eléctrica = 50 Ω Intensidad de la corriente = 0,5 A V=I ·R V = 0,5 A · 50 Ω = 25 Volt Problemas propuestos: 1.- Un artefacto eléctrico se conecta a 9 V . Si su resistencia es de 60 Ω, ¿qué intensidad de corriente pasa por él? 2.- Si un amperímetro (mide Intensidad de la corriente) se intercala en serie en un circuito y registra un valor de 3 mA, ¿cuál será la resistencia eléctrica si está conectado a 10 V? 3.- Al medir en un circuito eléctrico la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente, se obtuvieron los siguientes valores: V ( Volt ) 5 10 15 20 25 30 l ( Amp. ) 0,3 ... .... .... 1,5 .... Completar los datos que faltan, aplicando la ley de Ohm. 4.- Un joven por error se conecta a la red y recibe una diferencia de potencial de 220 V entre cada mano. Si su resistencia es de 5000 Ω , ¿cuál es la corriente que pasa por su corazón? Nota: si esto ocurre por un lapso de tiempo prolongado la persona puede morir. Factores de los que depende la resistencia eléctrica La resistencia eléctrica R de un conductor es una medida de la oposición que presenta éste al paso de la corriente eléctrica. El origen de ésta resistencia se encuentra a nivel microscópico, en la estructura del material. Depende de la longitud (L), del área de su sección transversal (A)(grosor) y de la resistividad eléctrica ( p ): ésto se puede determinar a través de la siguiente expresión: R = p· L A Problema Resuelto 1.- Si la resistividad del cobre es de 1,69 x 10-8 ( Ω m ),¿cuál es la resistencia de un alambre de cobre de 1 mm de diámetro y de 10 m de longitud? diámetro = 1 mm radio = 0,5 mm = 0,0005 m longitud = 10 m resistividad = 1,69 x 10-8 ( Ω m) A = π · r2 π = 3,1416 R = 1,69 x 10 · 10 = 1,69 x 10-7 = 0,22 Ω -8 7,85 x 10-7 7,85 x 10-7
- 4. Circuitos de Corriente Continua Se puede decir que un circuito eléctrico es el trayecto por el cual va la corriente eléctrica. En él se pueden encontrar generadores y receptores. Los generadores aportan la energía necesaria para mantener la corriente eléctrica como pilas y baterías ; los receptores consumen o disipan energía en forma de calor o luz como en las ampolletas, o bien en movimiento como en los motores. Encontramos circuitos en serie, en paralelo y mixtos. Circuito en serie Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están dispuestos uno a continuación del otro, de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada elemento sin división ni derivación. Si algún dispositivo se quema o deja de funcionar, los otros también lo harán debido a que la corriente se interrumpe inmediatamente ( la resistencia se hace infinita). Un circuito en serie se representa de la siguiente manera: Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando los valores de dichas resistencias, ya que la corriente eléctrica I en todo el circuito es la misma : Req = R1 + R2 + R3 La diferencia de potencial entre los extremos de la resistencias es: V1 = I · R1 ; V2 = I · R2 ; V3 = I · R3 Si V1, V2 y V3 son las tensiones entre los extremos respectivos y la intensidad de la corriente I , igual para todas las resistencias, entonces: V = V1 + V2 + V3 = I · R1 + I · R2 + I · R3 = I · ( R1 + R2 + R3 ) Aplicando la ley de Ohm, se tiene que: V = I · Req Problema resuelto: 1.-Si se conectan tres resistencias en serie a una batería de 12 V, siendo el valor de cada una de las resistencias igual a R1 = 4Ω , R2 = 6Ω y R3 = 8Ω , la intensidad de la corriente I será: Req = 4Ω + 6Ω + 8Ω = 18Ω y como I=V I = 12 V = 0,66 A R 18 Ω Y la diferencia de potencial en cada una de las resistencias es: V1 = 0,66 A · 4Ω = 2,64 V V2 = 0,66 A · 6Ω = 3,96 V V3 = 0,66 A · 8Ω = 5,28 V Si sumamos el potencial total debe darnos 12 V, en este caso el valor es 11,88 V, valor aproximado que se considera correcto.
- 5. Circuito en paralelo Un circuito en paralelo es aquel circuito en el que la corriente eléctrica se bifurca en cada nodo. Su característica más importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tienen la misma diferencia de potencial. Si un artefacto se quema o deja de funcionar los demás siguen conectados sin problemas ya que la corriente sigue pasando sin problemas por ellos. Un circuito en paralelo se representa de la siguiente manera: La resistencia total o equivalente se determina de la siguiente manera: 1 = 1 + 1 + 1 o Req = 1 Req R1 R2 R3 1 + 1 + 1 R1 R2 R3 La diferencia de potencial se conserva en el circuito: V1 = V2 = V3 …. = V Y la intensidad de la corriente I total equivale a la suma de las corrientes parciales, ya que la corriente se distribuye en cada resistencia: I = I1 + I2 + I3 I1 = V I2 = V I3 = V R1 R2 R3 Problema resuelto: 1.- Si se conectan tres resistencias en paralelo a una batería de 12 V, de los valores R1 = 4Ω , R2 = 6Ω y R3 = 8Ω La resistencia equivalente será: 1 = 1 + 1 + 1 = 6 + 4 + 3 = 13 =0,54 Req 4 Ω 6Ω 8Ω 24 24 por lo que Req = 1 = 1,85 Ω 0,54 (24 corresponde al común denominador) La intensidad de la corriente total será: I = 12 V = 6,49 A 1,85Ω I1 = 12 V =3 I2 = 12 V =2A I3 = 12V = 1,5 A 4 Ω 6 Ω 8Ω
- 6. I = 3 A + 2 A + 1,5 A = 6,5 A Se comprueba que la suma de las corrientes parciales equivale a la corriente total. Hasta aquí la información de los contenidos, la guía de ejercicios se enviará próximamente. La resolución de los ejercicios propuestos te servirá para practicar y poder aplicar en la guía que viene. Nota: Aún espero el trabajo anterior, investigación fácil de realizar, ya que la información está disponible en la web y la modalidad de presentación en power point resulta generalmente atractiva para los alumnos. No te demores, solo faltan algunos que cumplan.