Prácticas de Física II - tebaevmartinez.comtebaevmartinez.com/documentos2/109735manual de prÁcticas de fÍsica ii.pdfPrácticas de Física II - 2 0 - ÍNDICE INTRODUCCIÓN.

Prácticas de Física II

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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

MEDIDAS DE SEGURIDAD ................................................................................. 4

Instrucciones para el alumno ..................................................................... 4

Normas de seguridad para el alumno ........................................................ 4

BLOQUE I: COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS ......................................... 5

Práctica 1. Presión hidrostática (variación de la presión con la

profundidad). .................................................................... 8

Práctica 2. Presión manométrica (medición de la presión de un gas) ....... 9

Práctica 3. Capilaridad en vegetales .......................................................... 10

Práctica 4. Tensión superficial ................................................................... 11

Práctica 5. Presión ..................................................................................... 12

Práctica 6. Densidad .................................................................................. 14

Práctica 7. Principio de Pascal ................................................................... 15

Práctica 8. Principio de Arquímedes. ......................................................... 16

BLOQUE II: DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA ........................ 17

Práctica 9. Dilatación térmica lineal ......................................................... 26

Práctica 10. Dilatación térmica superficial ................................................. 28

Práctica 11. Dilatación térmica cúbica ....................................................... 30

Práctica 12. Mecanismos de transferencia de calor (Conducción) ............ 32

Práctica 13. Mecanismos de transferencia de calor

(Convección en el agua) ............................................... 34

Práctica 14. Mecanismos de transferencia de calor

(Convección en el aire) ................................................. 35

Práctica 15. Mecanismos de transferencia de calor (Radiación) ............... 36

Práctica 16. Ley Cero de Termodinámica (Equilibrio Térmico) .................. 37

Práctica 17. Primera ley de Termodinámica

(Conservación de la Energía) ........................................ 39

Práctica 18. Segunda Ley de la Termodinámica (Flujo de Calor) .............. 41

Práctica 19. Tercera Ley de la Termodinámica (Entropía) ......................... 42

BLOQUE III: LEYES DE LA ELECTRIDAD .......................................................... 43


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Práctica 20. Electrostática

(cómo hacer un péndulo electrostático casero) .............. 52

Práctica 21. Electrostática (propiedades de las cargas eléctricas) ............ 54

Práctica 22. Ley de Ohm y Ley de Watt (resistencia y potencia eléctrica) . 56

Práctica 23. Ley de Joule (fuego por Efecto Joule) .................................... 58

Práctica 24. Comportamiento de la electricidad

(circuito en paralelo) ....................................................... 60

Práctica 25. Comportamiento de la electricidad (circuito en serie) ............ 62

Práctica 26. Comportamiento de la electricidad (circuito mixto) ................ 64

BLOQUE IV: RELACIÓN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO ................. 66

Práctica 27. Características de los imanes

(visualizar el campo magnético) ..................................... 74

Práctica 28. Características de los imanes (polos magnéticos y magnitud

del campo magnético) .................................................... 76

Práctica 29. Relación entre electricidad y magnetismo

(Ley de Oersted) ........................................................... 78

Práctica 30. Aplicaciones del electromagnetismo (motor eléctrico) ........... 81

Práctica 31. Aplicaciones del electromagnetismo

(generador eléctrico) ...................................................... 87

Práctica 32. Aplicaciones del electromagnetismo

(transformador eléctrico) ................................................ 92

EXPLICACIÓN DE PRÁCTICAS .......................................................................... 97


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INTRODUCCIÓN

Actualmente los Telebachilleratos no cuentan con laboratorios para el desarrollo de prácticas experimentales del área de Física, por lo que se propone desarrollar prácticas de bajo costo, con materiales fáciles de adquirir y diseñados para cualquier tipo de aula.

El aprendizaje por medio de la experimentación no forzosamente requiere de instalaciones especiales o de prácticas complicadas. En las Ciencias Experimentales, el trabajo práctico es una parte inseparable de la enseñanza teórica, pues no se puede concebir el quehacer científico sin la experimentación.

Si queremos y deseamos que nuestros alumnos se interesen realmente en el estudio de la ciencia, debemos proporcionarles un medio de fácil acceso a la comprensión de los fenómenos cotidianos.

El manual de Prácticas en el aula de Física II, pretende facilitar el acercamiento a la experimentación sobre los fluidos tomando en cuenta la hidrostática y la hidrodinámica, así también, sus características principales (capilaridad, tensión superficial, presión y densidad) asimismo, explicarlos mejor tomando en cuenta el principio de Pascal y el de Arquímedes. Además, cómo el calor y la temperatura afecta a diferentes materiales y cómo cambia algunas de sus propiedades. Por último, se verán las leyes de la electricidad, la relación de ésta con el magnetismo y cómo poder generarla.

Las prácticas presentadas tienen el propósito de estimular en los alumnos la capacidad creativa y el interés por la investigación, del mismo modo, proporcionar al asesor las herramientas alternativas que le permitan hacer sus prácticas experimentales de una manera más atractiva.

Los prácticas están diseñadas con base en los contenidos temáticos de la unidad de aprendizaje de Física II. Asimismo, contribuirán para que el alumno logre un aprendizaje significativo, debido a que, se fundamenta en la pedagógica del constructivismo, en consecuencia, el asesor actuará como guía y el alumno participará activamente resolviendo problemas científicos y de la vida cotidiana; con la finalidad, de que él aprenda por descubrimiento. Además, fomentarán el trabajo en equipo y el aprendizaje cooperativo.

Las prácticas tienen la característica de ser flexibles, ya que los materiales y los objetos se pueden sustituir, por lo que, no es necesario llevarlas a cabo en un laboratorio de Física.

El desarrollo de las prácticas y las actividades del presente manual, deberán realizarse con precaución y responsabilidad, de acuerdo con las instrucciones que se proporcionan.

La estructura de los prácticas se describe de la siguiente manera:

▪ Materiales. Enlista los materiales necesarios para desarrollar la práctica.

▪ Procedimiento. Describe las instrucciones para realizar la práctica.


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▪ Explicación de las prácticas. Describe de manera clara al asesor los

resultados y la explicación de los fenómenos.

Es importante mencionar que algunas prácticas requieren de materiales e instrumentos más especializados para su desarrollo, que hoy en día no están disponibles en los Telebachilleratos. Sin embargo, se diseñaron para desarrollarlos cuando se tengan los requerimientos necesarios.

MEDIDAS DE SEGURIDAD

Los materiales que se emplearán serán de bajo riesgo, lo cual no excluye la posibilidad de accidentes, asimismo, te recomendamos tener en cuenta las reglas de seguridad mínimas que se indican en este manual.

Instrucciones generales para el alumno:

1.- Lee cada práctica en su totalidad antes de empezar.

2.- Ten a mano todos los materiales necesarios.

3.- Al realizar la práctica, no te precipites, sigue cuidadosamente cada paso, no omitas ninguno.

4.- Si los resultados no son los descritos en la práctica, vuelve a leer las instrucciones e inicia de nuevo desde el primer paso.

Normas de seguridad para el alumno

1.- Sigue las instrucciones de tu asesor.

2.- Cualquier accidente debes de notificarlo de inmediato a tu asesor.

3.-Usa bata blanca en el laboratorio para proteger daños a la piel o uniforme escolar.

4.- Usa zapato escolar para prevenir accidentes provocados por algún material.

5.- No consumas alimentos al momento de realizar las prácticas.

6.- Lávate las manos antes y después de realizar la práctica.

7.- Desarrolla tus prácticas con orden, limpieza y responsabilidad.


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BLOQUE I: COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS

En este bloque harán prácticas basadas en la mecánica de los fluidos, para esto debemos conocer primero algunas definiciones de los fluidos: hidráulica, hidrostática e hidrodinámica.

Fluidos.- Son todos aquellos materiales que se pueden deslizar libremente (como líquidos y gases).

El término fluido se aplica a los líquidos y los gases, porque tienen propiedades comunes. Pero conviene recordar que un gas es muy ligero y, por lo tanto, puede comprimirse con facilidad, mientras que un líquido es prácticamente incompresible. Los fluidos están constituidos por una gran cantidad de minúsculas partículas de materia; en los líquidos éstas se deslizan unas sobre otras y en los gases se mueven sueltas. Esto explica por qué los líquidos, al igual que los gases, no tienen forma definida, adoptando la del recipiente que los contiene. Finalmente, recordemos que un gas es expandible, por consiguiente, su volumen no es constante pues al pasarlo a un recipiente de mayor volumen inmediatamente ocupa todo el espacio libre. Un líquido, por su parte, no tiene forma definida, pero sí volumen definido.

Hidráulica.- Es la rama de la física que tiene por objeto el estudio de los fluidos en general.

Hidrostática.- Es la parte de la física que estudia a los fluidos (líquidos y gases) en reposo.

Hidrodinámica.- Es la parte de la física que estudia a los fluidos (líquidos y gases) en movimiento.

Las características principales de los fluidos son:

Fenómeno de capilaridad. Este fenómeno consiste en el ascenso y descenso de un líquido por el interior de tubos de diámetro pequeño.


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Tensión superficial. Es una fuerza ejercida sobre la superficie libre de un líquido almacenado.

Presión. Es una fuerza que se ejerce sobre una superficie determinada.

Densidad o masa específica. Se refiere a la cantidad de materia contenida en un determinado volumen.

Principio de Pascal. Establece que al aplicar una fuerza sobre un líquido en un recipiente cerrado, esta fuerza se trasmitirá íntegramente en todos y cada uno de sus puntos.


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Principio de Arquímedes. Se dice en este principio, que al introducir un material en un líquido, este recibirá un empuje ascendente, el cual será de igual magnitud que el peso del material.

Principio de Bernoulli. Establece que la fuerza ascendente producida por un material aerodinámico, hace que la presión del aire disminuya con la velocidad.

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Práctica 1

Presión hidrostática

(Variación de la presión con la profundidad)

Materiales:

1 botella de plástico vacía (vinagre, aceite, etc.).

Agua.

Procedimiento:

1.- Llena de agua la botella. 2.- Haz tres perforaciones a lo largo de la botella.

Reporte:

1.- ¿Qué pasó con el agua que salía por las perforaciones?

2- ¿Por qué pasó esto?


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Presión manométrica

(Medición de la presión de un gas)

Materiales:

1 globo.

1 manguera delgada transparente, de 1 m.

Agua.

Procedimiento:

1.- Infla el globo. 2.- Conecta la manguera al globo como se muestra en la figura. 3.- Mide la altura de desplazamiento del agua. 4.- Repite los pasos del 1 al 3, solo que infla menos el globo.

Reporte:

Cantidad de aire Altura (h)

Inflado

Medio inflado

1.- ¿Por qué la diferencia de altura?

Práctica 2


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Capilaridad

(Capilaridad en los vegetales) Materiales:

1 flor blanca (clavel, margaritas, pompones, rosas, etc.).

1 recipiente de vidrio o plástico limpio, de preferencia alto.

1 cucharada sopera de colorante vegetal (color al gusto).

1 exacto u hojilla de afeitar.

½ litro de agua a temperatura ambiente (preferentemente sin cloro o agua

mineral.

Procedimiento:

1.- Mezcle bien el agua con el colorante vegetal en el recipiente.

2.- Utilizando un exacto u hojilla de afeitar, hacer un corte rápido y en diagonal en el tallo de la flor y debe quedar largo (25 cm aproximadamente).

3.- Introduce el tallo en el agua coloreada y colócalo en un lugar donde le de un poco de luz natural y deja reposar por lo menos 12 horas.

Reporte:

1.- ¿Qué pasó con la flor?

Práctica 3

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Práctica 4

Tensión superficial

Materiales:

3 vasos desechables (preferentemente transparentes).

3 clips pequeños.

3 monedas de 10 centavos.

Agua.

Aceite.

Alcohol de caña.

Procedimiento:

1.- Llena de agua uno de los vasos y haz lo mismo con los otros dos, uno con aceite y otro con alcohol de caña.

2.- Coloca con cuidado un clip en cada vaso.

3.- Ahora haz lo mismo colocando una moneda de 10 centavos.

Reporte:

1.- ¿Qué sucedió en ambos casos?

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Presión

Materiales:

1 cilindro pequeño de metal, de aproximadamente 4 cm (puede ser un clavo

sin punta).

1 tubo de cobre hueco, de la misma altura del cilindro de metal.

3 objetos de diferente peso.

1 regla de 30 cm.

1 barra de plastilina.

Procedimiento:

1.- Forma una base de plastilina sobre una superficie sólida y fuerte.

2.- Coloca el clavo sobre la plastilina.

3.- Encima del cilindro pequeño (o clavo) deposita el objeto de menor peso.

4.- Mide cuánto se introduce el cilindro en la plastilina.

5.- Repite la práctica con el tubo de cobre.

6.- Vuelve a realizar la práctica, pero ahora coloca los otros dos objetos, de menor a mayor peso, tanto en el cilindro pequeño como en el tubo de cobre.

Práctica 5

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Reporte:

Objeto

Hundimiento (mm)

Clavo Tubo de cobre

De menor peso

De peso mediano

De mayor peso

1.- ¿Por qué no son iguales las medidas?


Práctica 6

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Densidad

Materiales:

1 recipiente transparente de por lo menos 1 litro (cristal o plástico).

100 ml de aceite.

100 ml de alcohol.

100 ml de agua.

Procedimiento:

1.- Vierte el aceite, alcohol y agua en el recipiente transparente.

2.- Deja reposar unos minutos y observa.

Reporte:

1.- ¿Qué sucedió con estos líquidos?

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Principio de Pascal

Materiales:

1 jeringa de 3 ml (A1).

1 jeringa de 20 ml (A2).

1 manguera delgada y transparente.

80 ml de aceite rojo para madera.

Cinta diurex.

Procedimiento:

1.- Construye el siguiente dispositivo con las dos jeringas, con la manguera de hule llena de aceite rojo, y séllalo con la cinta diurex.

2.- Aplica fuerza sobre la jeringa chica.

Reporte:

1.- ¿Qué sucede con el émbolo l de la jeringa grande?

Práctica 7


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Principio de Arquímedes

Materiales:

2 vasos de vidrio transparente.

2 huevos crudos.

Agua.

Sal de mesa.

Procedimiento:

1.- Llena con agua un vaso de vidrio hasta tres cuartas partes de su capacidad.

2.- Con cuidado, introduce en él un huevo crudo.

3.- Llena otro vaso con agua hasta tres cuartas partes de su capacidad.

4.- Disuelve en el agua doce cucharadas de sal de mesa.

5.- Introduce con cuidado el otro huevo en este vaso.

Reporte:

1.- ¿Qué sucedió en ambos casos y por qué?

Práctica 8


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BLOQUE II: DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

Es muy común confundir el calor con la temperatura, aunque son cosas diferentes si guardan una relación entre ambos, aquí demostraremos de forma sencilla la diferencia entre estos, así como, los efectos de ellos sobre los cuerpos. Empecemos por recordar las definiciones de estos:

Calor.- Está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo, los cuales se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo, en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico

Temperatura.- Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada), la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC y, por último, la menos utilizada la Escala Fahrenheit.

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura en la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

La escala Fahrenheit tiene como referencia inferior el punto de fusión de una mezcla de sales con hielo (0°F) y como referencia superior el punto de ebullición del agua (212°F). esta escala es utilizada actualmente en los países de habla inglesa.


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Equivalencias entre escalas de temperatura.

Al aplicar temperatura sobre la materia, surgen varios efectos sobre ésta, en lo particular veremos la dilatación y para tal efecto empezaremos por ver su definición.

Dilatación térmica lineal.- Es el aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.


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Dilatación térmica superficial.- Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

Dilatación térmica volumétrica.- En un líquido o un gas se observa un cambio de volumen ΔV, en una cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura Δt. En este caso, la variación de volumen ΔV es directamente proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura Δt, para la mayor parte de las sustancias y dentro de los límites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir: se produce en gases, líquidos y cuerpos geométricos.


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Otro de los efectos que veremos en las prácticas es la transferencia de calor y los diferentes tipos que hay de ésta. La transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío. Se puede dar por tres mecanismos: conducción, convección y radiación, aquí sus definiciones.

Conducción.- El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama conducción. En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calientan, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica.

Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.

Conductores térmicos. Son aquellas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales.

Aislantes térmicos. Son aquellas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.


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Los gases son muy malos conductores del calor, por eso, el aire contenido entre las hojas de las ventanas con doble cristal constituye un método muy eficaz para reducir las pérdidas de calor a través de ellas.

El hielo es un buen aislante térmico. La temperatura que se alcanza en el interior del iglú se mantiene bastante estable.

Otro concepto que veremos y demostraremos con las prácticas, es la relación existente entre el calor y otras formas de energía, la ciencia que estudia estos fenómenos es la Termodinámica, por lo cual veremos su definición y leyes que la rigen.

Termodinámica.- Es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, densidad, presión, masa, volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico.

La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento.


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Primera ley de la termodinámica

También, conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Eentra ?Esale = ?Esistema

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la siguiente forma:

\ Q = \Delta U + \ W

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También, establece en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo, teniendo en cuenta solo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, la cual, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.


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Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.

En palabras de Sears es: " No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".

Enunciado de Kelvin: No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo.

Otra interpretación:

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y esta se encontrará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.


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Tercera ley de la termodinámica

La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walter Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual a cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también, a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarla de “ley”.

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son solo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inexplicables a nivel cuántico. Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.


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Ley cero de la termodinámica

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo, en el cual las variables empíricas usadas para definir un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, entre otras) no son dependientes del tiempo. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema.

A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B

están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.


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Dilatación térmica lineal

Materiales:

1 m. de alambre delgado de cobre.

1 tuerca.

1 regla graduada.

1 soporte rectangular.

1 vela y cerillos.

Procedimiento:

1.- Amarra el alambre de cobre al soporte, a una altura tal que la vela pueda calentarlo, ver la figura de abajo.

2.- Cuelga la tuerca a la mitad del alambre.

3.- Mide la altura del alambre en el punto que la tuerca esta unida a él (h1) y la

longitud inicial del alambre (l i). Anota el dato en la tabla.

4.- Enciende la vela y empieza a calentar la tuerca, después de un rato mide la altura en que la tuerca esta unida al alambre (h2). Anota el dato en la tabla.

5.- Cuando el alambre se enfríe, vuelva a medir la altura (h3).

Práctica 9

l

h


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Reporte:

1. Completa la siguiente tabla:

Alturas Longitudes

h1= l i =

h2= l f =

h2-h1=

h3= l f - l i =

2.- ¿A qué se debe la diferencia de altura al calentar el alambre?

3.- ¿Qué pasa cuando se enfría el alambre?


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Dilatación térmica superficial

Materiales:

1 vela pequeña.

2 trozos de papel aluminio de 10 x 3 cm cada uno.

1 trozo de papel muy delgado de 10 x 3 cm.

1 pinzas para colgar ropa (de preferencia de madera).

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Enciende la vela y con las pinzas toma uno de los trozos de papel aluminio y colócalo sobre la llama de la vela, como se muestra en la Figura 1, observa con atención lo que pasa.

2.- Ahora toma el pedazo de papel delgado y pégalo al otro pedazo de papel aluminio, haciendo una lámina doble.

3.- Por último, colocamos nuestra lámina doble sobre la llama de la vela con el papel aluminio en la parte inferior, como se muestra en la Figura 2, observa con atención lo que pasa.

Figura 1

Práctica 10


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Figura 2

Reporte:

1.- ¿Qué sucedió en cada caso?


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Dilatación térmica cúbica

Materiales:

1 botella chica de cristal.

1 globo de hule.

1 pinzas.

1 veladora.

Agua.

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Llena hasta la mitad la botella con agua y coloca el globo sobre la boca de la botella.

2- Prende la veladora.

3.- Con cuidado toma la botella y colócala encima de la veladora prendida.

Práctica 11


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Reporte:

1.- ¿Qué sucedió?

2.- ¿Qué fenómeno explica lo anterior?


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Mecanismos de transferencia de calor

(Conducción)

Materiales:

1 cuchara de madera.

1 cuchara de metal.

1 cuchara de plástico (desechable).

1 cuchara de cerámica.

1 taza para café.

Procedimiento:

1.- Vierte agua caliente en la taza para café.

2.- Coloca al mismo tiempo las cuatro cucharas en el agua, de tal forma que no se toquen entre sí.

3.- Siente con tus dedos la temperatura de cada una de ellas.

Práctica 12


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Reporte 1:

1.- ¿Por qué se sienten diferentes las temperaturas?

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Práctica 13


(Convección en el agua)

Materiales:

1 olla pequeña de cristal.

1 parrilla eléctrica.

Agua.

Pequeños trozos de papel.

Procedimiento:

1.- Llena hasta la mitad la olla de cristal.

2.- Vierte en ella los trozos de papel y ponla sobre la parrilla encendida.

3.- Espera a que el agua se caliente y observa.

Reporte:

1.- ¿Qué sucedió con los trozos de papel?


Práctica 14

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(Convección en el aire)

Materiales:

1 vela o veladora.

1 Espiral de papel.

Hilo.

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Coloca la vela o veladora sobre el piso y enciéndela con los cerillos.

2.- Amarra la espiral de papel con el hilo y colócala sobre la vela encendida, cuidando que esta no se encienda.

3.- Observa con atención lo que pasa.

Reporte:

1.- ¿Qué sucede con la espiral de papel?

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Práctica 15


(Radiación)

Materiales:

1 socket de porcelana.

1 foco de 25 watts.

1 foco de 100 watts.

1 cable con clavija.

Procedimiento:

1.- Conecta el cable con el socket.

2.- Coloca primero el foco de 25 Watts y conecta a la corriente.

3.- Acerca tu mano al foco, con cuidado de no tocarlo y déjala ahí por 1 minuto.

4.- Posteriormente, desconecta el cable de la corriente y espera 5 minutos a que se enfríe el foco para quitarlo.

5.- Finalmente, coloca el foco de 100 watts y conecta nuevamente la clavija a la corriente.

6.- Acerca tu mano al foco, con cuidado para no tocarlo.

Reporte:



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Ley Cero de Termodinámica

(Equilibrio Térmico)

Materiales:

1 vaso de unicel de 1 litro.

1 termómetro.

Agua.

Hielo.

Procedimiento:

1.- Llena el recipiente de plástico hasta la mitad de agua.

2.- Con el termómetro toma y registra la temperatura del agua en el recipiente.

3.- Posteriormente, toma la temperatura del hielo con el termómetro y regístrala.

5.- Ahora vierte un poco de hielo en el recipiente.

6.- Toma periódicamente la lectura de la temperatura del agua, conforme se vaya derritiendo el hielo en esta y regístrala en la tabla.

Práctica 16


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Reporte:

1.- Registra los datos iniciales:

Temperatura inicial del Agua:

Temperatura inicial del Hielo:

2.- Llena la siguiente tabla:

SUSTANCIA

TEMPERATURA DEL AGUA

INICIAL 5 min. 10 min. 15 min.

Agua con hielo

3.- ¿Qué sucedió con la temperatura del agua?


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Primera Ley de Termodinámica

(Conservación de la Energía)

Materiales:

1 Veladora.

2 globos medianos o del número 5.

Agua.

Cerillos.

Procedimiento:

1.- Prende la veladora con los cerillos.

2.- Infla el primer globo solo con aire y el segundo con agua y aire.

3.- Acerca el globo que está inflado con agua al fuego de la veladora y observa.

4.- Ahora acerca el segundo globo al fuego de la veladora y observa qué pasa.

Práctica 17


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Reporte:

1.- ¿Qué sucedió con el primer globo?

2.- ¿Qué sucedió con el segundo globo?

3.- Explica ¿por qué?

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Práctica 18

Segunda Ley de la Termodinámica

(Flujo de Calor)

Materiales:


1 foco de 100 Watts.

1 cable con clavija.

Hielos.

Procedimiento:

1.- Conecta el cable con el socket y coloca el foco de 100 watts.

2.- Acerca el con cuidado el foco encendido a los hielos.

Reporte:


2.- ¿Hay forma de volver el agua hielo sin aplicar otra forma de energía?

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Tercera Ley de la Termodinámica

(Entropía)

Materiales:

2 Vasos de cristal.

2 cubos de hielo de color rojo (puede ser con sobre para prepara agua).

Agua fría.

Agua caliente.

Procedimiento:

1.- Llena cada vaso hasta la mitad, uno con el agua fría y el otro con el agua caliente.

2.- Coloca de manera simultáneamente un cubo de hielo a cada vaso con agua.

3.- Observa con cuidado lo que sucede.

Agua fría Agua caliente

Reporte


Práctica 19

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BLOQUE III: LEYES DE LA ELECTRIDAD

A partir del conocimiento de la electricidad, hace cientos de años, esta ha estado presente en el desarrollo de la humanidad iluminando ciudades, siendo de ayuda en nuestra comunicación, llevando agua a diferentes lugares y para diversos usos, dándonos comodidad y confort, haciendo la vida más agradable y cómoda en casas, escuelas, hospitales y fábricas. Para obtener toda la energía que “necesitamos” en la actualidad el hombre produce, controlando y manipulando, su energía eléctrica utilizando diversas formas de generación como el agua (hidroeléctricas), vapor (termoeléctricas, nucleoeléctricas, geotérmicas), viento (eólicas), sol (fotovoltaicas, termosolares), etc. Todo esto ha sido posible con la comprensión de las leyes físicas que explican y ayudan a comprender la electricidad, así como a los elementos que intervienen en sus diversas relaciones con la naturaleza.

En las prácticas de este bloque se demostrará de forma sencilla las leyes de la electricidad y todo lo que involucran, para esto veremos algunas definiciones básicas

Carga eléctrica.- Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas

subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre

ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos

electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada

interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las

cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista

del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee

una partícula para intercambiar fotones.

Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier

proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir,

la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo.

Qi=Qf

La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado

experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga

positiva: +1 o +e.

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Tipos de cargas eléctricas.- Los tipos de cargas eléctricas caen dentro de cuatro categorías: resistivas, capacitivas, inductivas o una combinación de las anteriores. Algunas cargas son puramente resistivas, capacitivas o inductivas. La naturaleza imperfecta de cómo son construidos los dispositivos eléctricos o electrónicos causa inductancia, capacitancia y resistencia para ser una parte inherente de muchos dispositivos.

Cargas resistivas.- Un resistor es un mecanismo que resiste el flujo de la electricidad. Al hacerlo, parte de la energía eléctrica es disipada como calor. Dos cargas comunes resistivas son los bulbos de luz incandescente y los calentadores eléctricos. La resistencia (R) es medida en ohms. Un bulbo de luz incandescente produce luz al pasar corriente eléctrica a través de un filamento en un vacío. La resistencia del filamento causa que se caliente y la energía eléctrica es convertida en energía luminosa. Los calentadores eléctricos trabajan de la misma manera, excepto que ellos producen una poca, si acaso, de luz. La corriente eléctrica y el voltaje en una carga resistiva se dicen estar "en fase" uno con otro. Como el voltaje se eleva o cae, la corriente también se eleva y cae con éste.

Cargas capacitoras.- Un capacitor almacena energía eléctrica. Las dos superficies conductivas están separadas por un aislante no conductivo. Cuando una corriente eléctrica es aplicada a un capacitor, los electrones de la corriente se acumulan en la placa adjuntada a la terminal a la cual es aplicada la corriente eléctrica. Cuando la corriente es retirada, los electrones fluirán de regreso a través del circuito para alcanzar la otra terminal del capacitor. Los capacitores son utilizados en motores eléctricos, radio circuitos, fuentes de poder y muchos otros circuitos. La capacidad de un capacitor para almacenar energía eléctrica es llamada capacitancia (C). La unidad principal de medida es el faradio, pero la mayoría de los capacitores están medidos en microfaradios. La corriente lleva el voltaje de un capacitor. El voltaje a través de las terminales comienza a cero voltios mientras la corriente está a su máximo. A medida que la carga se desarrolla en la placa del capacitor, el voltaje se eleva y la corriente cae. A medida que un capacitor se descarga, la corriente se eleva y el voltaje cae.

Cargas inductivas.- Un inductor puede ser cualquier material conductor. Cuando un cambio de corriente pasa a través de un inductor, este induce un campo magnético alrededor de este mismo. Girando el inductor en una bobina incrementa el campo magnético. Un principio similar ocurre cuando un conductor es colocado en un campo magnético cambiante. El campo magnético induce una corriente eléctrica en el conductor. Ejemplos de cargas inductivas incluyen transformadores, motores eléctricos y bobinas. Dos series de campos magnéticos en un motor eléctrico opuestos uno con otro, forzan al árbol del motor para que gire. Un transformador tiene dos inductores, uno primario y uno secundario. El campo magnético en el devanado primario induce una corriente eléctrica en el devanado

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secundario. Una bobina almacena energía en un campo magnético que induce cuando un cambio de corriente pasa a través de este y libera la energía cuando la corriente es retirada. La inductancia (L) es medida en henrios. El cambio de voltaje y corriente en un inductor están fuera de fase. A medida que la corriente se eleva al máximo, el voltaje cae.

Cargas combinadas. Todos los conductores tienen alguna resistencia bajo condiciones normales y también exhiben influencias inductivas y capacitivas, pero esas pequeñas influencias son generalmente despreciadas para fines prácticos. Otras cargas hacen uso de varias combinaciones de inductores, capacitores y resistores para llevar a cabo funciones específicas. El condensador eléctrico de un radio utiliza inductores variables o capacitores en combinación con un resistor para filtrar un rango de frecuencias mientras permite solo una banda estrecha pasar a través del resto del circuito. Un tubo de rayos catódicos en un monitor o televisor utiliza inductores, resistores y la capacitancia inherente del tubo para controlar y desplegar una imagen en las cubiertas de fósforo del tubo. Los motores de una fase con frecuencia utilizan capacitores para ayudar al motor durante el encendido y la marcha. El capacitor de inicio provee una fase adicional de voltaje al motor a partir de que este cambia la corriente y voltaje fuera de fase recíprocamente.

La Electrostática.- Es la rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad

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del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.

Ley de Coulomb.- 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.

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

Las ecuaciones de Maxwell.- Son un conjunto de cuatro ecuaciones (originalmente 20 ecuaciones), quienes describen por completo los fenómenos electromagnéticos. La gran contribución de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético.

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Las cuatro ecuaciones de Maxwell describen todos los fenómenos electromagnéticos, aquí se muestra la inducción magnética por medio de una corriente eléctrica.

Ley de Ohm.- La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad específica de ciertos materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss, por ejemplo.

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, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.

Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, quien en un tratado publicado en 1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.

Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen permanente.

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Ley de Watts.- La ley de Watts es también conocida la ley de la potencia eléctrica dice que si un cuerpo se le agrega determinado voltaje, se producirá dentro de él cierta corriente eléctrica. Dicha corriente será mayor o menor, dependiendo de la resistencia de dicho cuerpo, este consumo genera que la fuente de energía esté entregando cierta cantidad de potencia eléctrica, o sea, el cuerpo está consumiendo energía o potencia, esa potencia se mide en watts.

Ley de Joule.- Cuando la corriente eléctrica atraviesa un conductor, este se calienta, emitiendo energía, de forma que calor desprendido es directamente proporcional a la resistencia del conductor, al tiempo durante el que está circulando la corriente y al cuadrado de la intensidad que lo atraviesa.

Ecalor = R · I2 · t

Si todas las magnitudes utilizadas en esta fórmula están expresadas en las unidades del sistema internacional, el resultado se obtiene en julios.

Sin embargo, es muy habitual utilizar la caloría como unidad de energía. En ese caso para convertir el valor obtenido en julios a calorías debe multiplicarse por el factor de conversión 0,24.

Circuitos en serie.- circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos están unidos para un solo circuito (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros), se conectan secuencialmente. La terminal de salida del dispositivo uno se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Siguiendo un símil hidráulico, dos depósitos de agua se conectarán en serie si la salida del primero se conecta a la entrada del segundo. Una batería eléctrica suele estar formada por varias pilas eléctricas conectadas en serie, para alcanzar así el voltaje que se precise.

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En función de los dispositivos conectados en serie, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

◻ Para Generadores (pilas)

◻ Para Resistencias

◻ Para Condensadores

◻ Para Interruptores

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Otra configuración posible, para la disposición de componentes eléctricos, es el circuito en paralelo. En el cual, los valores equivalentes se calculan de forma inversa al circuito en serie.

Es importante conocer que para realizar la suma de las magnitudes, solo en corriente alterna, se debe hacer en forma fasorial (vectorial), para ser sumadas en forma de módulo, cada rama debe tener como máximo un elemento.

Circuito eléctrico en paralelo. Es una conexión donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.

Siguiendo un símil hidráulico, dos tinacos de agua conectados en paralelo tendrán una entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salida común que drenará a ambos a la vez. Las bombillas de iluminación de una casa forman un circuito en paralelo, gastando así menos energía.

En función de los dispositivos conectados en paralelo, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

◻ Para generadores:

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También Para Resistencias:

◻ Para Condensadores:

◻ Para Interruptores:

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Electrostática

(Cómo hacer un péndulo electrostático casero)

Materiales:

1 mesa o escritorio.

1 libro grueso.

1 cinta adhesiva.

1 globo.

1 regla de plástico o madera de 30 cm.

Papel aluminio.

Hilo.

Procedimiento:

1.- Toma el papel aluminio y hacemos una bola con él, ata la bola con un tramo de hilo.

2.- Coloca la regla en la mesa, de tal manera que sobresalga unos 20 cm, la parte que queda en la mesa sujétala con el libro, como se muestra en la figura de abajo.

3.- Amarra el hilo con la bola de aluminio a la regla para que quede como en la figura.

4.- Ahora infla el globo y hazle un nudo, posteriormente frótalo con un trozo la lana o directamente con tu pelo, acércalo a la bola de aluminio y observa.

Práctica 20

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Reporte:

1.- ¿Qué sucedió inicialmente con la bola de aluminio?

2.- ¿Qué sucedió después? Explica.

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Electrostática

(Propiedades de las cargas eléctricas)

Materiales:

1 globo.

1 paño de lana.

1 tijeras.

Pegamento.

Papel aluminio.

Procedimiento:

1.- Recortamos unas tiras de papel aluminio.

2.- Pega las tiras de papel de manera que formen una esfera.

Práctica 21

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3.- Llenamos el globo con aire y lo frotamos con el paño de lana.

4.- Acerca lentamente el globo a la esfera de aluminio.

Reporte:

1.- ¿Qué ocurrió?

2.- ¿Por qué sucede esto?

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Ley de Ohm y Ley de Watt

(Resistencia y potencia eléctrica)

Materiales:

1 pila de 9 volts.

1 foco de 9 volts con su base.

3 juegos de caimanes o cable de cobre delgado.

2 lápices.

1 exacto.

1 repuesto para porta minas.

1 saca punta.

Procedimiento:

1.- Toma los cables o caimanes y conecta la pila de 9 volts con la lámpara, como se muestra en la figura.

2.- Quítale a los lápices el borrador con todo y la parte metálica que lo sujeta.

3.- Corta uno a la mitad con el exacto, ahora sácale punta a los dos lados del lápiz más largo y a uno de los que se cortaron a la mitad.

4.- Une la punta “A” con la “B” por 3 segundos y observa la intensidad de la luz.

5.- Ahora toma ambas puntas de los cables y que toque cada una el grafito del lápiz más corto por 3 segundos, observa la intensidad de la luz.

6.- Repite el paso anterior con el lápiz más largo por 3 segundos y observa la intensidad de la luz.

7.- Realiza nuevamente la práctica, solo que ahora saca el grafito del portamira, coloca con tu dedo uno de los cables a un extremo del grafito y el otro cable lo deslizas lentamente a lo largo del grafito, observa qué sucede.

Práctica 22

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A

B

Reporte:

1.- ¿Qué sucedió en el paso 4, 5 y 6?

2.- ¿Por qué varia la intensidad de la luz en el paso 7?

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Ley de Joule

(Fuego por Efecto Joule)

Materiales:

1 plato de cristal.

1 batería de 9 volts.

Virulana.

Servilleta.

Procedimiento:

1.- Coloca la servilleta sobre el plato de cristal.

2.- Pon encima de la servilleta la virulana y trata de envolverla, como se muestra en la figura.

3.- Ahora toma la pila y frota lentamente los bornes con la virulana y observa qué pasa.

Práctica 23

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Reporte:


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Comportamiento de la electricidad

(Circuito en paralelo)

Materiales:

1 metro de cable calibre 14.

1 regla de 30 cm.

3 focos de 25 Watts.


1 clavija.

1 desarmador.

1 pinzas de corte.

Procedimiento:

1.- Dobla el cable exactamente a la mitad y córtalo con las pinzas.

2.- Toma cada cable de una punta y haz dos marcas en cada uno con 10 cm de separación.

3.- Toma las pinzas y con cuidado corta solo el forro de plástico en donde hiciste las marcas.

4.- Conecta los tres socket con los cables, como se muestra en la figura, de igual forma la clavija.

5.- Ahora coloca uno a uno los focos y observa qué pasa.

6.- Quita con cuidado uno a uno los focos y observa qué pasa.

Práctica 24

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Reporte:

1.- ¿Qué sucedió con la luz cuando se pusieron y quitaron los focos?

2.- ¿Por qué no se apagaron los demás focos?

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(Circuito en serie)

Materiales:

1 metro de cable calibre 14.

1 regla de 30 cm.

3 focos de 25 watts.


1 clavija.

1 desarmador.

1 pinzas de corte.

Procedimiento:

1.- Toma cada cable de una punta y haz dos marcas en cada uno con 25 cm de separación.

2.- Con las pinzas corta el cable donde hiciste las marcas y pela aproximadamente 1 cm del forro en cada punta de cada uno de los tramos.

3.- Conecta los sockets como se muestra en la figura.

4.- Ahora coloca y conecta la clavija y nuestro circuito está terminado.

5.- Coloca los tres focos y conecta la clavija a la corriente.

6.- Quita y pon nuevamente cada uno de los focos y observa qué pasa.

Práctica 25

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Reporte:


2.- Explica.

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(Circuito mixto)

Materiales:

1.5 metros de cable calibre 14.

1 Flexómetro.

3 focos de 25 watts.


1 clavija.

1 switch o interruptor eléctrico.

1 desarmador.

1 pinzas de corte.

Procedimiento:

1.- Toma la cinta y marca el cable con las medidas de la tabla.

Cables

Tramo Medida Cantidad de

tramos

(a) 20 cm 2

(b) 15 cm 2

(c) 40 cm 2

2.- Corta el cable con las medidas de la tabla y pela aproximadamente 1 cm del forro en cada punta de estos.

3.- Toma el flexómetro y haz una marca a 10 cm en cada uno de los tramos (a).

4.- Con cuidado haz un corte en el puro forro del cable y arma el circuito de la figura siguiente.

Práctica 26

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Foco 3

(b) (b)

(a) (a)

(c) Foco 2

(c)

Foco 1

A la clavija

5.- Conecta la clavija a la corriente y observa la intensidad de la luz en cada foco.

6.- Desconecta el cable de la corriente y quita el foco 1, vuelve a conectar a la corriente y observa que pasa.

7.- Repite el paso anterior con el foco 2 y el foco 3, observa con cuidado.

Reporte:

1.- ¿Cómo es la intensidad de la luz en cada foco y por qué?

2.- ¿Qué sucedió en cada caso cuando quitaste los focos uno por uno?

3.- Explica.

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BLOQUE IV: RELACIÓN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

La electricidad (del griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.

Las cargas eléctricas producen campos electromagnéticos que interaccionan con otras cargas. La electricidad se manifiesta en varios fenómenos:

Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas subatómicas, la cual determina su interacción electromagnética. La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnéticos.

Corriente eléctrica: un flujo o desplazamiento de partículas cargadas eléctricamente; se mide en amperios.

Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra carga menor, cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además, las cargas en movimiento producen campos magnéticos.

Potencial eléctrico: es la capacidad que tiene un campo eléctrico de realizar trabajo; se mide en voltios.

Magnetismo: la corriente eléctrica produce campos magnéticos y los campos magnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.

Características de los Imanes

Se orientan en una dirección específica del espacio cuando son suspendidos adecuadamente. Si colgamos cualquier imán en el espacio por medio de un hilo se observa que adquiere una orientación especial: una parte del imán se orienta aproximadamente hacia el norte geográfico y la otra se orienta hacia el sur. El lado que se orienta hacia el norte se denomina polo norte del imán y el lado que se orienta hacia el sur se denomina Polo Sur. Esta característica dio origen a la brújula, instrumento construido con una pequeña aguja imantada que puede girar alrededor de un eje de rotación que pasa por su centro geométrico.

• Efecto de fuerza (atrae el hierro y lo retiene).

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• Efecto de orientación (se sitúan en dirección norte – sur). Los extremos del imán se denominan “polos”, pues ellos ejercen las mayores fuerzas magnéticas.

Efecto de repulsión y atracción entre dos imanes

Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. Si se introduce un imán recto en un montón de limaduras de hierro, este las atrae por efecto de fuerzas magnéticas, según la siguiente distribución:

Efecto de atracción entre un imán y pequeños trozos de hierro

El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina “campo magnético”, el cual está formado por líneas de fuerza. Estas líneas tienen directa incidencia sobre sus propios polos o sobre cualquier elemento ubicado dentro de dicho campo, de la siguiente manera:

Distribución de campo magnético

Observación:

▪ Las líneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por fuera del imán.

▪ Las líneas de fuerza son cerradas y se distribuyen de "norte a sur" por dentro del imán.

▪ Todas las líneas de fuerza constituyen el flujo m.

Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética

de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en

cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal

forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un

vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales. El

campo magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de

Lorentz ejercida en cargas eléctricas. Campo magnético puede referirse a dos

separados pero muy relacionados símbolos B y H.

Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en

movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas elementales

asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espín. En la relatividad

especial, campos eléctricos y magnéticos son dos aspectos interrelacionados de

un objeto, llamado el tensor electromagnético. Las fuerzas magnéticas dan

información sobre la carga que lleva un material a través del efecto Hall. La

interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos, tales como

transformadores, se estudia en la disciplina de circuitos magnéticos

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Relación entre electricidad y magnetismo

Hans Christian Ørsted (pronunciado en español Oersted. Nacido en Rudkobing,

Dinamarca el 14 de agosto de 1777 – Falleció en Copenhague, Dinamarca 9 de

marzo de 1851) fue físico y químico danés, influido por el pensamiento alemán de

Immanuel Kant y también de la filosofía de la Naturaleza.

Fue un gran estudioso del electromagnetismo. En 1813 predijo la existencia de los

fenómenos electromagnéticos, que no demostró hasta 1820, inspirando los

desarrollos posteriores de André-Marie Ampére y Faraday, cuando descubrió la

desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a

un conductor eléctrico, por el que circula una corriente eléctrica, demostrando así

la existencia de un campo magnético en torno a todo conductor atravesado por

una corriente eléctrica, e iniciándose de ese modo el estudio del

electromagnetismo. Este descubrimiento fue crucial en el desarrollo de la

electricidad, ya que puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el

magnetismo. Oersted es la unidad de medida de la reluctancia magnética. Se cree

también fue el primero en aislar el aluminio, por electrólisis, en1825, y en 1844

publicó su Manual de Física Mecánica.

Aplicación del electromagnetismo en la construcción de motores

Un motor eléctrico o electromagnético es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Aprovecha el hecho de que cuando un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción de dicho campo magnético.

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La imagen nos enseña el fundamento de un motor. Cuando circula corriente por la espira, sobre cada conductor se ejerce una fuerza magnética, el cual siguiendo la Ley de Lorentz, es perpendicular al plano que forman el campo magnético y el conductor. Sobre los dos conductores paralelos a las líneas del campo magnético, la fuerza es nula, y sobre los conductores perpendiculares a dichas líneas, las fuerzas componen un par que provoca el giro de la espira para llevarla a la posición vertical (donde el campo magnético que produce la espira se alinea con el campo magnético del imán). Si se mantuviera la corriente, desde que la espira pasa por dicha posición, el par de fuerzas se opondría a la rotación. Por eso, la corriente se traslada del circuito exterior a la espira mediante un conmutador formado por dos chapas de metal con forma de media luna, denominadas delgas. Los extremos de la espira o escobillas hacen contacto primero con una delga y después con la otra, lo que provoca que, mientras la corriente por el circuito exterior tiene siempre el mismo sentido, la corriente en la espira invierta su sentido de circulación cada medio ciclo. Así, el par de fuerzas siempre impulsa la rotación.

Aplicación del electromagnetismo en la construcción de generadores

Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre conductores y el campo se genera una fuerza electromotriz (F. E. M.).

En la actualidad, la generación de corriente continua (C. C.) se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversión de corriente alterna (C. A.) a corriente continua (C. C.) mediante los puentes rectificadores. El uso del dínamo para la producción de energía en forma de corriente continua, se estuvo utilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada.

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Generadores de corriente continua (Dínamo)

Se puede decir que un dínamo es una máquina eléctrica rotativa que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Esta máquina consta fundamentalmente de un electroimán encargado de crear un campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor y un cilindro donde se desarrollan bobinas de cobre, las cuales se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor que se conoce como inducido.

Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimán inductor, los conductores del inducido cortan en su movimiento el campo magnético fijo y en ellos se induce una fuerza electromotriz inducida, cuyo valor y sentido varía en cada instante con la composición. Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posición de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudiéndose comprobar como se obtiene a la salida una tensión alterna senoidal.

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Generador de corriente alterna

Un alternador es una máquina eléctrica, capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción. Un alternador consta de dos partes fundamentales, el Inductor, quien crea el campo magnético y el inducido, que es el conductor atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo magnético.

El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme.

El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica.

El primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil.

Alternador. Es un generador de corriente eléctrica alterna (se llaman monofásicos, bifásicos o trifásicos según el número de fase de la corriente que proporciona). Convierte la energía mecánica en energía eléctrica.

Tanto los alternadores como los generadores (dínamos) producen corriente, creando movimiento entre un conductor y un campo magnético, los principios de electromagnetismo controlan e indican cómo se produce esta energía.

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En un alternador, el rotor (que crea el campo magnético) gira dentro del estator (el inductor).

La corriente alterna (A. C.), es inducida en el estator, luego cambia a corriente directa (D. C.) por un puente de diodos, para luego abastecer las necesidades del vehículo.

Los transformadores

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten, partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador.

Permiten así, proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También, son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas pérdidas y conductores de secciones moderadas.

Un transformador se proyecta para unas tensiones dadas de servicios en primario y secundario, y una potencia máxima continua que pueda obtenerse en su secundario. El incrementar la tensión en su primario, y por lo tanto la corriente en él mismo, lleva a la saturación del núcleo magnético, con lo que el mismo no es capaz de transferir mas potencia al secundario y el exceso de potencia de entrada solo produce sobrecalentamientos del núcleo por corrientes parásitas y el devanado primario, por efecto Joule, llevando a la rotura del devanado por fallo del aislante del mismo.

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Conexiones del primario

Conexiones del secundario

Devanado primario Núcleo ferromagnético

Devanado secundario

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Características de los imanes

(Visualizar el campo magnético)

Materiales:

1 hoja de papel.

1 salero de cristal (vacío).

3 Imanes, uno rectangular, uno de herradura, y una bocina pequeña.

Limaduras de hierro.

Notas:

1.- Las limaduras de hierro pueden comprarse en tiendas de juguetes científicos. También, pueden obtenerse minúsculos hilos de hierro (cumplen el mismo papel que las limaduras) cortando con unas tijeras un estropajo de lana de acero (o de hierro), de los que se utilizan en la cocina para fregar las sartenes y cazuelas).

2.- Lo mejor es que previamente forres el imán con plástico del que se utiliza para envolver los alimentos, esto para que no entre en contacto con las limaduras, ya que puede resultar un tanto trabajoso el separarlas.

3.- Para recuperar las limaduras separa con cuidado el papel del imán y vuelve a echarlas al recipiente (salero).

Procedimiento:

1.- Rellena el salero con las limaduras de hierro.

2.- Cubre el imán rectangular con la hoja de papel.

3.- Espolvorea lentamente las limaduras de hierro sobre el papel y observa.

4.- Recupera las limaduras.

5.- Repite los pasos del 2 al 4, ahora con el imán de herradura y observa.

6.- Repite los pasos del 2 al 4, ahora con el imán de la bocina y observa.

Práctica 27

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Reporte:

1.- ¿Qué forma tomaron las limaduras sobre el papel?

2.- Explica.

Líneas de campo magnético

en un imán rectangular


en un imán de herradura


en un imán redondo

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Características de los imanes

(Polos magnéticos y Magnitud del campo magnético)

Materiales:

1 hoja de papel.

1 recipiente de plástico transparente.

2 Imanes.

Limaduras de hierro.

Aceite de cocina.

Procedimiento:

1.- Toma los dos imanes y colócalos sobre una mesa.

2.- Sujeta solo uno de ellos y acércalo poco a poco al otro, observa.

3.- Ahora voltea solo uno de ellos y repite el paso anterior, observa.

4.- Coloca la limadura en la hoja de papel.

5.- Pasa el imán por debajo de la hoja de papel y observa.

6.- Coloca la limadura de fierro en el recipiente de plástico y agrega un poco de aceite, que no rebase más de 2 cm de altura.

7.- Pasa el imán por debajo del recipiente y observa.

Práctica 28

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Reporte:

1.- ¿Qué sucedió con los imanes cuando los acercaste y por qué?

2.- Después de voltear uno de los imanes, ¿qué sucedió con el otro imán cuando los acercaste y por qué?

3.- ¿Qué sucedió con las limaduras sobre el papel?

4.- ¿Qué sucedió con las limaduras en el aceite?

5.- Explica esto.

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Relación entre electricidad y magnetismo

(Ley de Oersted)

Materiales:

1 Clavo de hierro grande (de unas 3 pulgadas o más).

1 batería tipo “D”.

1 pinza de corte.

2 metros de cable de cobre (del más delgado que se encuentre).

5 Clavos pequeños.

5 Clips pequeños.

Notas:

1.- Se debe tener mucho cuidado al hacer el electroimán, ya que este se puede calentar mucho.

Procedimiento:

1.- Toma las pinzas de corte y pela en cada punta 1 cm del forro.

2.- Toma el cable de cobre y deja libre unos 20 cm, a partir de ahí enróllalo sobre el clavo grande y deja libre otros 20 cm, como se muestra en la figura.

3.- Agrupa por separado los clavos pequeños y los clips pequeños.

4.- Con cuidado, coloca cada punta pelada del cable a la batería (una a cada borne) y acércalo a los grupos que hiciste y observa.

Práctica 29

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Reporte:

1.- ¿Qué sucedió con los clips y los clavos pequeños?

2.- ¿Por qué?, explica.

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Aplicaciones del electromagnetismo

(Motores, generadores y transformadores eléctricos)

Recomendaciones especiales:

En las siguientes tres prácticas se verán las aplicaciones más comunes del electromagnetismo, el objetivo principal es desarrollar de manera económica dichos proyectos donde se demuestren plenamente las leyes del electromagnetismo y su función habilidad.

De igual forma se pide que se tenga estricto apego a las instrucciones, este tipo de aplicaciones requiere de mucha exactitud, al tratar de desarrollarlo de manera económica sin máquinas o equipos especiales se corre el riesgo de que no salgan bien.

Los materiales que se solicita para hacer las siguientes tres s no son caros, pero algunos van a ser difíciles de conseguir, ya que hay lugares precisos o especiales para conseguirlos, por tal razón se recomienda verlos con tiempo y tratar de conseguirlos para que dichas s se realicen al 100% y cumplan su objetivo primordial, ver las aplicaciones del electromagnetismo.

Lista de materiales:

Material Cantidad Utilidad / Recomendación / Especificación

Cable esmaltado 1 bobina Delgado del #30, para la construcción de rotores.

Probador electrónico 1 pieza Medidor de resistencia, voltaje de C. C. y C. A.

Imán permanente 4 piezas De cerámica de 1cm X 2cm X 3cm.

Alambre galvanizado 2 metro De 1.1mm para hacer soportes

Tornillo cabeza redonda 4 piezas 3.5 mm de diámetro X 16 mm de longitud.

Clavo grande 1 pieza 8 cm.

Foco miniatura 1 pieza De 1.5 volts a 25 mA.

Tira de cartón 1 pieza 8 cm X 30 cm.

Madera gruesa 1 pieza 2 cm de grueso X 10 cm largo X 6 cm ancho.

Madera gruesa 1 pieza 2 cm de grueso X 20 cm largo X 20 cm ancho.

Pila 1 pieza Tipo “D” de 1.5 volts.

Pila 1 pieza Cuadrada de 9 volts.

Cable con aislante 1 metro Del No. 20 AWG.

Regla 1 pieza De 30 cm. De plástico, madera o metal.

Destornillador 2 piezas Uno plano y otro de cruz.

Papel lija 1 pieza Para limpiar el esmalte, se puede usar un exacto.

Lápiz 1 pieza Para hacer marcas.

Tijeras I pieza Para hacer cortes en el cartón.

Pinzas de punta y corte 2 pieza Para doblar y cortar cables.

Barrena manual (broca) 1 pieza Para la colocación de tornillos.

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(Motor eléctrico)

Materiales:

1 imán permanente, de 1cm x 2cm x 3cm.

1 m de cable esmaltado.

2 tornillos de cabeza redonda, 3.5 mm de diámetro x 16 mm de longitud

1 pila de 9 volts.

30 cm de cable con aislante.

1 pieza de madera de 2 cm de grueso x 10 cm largo x 6 cm ancho.

1 Regla de 30 cm.

2 pinzas, una de punta y otra de corte .

1 destornillador.

1 barrena.

Papel lija.

Recomendación especial:

1.- No empieces el procedimiento si antes no lo lees completo.

2.- El cable esmaltado es muy delgado y sensible, manéjalo con cuidado de no dañar el esmalte que tiene.

Procedimiento:

1.- Enrolla el cable esmaltado alrededor de un objeto cilíndrico que tenga un diámetro de entre 20 y 35 mm (un tubo, una pila mediana, etc.). Debes dejar dos extremos de unos 70 mm de longitud sin enrollar, como se muestra en la figura.

Práctica 30

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2.- Enrolla los extremos del cable alrededor de la bobina central (3 ó 4 vueltas). Esta operación sirve para que la bobina no se deshaga. Los dos extremos resultantes serán el eje del rotor, tienen que estar lo más recto posible, puedes utilizar las pinzas para enderezarlo y alinearlos entre sí (con cuidado de no dañar el esmalte).

3.- Ahora tenemos que quitar el aislante de uno de los extremos, solamente de uno. Para ello, ráspalo el papel lija hasta que veas que la superficie del cable se pone rugosa, esto nos indica que la capa de esmalte se ha perdido y puede pasar la corriente.

4.- El otro extremo también hay que lijarlo para quitar el esmalte, pero solo la

mitad del cable y de forma longitudinal, fíjate en las ilustraciones para saber cómo tienes que hacerlo.

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Si miramos el rotor de perfil, la mitad del cable sin esmalte tiene que ser paralela al plano de la bobina, tal y como se muestra en el dibujo (A). Si la parte del cable sin esmalte no se coloca así, el motor no funcionará, como el ejemplo del dibujo (B).

La mejor manera de conseguir esta disposición es lijar el cable apoyando en el rotor sobre una madera plana, no lo hagas directamente sobre la mesa, esta se rayaría, fíjate en la figura de abajo.

Forma correcta de lijar la mitad longitudinal del cable esmaltado.

5.- Corta con las pinzas de corte dos trozos de alambre de 80 cm cada uno y

dóblalos utilizando las pinzas, de manera que quede con la forma y medidas de la siguiente figura:

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6.- Utiliza la regla de 30 cm y marca la tabla de madera con las medidas que aparecen en la figura de abajo. También, deberás hacer dos orificios con la barrena pequeña, en los que irán alojados los dos tornillos que sujetan los alambres. Es muy importante que los orificios sean de menor diámetro que los tornillos, si no podrás apretar los tornillos y los orificios no servirán de nada.

6.- Instala los soportes de alambre en la base de madera, utiliza los tornillos de

cabeza redonda y desatornillador adecuado. También, hay que colocar los cables que servirán para conectar el motor a la pila. Usando las pinzas de corte quita el aislante de 1cm de cable y enróllalo al tornillo antes de apretarlo totalmente, como se muestra en la figura siguiente:

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Ahora coloca el rotor sobre los soportes, ya armado se debe ver más o menos así:

7.- Finalmente, conecta la pila. Para ponerlo en marcha tienes que hacer girar

el rotor dándole un golpecito con el dedo, si el motor está bien equilibrado girará sin ningún contratiempo. Si no arranca dale vuelta al imán y vuelve a probar.

Recomendaciones finales:

Debes tener cuidado de nunca conectarlo con más de nueve volts, esto es peligroso, ya que se calentarían los cables y esto te podría causar algún daño.

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Si tienes a la mano un eliminador de corriente continua y de salidas múltiples (seleccionador de voltaje), lo podrías utilizar en vez de la pila, y así te ahorrarías este gasto.

Si el motor no funciona, haz las siguientes comprobaciones:

1) Algún cable no está correctamente conectado o hay un corto circuito

(dañado el cable del rotor), comprueba las conexiones.

2) El lijado de los cables en los extremos no se hizo correctamente, repasa las operaciones 3 y 4.

3) El rotor no se encuentra bien equilibrado, el eje está excesivamente torcido o descentrado, alinéalo utilizando las pinzas de punta.

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(Generador eléctrico)

Materiales:

4 imanes de 1cm x 2cm x 5cm cada uno.

1 foco miniatura de de 1.5 volts 25mA.

1 tira de cartón de 8cm X 30cm.

1 clavo grande, de 8cm ó más.

1 barrena.

1 regla de 30cm.

1 lápiz.

Alambre esmaltado #30.

Cinta adhesiva.

Papel lija.

Práctica 31

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Procedimiento:

1.- Primero hay que hacer un tubo cuadrado de cartón, con regla y lápiz,

hacerle marcas con el lápiz, con las medidas de la siguiente figura:

2.- Ahora haz dobleces sobre las marcas que hiciste y asegúralo con la cinta

adhesiva para que quede como la siguiente figura:

3.- Usa el clavo que debe ser perfectamente horizontal, va en ambos lados y pasa por todas las capas de cartón. Luego, jala el clavo y úsalo para ensancharlo un poco para que el clavo gire libremente.

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4.- Ahora hay que colocar los imanes en el clavo y hacerlo girar dentro del tubo, para asegurarnos que el tubo es lo suficientemente grande, los imanes no deben chocar contra las paredes. Si ocurre esto, debes hacer otro tubo.

Esto es solo para asegurarnos que quedaron bien las medidas, para realizar los siguientes pasos sin que nos estorbe, quítalo con cuidado de no dañar el cartón.

5.- Toma el alambre esmaltado del número 30, sujeta uno de los extremos del

alambre a un lado del tubo cuadrado, y envuelve alrededor como se muestra en la figura. Puedes cubrir el agujero para el clavo. Deja unos 10 cm de alambre de cada lado y asegura con cinta adhesiva para que no se desenvuelva.

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6.- Toma ambas puntas del alambre y lija aproximadamente 1 cm, esto para quitare el esmalte, ahora toma las puntas y enrosca a cada patita del foco, como se ve en el dibujo:

7.- Coloca con cuidado el clavo con los imanes, como se pidió en el paso 4,

gira el clavo con los imanes, y verás cómo el foquito prende. La intensidad de la luz irá de acorde a la velocidad de los giros.

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Recomendaciones finales:

El generador solo puede funcionar con una lámpara diminuta que consume 25mA de corriente.

Para que la luz del foco sea más intensa, debes girar más rápido el clavo con los imanes.

Si el generador no funciona, haz las siguientes comprobaciones:

Revisa visualmente que la lámpara diminuta tenga un filamento, la cual se conecte internamente a las dos patitas, si no, con un probador de continuidad y conecta las dos patitas a las terminales, este debe zumbar o emitir un pitido, si no lo hace está dañada, sustitúyela por otra.

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(Transformador eléctrico)

Materiales:

1 pedazo de lámina de zinc de 10cm x 20cm.

1 tijeras para cortar lámina.

1 pieza de madera de 2 cm de grueso x 20 cm largo x 20 cm ancho.

1 cautín con soldadura.

4 tornillos de cabeza redonda de 3.5 mm de diámetro x 16 mm de

longitud.

1 puente rectificador.

1 condensador.

1 regla de 30cm.

1 lápiz.

1 lima.

1 pinzas de punta.

Alambre esmaltado #30.

Cinta adhesiva.

Papel lija. Procedimiento:

1.- Con la regla traza tres líneas a lo largo de la lámina cada 2.5 cm, de tal manera que quede como el la ilustración siguiente:

20cm

2.5cm

2.5cm

2.5cm

2.5cm

Práctica 32

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2.- Toma las tijeras y corta sobre las líneas que trazaste, pasa la lima sobre la lámina donde hiciste los cortes, esto para eliminar rebabas o filos que puedan causar algún accidente (corte).

3.- Toma la regla y a lo largo mide 3m de cada extremo y traza una línea, como

se muestra en la figura:

3cm 9cm 3cm

2.5cm

4.- Con la ayuda de las pinzas, haz dobleces sobre estos nuevos trazos de manera que te queden unas especies de “U” y acopla dos piezas de estas juntas, para que queden como se muestra en la siguiente figura:

5.- Forra con la cinta masking tape para proteger solo el núcleo y empezamos

a formar el primario y el secundario de nuestro transformador, cubriendo cada uno con vueltas del cable esmaltado, la relación de vueltas entre uno y otro debe ser 2 a 1, como ejemplo, si uno le pones 50 vueltas de cable esmaltado, en el otro deberán ser 100.

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6.- Ahora toma las dos bobinas ya hechas y con cuidado abre ligeramente las láminas en la parte que se doblaron y acóplalas, toma las pinzas y únelas de manera firme.

7.- Tomamos la madera y medimos unos 4cm de cada esquina para colocar los 4 tornillos de cabeza redonda, estos se utilizarán para sujetar cada cable de nuestro transformador y fijar también este, observa la siguiente figura:

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Ya montado debe verse más o menos así:

8.- Soldamos el puente rectificador que convertirá la señal de corriente alterna

en una señal de media onda, el condensador me convertirá la señal de media onda en una de corriente continua y el LED piloto me indicará si funciona o no:

9.- Finalmente, lo probamos utilizando un eliminador de corriente alterna, hay algunos comerciales que traen para seleccionar el voltaje de salida, podemos empezar por uno de los voltajes más bajos y ver el efecto en el LED.

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Práctica 1

Presión hidrostática (variación de la presión con la profundidad)

Comprobaremos que el alcance del agua será tanto mayor, cuanto más abajo esté el agujero. Demostrando con ello, que a mayor profundidad, mayor es la presión hidrostática. Y si la botella es poco rígida, y la tenemos bien cerrada, se observará también que a medida que sale el agua, al disminuir la presión dentro de la misma, la botella se arrugará.

Práctica 2

Presión manométrica (medición de la presión de un gas)

El instrumento que sirve para medir la presión de un gas se llama manómetro. Un tipo de manómetro muy utilizado es un tubo en forma de “U”, el cual contiene mercurio. Cuando se desea saber la presión de un gas en un tanque hay que adaptar al recipiente el extremo de la rama más pequeña del tubo y observar el desnivel del mercurio en las dos ramas. En este caso a mayor inflado del globo la altura en la manguera subirá, esto por que ejerce una mayor presión sobre esta desplazándola más.

Práctica 3

Capilaridad (capilaridad en los vegetales)

Este fenómeno consiste en el ascenso y descenso de un líquido por el interior de tubos de diámetro pequeño, como todos sabemos las plantas absorben agua para poder subsistir y en este caso se demuestra claramente cómo a través se su tallo sube el agua, al ponerle colorante vegetal, este empieza a teñir los pétalos de las flores, demostrando entonces dicho fenómeno.

Práctica 4

Tensión superficial

Es una fuerza ejercida sobre la superficie libre de un líquido almacenado. Esta fuerza no es muy grande, por eso permite que insectos pequeños o de poco peso, perezca que caminan sobre la superficie del agua, esto es siempre y cuando su peso no rebase esta fuerza. En la esta fuerza, quien mantuvo a flote los clips, pues la fuerza que ejerce su peso no es tal para vencerla y en el caso de las monedas esta si lo vence.

Explicación de Prácticas

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Práctica 5

Presión

Cuando un objeto se coloca encima de otro se produce una presión debido al peso del cuerpo que esté sobre el área del objeto que se encuentra en la parte inferior.

Una misma fuerza podrá producir diferentes presiones, según el área sobre la cual actúe. Por ello, el cuchillo, las tijeras y el hacha deben estar bien afilados para cortar, ya que el área sobre la cual se aplicará la fuerza será muy pequeña, logrando una presión muy intensa.

En este caso el objeto de menor peso hizo que el clavo se encajara menos en la plastilina (menor presión), mientras que el de mayor peso se encajó más (mayor presión).

Práctica 6

Densidad

La densidad es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia, este principio se define también, el peso de cada material o sustancia, entre más denso más peso específico tiene y entre menos denso es más ligero. Esta razón hace que cada sustancia tome según su densidad y peso una posición, una arriba de la otra.

Práctica 7

Principio de Pascal

Establece que al aplicar una fuerza sobre un líquido en un recipiente cerrado, esta fuerza se trasmitirá íntegramente en todos y cada uno de sus puntos, por eso cuando aplicamos presión sobre la jeringa pequeña, esta es capaz de desplazar la jeringa grande.

Práctica 8

Principio de Arquímedes

Dice en este principio que al introducir un material en un líquido este recibirá un empuje ascendente que será de igual magnitud que el peso del material, por esa razón cuando se introduce el primer huevo en el vaso con agua, el nivel de este sube y el huevo se va hasta el fondo, en el segundo caso el huevo no se va hasta el fondo porque cambiamos el peso específico del agua al incluirle la sal, entre más sal la posición del huevo es mas arriba en el agua.

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Práctica 9

Dilatación lineal

Es el aumento de longitud que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio, en este caso el aumento de temperatura lo sufre por la flama de la vela, al aplicarla sobre el cable de cobre, la tuerca hace que la dilatación se ejerza a lo largo del cable, cambiando su longitud física

Práctica 10

Dilatación superficial

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción, en este caso la dilatación aunque existe, es muy difícil de percibir, por tal razón se pega el aluminio al papel, al dilatarse incrementa su tamaño y se empieza a encorvar o enrollar por dicho efecto, ya que el papel no se dilata.

Práctica 11

Dilatación térmica cúbica

En un líquido o un gas se observa como un cambio de volumen ΔV, en una cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura Δt. En este caso, la variación de volumen ΔV es directamente proporcional al volumen inicial V0, y al cambio de temperatura Δt, para la mayor parte de las sustancias y dentro de los límites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir: se produce en gases, líquidos y cuerpos geométricos.

Al incrementar la temperatura con la flama de la vela, tanto el agua como el aire en el interior de la botella empieza a dilatar, como es un proceso difícil de medir, se demuestra de manera sencilla al inflarse el globo cuando se aplica calor.

Práctica 12

Mecanismos de transferencia de calor (transferencia de calor por conducción)

El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama: Conducción. En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica.

En el caso de las cucharas, la de metal por ser un buen conductor de calor es la que se calienta más y más rápido alcanzando casi la misma temperatura del agua, en segundo lugar la de cerámica, aunque no alcanza la temperatura del agua se acerca bastante, tanto la madera como el plástico no son buenos conductores de la temperatura, por eso la temperatura en estas es casi imperceptible.


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Práctica 13

Mecanismos de transferencia de calor (transferencia de calor por convección en el agua)

La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido. Al calentar, por ejemplo, agua en un recipiente, la parte del fondo se calienta antes, se hace menos densa y sube, bajando el agua de la superficie que está más fría, y así se genera un proceso cíclico que no se aprecia a simple vista, por eso con los trozos de papel se observa claramente el movimiento del agua cuando se le aplica el calor.

Práctica 14

Mecanismos de transferencia de calor (transferencia de calor por convección en el aire)

La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido. Al prender la vela el aire cuando se calienta se dilata y pesa menos, tratando se subir, este proceso no es posible verse a simple vista, colocando la espiral de papel.

Práctica 15

Mecanismos de transferencia de calor (radiación)

La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío. La energía que los cuerpos emiten por este proceso se llama: Energía radiante. Por ejemplo, la Tierra recibe energía radiante procedente del Sol, gracias a la cual la temperatura del planeta resulta idónea para la vida. En el caso de los focos, el calor que transfieren por radiación va dependiendo de la potencia de cada uno, cuando se conectó el foco de 25 watts el calor radiado si es perceptible, pero de manera muy baja, cuando acercamos la mano al foco de 100 watts el calor radiado es más intenso, incluso puede causar quemaduras en la piel.

Práctica 16

Ley cero de termodinámica (equilibrio térmico)

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces, se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma. Por ello, la temperatura del agua cambia al contacto con el hielo, bajando la temperatura hasta llegar a un equilibrio entre los dos.


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Práctica 17

Primera Ley de la Termodinámica (conservación de la energía)

Principio de la conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.

El primer globo se revienta al aplicarle calor, pero el segundo no, esto porque al aplicarle calor el agua la absorbe, conservándola y distribuyéndola.

Práctica 18

Segunda Ley de la Termodinámica (flujo de calor)

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos, y por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También, establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo la primera Ley.

Los hielos empiezan a derretirse al aplicarles calor con el foco, sin embargo estos no pueden volver a solidificarse nuevamente al dejar de aplicarles calor.

Práctica 19

Tercera Ley de la Termodinámica (entropía)

La Tercera de las leyes de la Termodinámica, propuesto por Walter Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también, como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.

En el vaso con agua caliente el hielo se derrite de manera rápida y se mezcla rápido, pudiéndose observar por el colorante en el hielo. En el caso del agua fría vemos como este proceso es mucho más lento, ya que la diferencia de temperaturas entre el agua y el hilo es menor.


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Práctica 20

Electrostática (cómo hacer un péndulo electrostático casero)

La electrostática es la rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados, cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Al frotar el globo con la lana o con el cabello, este se carga eléctricamente de manera negativa, al acercarlo la primera vez con la bola de papel aluminio este tiende a repelerla ya que los metales contienen un electrón extra en su última capa, al dejarlos cerca este pierde los electrones, los intercambia con el globo, por esta razón es que posteriormente empieza a atraer la bola de papel aluminio.

Práctica 21

Electrostática (propiedades de las cargas eléctricas)

Cargas eléctricas iguales se repelan y cargas eléctricas diferentes se atraen. Al frotar el globo con el paño, cargamos eléctricamente al globo y al acercarlo a la esfera de aluminio tiende atraerla, esto explica el por qué da “pequeños saltos”.

Práctica 22

Ley de Ohm y Ley de Watt (resistencia y potencia eléctrica)

La Ley de Ohm establece que la intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo; mientras que La ley de Watts es también conocida la ley de la potencia eléctrica, dice que si un cuerpo se agrega determinado voltaje, se producirá dentro de él cierta corriente eléctrica. Dicha corriente será mayor o menor, dependiendo de la resistencia de dicho cuerpo, este consumo genera que la fuente de energía esté entregando cierta cantidad de potencia eléctrica, o sea, el cuerpo está consumiendo energía o potencia. En el primer caso, al juntar las dos puntas la intensidad del foco fue mayor, ya que al no contar con ninguna resistencia el flujo de corriente fue mayor, al conectarlo con el grafito de los lápices la intensidad de la luz baja, entre mayor sea la longitud del grafito la resistencia aumenta, esto permite un menor flujo de corriente y hace que la potencia sea menor.


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Práctica 23

Ley de Joule (fuego por efecto Joule)

Cuando la corriente eléctrica atraviesa un conductor, este se calienta, emitiendo energía, de forma que calor desprendido es directamente proporcional a la resistencia del conductor, al tiempo durante el que está circulando la corriente y al cuadrado de la intensidad que lo atraviesa.

Cuando ponemos en contacto la virulana con los bornes de la batería, la corriente empieza a circular sobre esta sin ninguna restricción (resistencia), esto hace que la virulana se caliente a tal modo que emite chispas, prendiendo así la servilleta produciendo el fuego.

Práctica 24

Comportamiento de la electricidad (circuito en paralelo)

Es una conexión donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.

Esta es la razón por la cual al colocar uno por uno lo focos estos fueron prendiendo, ya que la tensión (voltaje) en cada uno de ellos siempre fue la misma, razón por la que no se apagaron los demás al faltar algunos de ellos.

Práctica 25

Comportamiento de la electricidad (circuito en serie)

Circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos están unidos para un solo circuito (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros). Se conectan secuencialmente. La terminal de salida del dispositivo uno se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Al conectar el circuito a la corriente eléctrica, los tres focos prendieron, ya que la corriente fluyó por cada uno de ellos en forma serial (uno después del otro), cuando aflojamos o quitamos alguno de ellos, el camino para la corriente se corta y al no encontrar otro camino esta deja de fluir haciendo que se apaguen los demás focos.

Práctica 26

Comportamiento de la electricidad (circuito mixto)

En este tipo de circuitos hay combinaciones serie y de paralelo. Cuando quitamos el Foco 1 la intensidad en los otros dos focos aumenta, ya que disminuimos la resistencia eléctrica del circuito, permitiéndole pasar más corriente en él, lo mismo sucede cuando lo ponemos y quitamos el Foco 2, pero observamos que la luz de


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los focos se apagan cuando quitamos el Foco 3, esto porque este se encuentra en serie con los demás, al quitarlo interrumpimos el flujo de corriente que hay en el circuito haciendo que todos se apaguen.

Práctica 27

Característica de los imanes (visualizar el campo magnético)

El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina “campo magnético”, el cual está formado por líneas de fuerza. Estas líneas tienen directa incidencia sobre sus propios polos o sobre cualquier elemento ubicado dentro de dicho campo.

Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales.

Cuando espolvoreas lentamente las limaduras de hierro estas son atraídas por el campo magnético del imán, dibujando sobre el papel la forma en que están distribuidas para cada caso o tipo de imán.

Práctica 28

Características de los imanes (polos magnéticos y magnitud del campo magnético)

Tanto si se trata de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur, o, alternativamente, polo positivo y polo negativo. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales.

Cuando acercamos los dos imanes sobre la mesa y los acercamos, si estos coinciden en que la posición de sus polos están en la misma posición, estos tenderán a repelerse, al acercarlos lentamente la fuerza de repulsión hace que el otro avance en sentido contrario tratando de alejarse del otro, por lo contrario cuando sus polos se contraponen con el hecho de acercarlo un poco estos se atraen de tal manera que uno de ellos avanza hacia el otro.

Cuando movemos el imán por debajo del papel, podemos observar como las limaduras de fierro se arrastran sobre el papel en la misma dirección en la que se


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mueve el imán, esto es por que la magnitud (fuerza) del campo magnético del imán alcanza a atraerlas provocando el desplazamiento.

De igual forma cuando movemos el imán por debajo del recipiente con el aceite y las limaduras de hierro, estas también tienden a moverse en la misma dirección, pero mucho mas lento, ya que en este caso tanto el plástico como el aceite no tienen propiedades magnéticas, no permitiendo que la fuerza llegue con la misma intensidad.

Práctica 29

Relación entre electricidad y magnetismo (Ley de Oersted)

Hans Christian Oersted predijo la existencia de los fenómenos electromagnéticos, quien no demostró hasta 1820, inspirando los desarrollos posteriores de André-Marie Ampére y Faraday, cuando descubrió la desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor eléctrico, por el que circula una corriente eléctrica, demostrando así la existencia de un campo magnético en torno a todo conductor atravesado por una corriente eléctrica, e iniciándose de ese modo el estudio del electromagnetismo. Este descubrimiento fue crucial en el desarrollo de la electricidad, ya que puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el magnetismo.

Cuando conectamos el cable a la batería, la corriente que pasa por el conductor enrollado en el clavo, creando un campo magnético sobre este, volviéndolo un electroimán.

Práctica 30

Aplicaciones del electromagnetismo (motor eléctrico)

Un motor eléctrico o electromagnético es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Aprovecha el hecho de que cuando un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción de dicho campo magnético.

Cuando conectamos la pila, esta hace pasar corriente en el rotor, produciendo en él un campo magnético, este tiende a repelerse produciendo una parte del giro, al no lijar por completo el cable, este deja de hacer contacto, provocando con esto que el campo desaparezca y por inercia continúa su movimiento, hasta volver al punto donde esta lijado y se vuelve a producir el mismo efecto, provocando así un movimiento continuo.

Práctica 31

Aplicaciones del electromagnetismo (generador eléctrico)

Un alternador es una máquina eléctrica, capaza de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción. Un


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alternador consta de dos partes fundamentales, el inductor, es el que crea el campo magnético y el inducido, es el conductor atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo magnético.

Cuando hacemos girar el clavo con los imanes, las líneas de campo magnético que estos poseen, pasan por el cable esmaltado enrollado en el cartón, produciendo así un movimiento de electrones sobre este, el cual hace que el foco encienda; la intensidad de la luz del foco va de acorde a la velocidad con que se gire el clavo con los imanes.

Práctica 32

Aplicaciones del electromagnetismo (transformador eléctrico)

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten, partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador.

Permiten así, proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También, son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas pérdidas y conductores de secciones moderadas.

Cuando se hace pasar corriente por una de las bobinas, esta genera un campo magnético, el cual al cruzar sus líneas por la estructura de lámina en que se montó, este también se imanta, produciendo así, que en la segunda bobina empiece a circular corriente, la relación de tensión o voltaje, va de acuerdo a la proporción de vueltas que tengan entre la primera y la segunda bobina, es decir, si la primera bobina donde estamos conectando la corriente tiene 50 vueltas y aplicamos 12 volts, en la segunda bobina si tiene 50 vueltas, la tensión o voltaje será el mismo, en el caso de que sean solo 25 vueltas, el voltaje se reducirá a la mitad, 6 volts, caso contrario si tiene el doble de vueltas, el voltaje se duplicará.


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Créditos

Iraís Dalila Reyes Cruz Directora General de Telebachillerato

Julián Cruz Champala Subdirector Técnico

José Peña Cerezo

Subdirector de Evaluación y Supervisión Escolar

Rodrigo José Álvarez Montero Méndez Jefe del Departamento Técnico Pedagógico

Joaquin Vasquez Pérez

Jefe de la Oficina de Planeación Educativa

Juan Luis Uscanga Salazar Jefe de la Oficina de Desarrollo Educativo

Oliver Zamudio Palacios Elaboración del Manual

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