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Telebachillerato de Veracruz
Cuarto semestre
Experimentos
Física II
Experimentos de Física II
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Experimentos de Física II
INDICE
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
Experimento 1. Presión Hidrostática (variación de la presión con la
profundidad). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Experimento 2. Presión Manométrica (medición de la presión de un
gas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Experimento 3. Capilaridad en vegetales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Experimento 4. Tensión superficial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Experimento 5. Presión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Experimento 6. Densidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Experimento 7. Principio de Pascal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Experimento 8. Principio de Arquímedes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
BLOQUE II: DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. . . . . . . . . . . . 17
Experimento 9. Dilatación lineal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Experimento 10. Dilatación superficial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
Experimento 11. Dilatación cúbica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Experimento 12. Conducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Experimento 13. Convección en el agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Experimento 14. Convección en el aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Experimento 15. Radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Experimento 16. Ley Cero de Termodinámica, Equilibrio Térmico. . . . . . . 37
Experimento 17. Primera ley de Termodinámica, Conservación de la
Energía. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Experimento 18. Segunda Ley de la Termodinámica, Flujo de Calor. . . . 41
Experimento 19. Tercera Ley de la Termodinámica, Entropía. . . . . . . . . 42
BLOQUE III: LEYES DE LA ELECTRIDAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
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Experimentos de Física II
Experimento 20. Electrostática, cómo hacer un péndulo electrostático
casero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Experimento 21. Electrostática, propiedades de las cargas eléctricas. . . 54
Experimento 22. Ley de Ohm y Ley de Watt, resistencia y potencia
eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Experimento 23. Ley de Joule, Fuego por Efecto Joule. . . . . . . . . . . . . . 58
Experimento 24. Comportamiento de la electricidad, circuito en
paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Experimento 25. Comportamiento de la electricidad, circuito en
serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Experimento 26. Comportamiento de la electricidad, circuito mixto. . . .
64
BLOQUE IV: RELACIÓN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. . . . . . .
66
Experimento 27. Características de los imanes, visualizar el campo
magnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Experimento 28. Características de los imanes, polos magnéticos y
magnitud del campo magnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Experimento 29. Relación entre electricidad y magnetismo, Ley de
Oersted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Experimento 30. Aplicaciones del electromagnetismo, motor eléctrico. . 81
Experimento 31. Aplicaciones del electromagnetismo, generador
eléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Experimento 32. Aplicaciones del electromagnetismo, transformador
eléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
EXPLICACIÓN DE EXPERIMENTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
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Experimentos de Física II
INTRODUCCIÓN
Actualmente los Bachilleratos SABES no cuentan con laboratorios para el
desarrollo de prácticas experimentales del área de Física, por lo que se propone
desarrollar experimentos 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 experimentos complicados. 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 experimentos 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 como sus características principales
(capilaridad, tensión superficial, presión y densidad) y como explicarlos mejor
tomando en cuenta el principio de Pascal y el de Arquímedes. También cómo el
calor y la temperatura afecta a diferentes materiales y cómo cambia algunas de
sus propiedades. Por último, se verá las leyes de la electricidad, la relación de
esta con el magnetismo y cómo poder generarla.
Los experimentos presentados tienen el propósito de estimular en los alumnos la
capacidad creativa y el interés por la investigación, así mismo, proporcionar al
asesor las herramientas alternativas que le permitan hacer su práctica
experimental más atractiva.
Los experimentos están diseñados en base a los contenidos temáticos de la
unidad de aprendizaje de Física II. Además, contribuirán para que el alumno logre
un aprendizaje significativo, tienen su fundamento en la práctica pedagógica del
constructivismo, de manera que el asesor actuará como guía y el alumno
participará activamente resolviendo problemas científicos y de la vida cotidiana, y
aprendiendo por descubrimiento. Además, fomentarán el trabajo en equipo y el
aprendizaje cooperativo.
Los experimentos tienen la característica de ser flexibles, ya que los materiales y
los objetos se pueden sustituir y no es necesario realizarlas en un laboratorio de
Física.
El desarrollo de los experimentos y actividades del presente manual deberá
realizarse con precaución y responsabilidad, de acuerdo a las instrucciones que se
proporcionan.
La estructura de los experimentos se describe de la siguiente manera:

Materiales. Enlista
experimento.

Procedimiento. Describe las instrucciones para realizar el experimento.
los
materiales
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necesarios
para
desarrollar
el
Experimentos de Física II

Explicación de los experimentos. Describe de manera clara al asesor los
resultados y la explicación de los fenómenos.
Es importante mencionar que algunos experimentos requieren de materiales e
instrumentos más especializados para su desarrollo, que hoy en día no están
disponibles en los bachilleratos. Sin embargo, se diseñaron para desarrollarlos
cuando se tenga los requerimientos necesarios.
MEDIDAS DE SEGURIDAD
Los materiales que se emplearán serán de bajo riesgo, lo cual no excluye la
posibilidad de accidentes por lo que te recomendamos tener en cuenta las reglas
de seguridad mínimas que se indican en este manual.
Instrucciones generales para el alumno:
1.- Lee cada experimento en su totalidad antes de empezar.
2.- Ten a mano todos los materiales necesarios.
3.- Al realizar el experimento, no te precipites, sigue cuidadosamente cada paso,
no omitas ninguno.
4.- Si los resultados no son los descritos en el experimento, 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 los experimentos.
6.- Lávate las manos antes y después de realizar el experimento.
7.- Desarrolla tus experimentos con orden, limpieza y responsabilidad.
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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
Experimento 1
Presión Hidrostática
(Variación de la presión con la profundidad)
Materiales:
1 botella de plástico vacía (vinagre, aceite, etc.).
Agua.
Procedimiento:
1.2.-
Llena de agua la botella.
Haz tres perforaciones a lo largo de la botella.
Reporte:
1.- ¿Qué pasó con el agua que salía por las perforaciones?
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2- ¿Por qué pasó esto?
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Experimentos de Física II
Experimento 2
Presión Manométrica
(Medición de la presión de un gas)
Materiales:
1 globo.
1 manguera delgada transparente, de 1 m.
Agua.
Procedimiento:
1.2.3.4.-
Infla el globo.
Conecta la manguera al globo como se muestra en la figura.
Mide la altura de desplazamiento del agua.
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?
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Experimentos de Física II
Experimento 3
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?
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Experimentos de Física II
Experimento 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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Experimentos de Física II
Experimento 5
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 el experimento con el tubo de cobre.
6.-
Vuelve a realizar el experimento, pero ahora coloca los otros dos objetos,
de menor a mayor peso, tanto en el cilindro pequeño como en el tubo de
cobre.
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Experimentos de Física II
Reporte:
Hundimiento (mm)
Objeto
Clavo
Tubo de cobre
De menor peso
De peso mediano
De mayor peso
1.- ¿Por qué no son iguales las medidas?
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Experimentos de Física II
Experimento 6
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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Experimentos de Física II
Experimento 7
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, jeringa grande?
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Experimentos de Física II
Experimento 8
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?
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Experimentos de Física II
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 práctica y
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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
destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
para
definir
este
principio,
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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Experimentos de Física II
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 inaplicables a nivel cuántico. El demonio de 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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Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
Experimento 9
Dilatación 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).
l
h
- 26 -
Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
Experimento 10
Dilatación 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
- 28 -
Experimentos de Física II
Figura 2
Reporte
1.- ¿Qué sucedió en cada caso?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 29 -
Experimentos de Física II
Experimento 11
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 l
a botella.
2-
Prende la veladora.
3.-
Con cuidado toma la botella y colócala encima de la veladora prendida.
- 30 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Qué fenómeno explica lo anterior?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 31 -
Experimentos de Física II
Experimento 12
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.
- 32 -
Experimentos de Física II
Reporte 1:
1.- ¿Por qué se sienten diferentes las temperaturas?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 33 -
Experimentos de Física II
Experimento 13
Mecanismos de Transferencia de Calor
(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?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 34 -
Experimentos de Física II
Experimento 14
Mecanismos de Transferencia de Calor
(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?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 35 -
Experimentos de Física II
Experimento 15
Mecanismos de Transferencia de Calor
(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:
1.- ¿Qué sucedió?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 36 -
Experimentos de Física II
Experimento 16
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.
- 37 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- Registra los datos iniciales:
Temperatura inicial del Agua: ____________
Temperatura inicial del Hielo: ____________
2.- Llena la siguiente tabla:
TEMPERATURA DEL AGUA
SUSTANCIA
INICIAL
5 min.
10 min.
15 min.
Agua con
hielo
3.- ¿Qué sucedió con la temperatura del agua?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 38 -
Experimentos de Física II
Experimento 17
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.
- 39 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió con el primer globo?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Qué sucedió con el segundo globo?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3.- Explica ¿Por qué?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 40 -
Experimentos de Física II
Experimento 18
Segunda Ley de la Termodinámica
(Flujo de Calor)
Materiales:
1 socket de porcelana.
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:
1.- ¿Qué sucedió?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Hay forma de volver el agua hielo sin aplicar otra forma de energía?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 41 -
Experimentos de Física II
Experimento 19
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
1.- ¿Qué sucedió?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 42 -
Experimentos de Física II
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.
- 43 -
Experimentos de Física II
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
este.
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
- 44 -
Experimentos de Física II
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
- 45 -
Experimentos de Física II
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.
- 46 -
Experimentos de Física II
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
diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es
conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente,
ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de
corriente.1
la
la
la
la
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.
- 47 -
Experimentos de Física II
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.
- 48 -
Experimentos de Física II
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
- 49 -
Experimentos de Física II
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:
- 50 -
Experimentos de Física II

También Para Resistencias:

Para Condensadores:

Para Interruptores:
- 51 -
Experimentos de Física II
Experimento 20
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.
- 52 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió inicialmente con la bola de aluminio?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Qué sucedió después? Explica.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 53 -
Experimentos de Física II
Experimento 21
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.
- 54 -
Experimentos de Física II
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?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 55 -
Experimentos de Física II
Experimento 22
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.
1exacto.
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 el experimento, 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.
- 56 -
Experimentos de Física II
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?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 57 -
Experimentos de Física II
Experimento 23
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.
- 58 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 59 -
Experimentos de Física II
Experimento 24
Comportamiento de la electricidad
(Circuito en paralelo)
Materiales:
1 metro de cable calibre 14.
1 regla de 30 cm.
3 focos de 25 Watts.
3 socket de porcelana.
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.
- 60 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió con la luz cuando se pusieron y quitaron los focos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- ¿Por qué no se apagaron los demás focos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 61 -
Experimentos de Física II
Experimento 25
Comportamiento de la Electricidad
(Circuito en serie)
Materiales:
1 metro de cable calibre 14.
1 regla de 30 cm.
3 focos de 25 Watts.
3 socket de porcelana.
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.
- 62 -
Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- Explica
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 63 -
Experimentos de Física II
Experimento 26
Comportamiento de la Electricidad
(Circuito mixto)
Materiales:
1.5 metros de cable calibre 14.
1 Flexómetro.
3 focos de 25 Watts.
3 socket de porcelana.
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.
- 64 -
Experimentos de Física II
Foco 1
Foco 3
(b)
(b)
(a)
(a)
(c)
Foco 2
(c)
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
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
- 65 -
Experimentos de Física II
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
BLOQUE IV.- RELACIÓN ENTRE ELCTRICIDAD 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).
- 66 -
Experimentos de Física II
•
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
- 67 -
Experimentos de Física II
del efecto Hall. La interacción de los campos magnéticos en dispositivos
eléctricos, tales como transformadores, se estudia en la disciplina de circuitos
magnéticos.
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
- 68 -
Experimentos de Física II
acción de un campo magnético, tiende a desplazarse perpendicularmente a las
líneas de acción de dicho campo magnético.
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
- 69 -
Experimentos de Física II
hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente
desplazada.
Generadores de corriente continua (Dinamo)
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.
- 70 -
Experimentos de Física II
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: 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 (dinamos) producen corriente,
creando movimiento entre un conductor y un campo magnético, los principios de
electromagnetismo controlan e indican cómo se produce esta energía.
- 71 -
Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
Conexiones
del primario
Devanado
primario
Conexiones
del secundario
Núcleo ferromagnético
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Devanado
secundario
Experimentos de Física II
Experimento 27
Características de los imanes
(Visualizar el Campo Magnético)
Materiales:
1 hoja de papel.
1 salero de cristal (vacio).
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.
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Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué forma tomaron las limaduras sobre el papel?
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__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.- Explica
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__________________________________________________________________
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Líneas de campo magnético
en un imán rectangular
Líneas de campo magnético
en un imán de herradura
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Líneas de campo magnético
en un imán redondo
Experimentos de Física II
Experimento 28
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.
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Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió con los imanes cuando los acercaste y por qué?
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2.- Después de voltear uno de los imanes, ¿qué sucedió con el otro imán cuando
los acercaste y por qué?
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3.- ¿Qué sucedió con las limaduras sobre el papel?
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4.- ¿Qué sucedió con las limaduras en el aceite?
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5.- Explica esto.
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Experimentos de Física II
Experimento 29
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.
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Experimentos de Física II
Reporte:
1.- ¿Qué sucedió con los clips y clavos pequeños?
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2.- ¿Por qué? Explica.
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Experimentos de Física II
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 prácticas 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 prácticas se realicen al 100% y cumplan su
objetivo primordial, ver las aplicaciones del electromagnetismo.
Lista de materiales:
Material
Cable esmaltado
Probador electrónico
Imán permanente
Alambre galvanizado
Tornillo cabeza redonda
Clavo grande
Foco miniatura
Tira de cartón
Madera gruesa
Madera gruesa
Pila
Pila
Cable con aislante
Regla
Destornilladoro
Papel lija
Lapiz
Tijeras
Pinzas de punta y corte
Barrena manual (broca)
Cantidad
Utilidad / Recomendación / Especificación
1 bobina
1 pieza
4 piezas
2 metro
4 piezas
1 pieza
1 pieza
1 pieza
1 pieza
1 pieza
1 pieza
1 pieza
1 metro
1 pieza
2 piazas
1 pieza
1 pieza
I pieza
2 pieza
1 pieza
Delgado del #30, para la construcción de rotores.
Medidor de resistencia, voltaje de C. C. y C. A.
De cerámica de 1cm X 2cm X 3cm.
De 1.1mm para hacer soportes
3.5 mm de diámetro X 16 mm de longitud.
8 cm.
De 1.5 Volts a 25 mA.
8 cm X 30 cm.
2 cm de grueso X 10 cm largo X 6 cm ancho.
2 cm de grueso X 20 cm largo X 20 cm ancho.
Tipo “D” de 1.5 Volts.
Cuadrada de 9 Volts.
Del No. 20 AWG.
De 30 cm. De plástico, madera o metal.
Uno plano y otro de cruz.
Para limpiar el esmalte, se puede usar un exacto.
Para hacer marcas.
Para hacer cortes en el cartón.
Para doblar y cortar cables.
Para la colocación de tornillos.
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Experimentos de Física II
Experimento 30
Aplicaciones del Electromagnetismo
(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 de unos 70 mm de longitud sin enrollar, como se
muestra en la figura.
- 81 -
Experimentos de Física II
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.
- 82 -
Experimentos de Física II
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:
- 83 -
Experimentos de Física II
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 1 cm de cable y enróllalo al tornillo antes de
apretarlo totalmente, como se muestra en la figura siguiente:
- 84 -
Experimentos de Física II
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.
- 85 -
Experimentos de Física II
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.
Experimento 31
Aplicaciones del Electromagnetismo
(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.
- 86 -
Experimentos de Física II
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.
- 87 -
Experimentos de Física II
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.
- 88 -
Experimentos de Física II
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.
- 89 -
Experimentos de Física II
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.
- 90 -
Experimentos de Física II
Experimento 32
Aplicaciones del Electromagnetismo
(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 cautin 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 2.5cm, de tal
manera que quede como el la ilustración siguiente:
20cm
2.5cm
2.5cm
2.5cm
2.5cm
- 91 -
Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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:
- 93 -
Experimentos de Física II
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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Experimentos de Física II
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Experimentos de Física II
Explicación de experimentos
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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 práctica 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.
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Experimentos de Física II
Experimento 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).
Experimento 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.
Experimento 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 capaza de desplazar
la jeringa grande.
Experimento 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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Experimentos de Física II
Experimento 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
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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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Experimentos de Física II
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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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Experimentos de Física II
Experimento 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.
Experimento 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 el Primer Principio.
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.
Experimento 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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Experimentos de Física II
Experimento 20
Electrostática (Como 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.
Experimento 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”.
Experimento 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.
- 101 -
Experimentos de Física II
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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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Experimentos de Física II
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.
Experimento 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.
Experimento 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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Experimentos de Física II
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.
Experimento 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.
Experimento 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.
Experimento 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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Experimentos de Física II
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.
Experimento 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 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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Experimentos de Física II
Créditos
Osvaldo Pérez Pérez
Director General de Telebachillerato
Rosa Edith Ferrer Palacios
Subdirectora Técnica
Julián De la Rosa Martínez
Subdirector de Evaluación y Supervisión
Escolar
Arlethe del Rosario Ibáñez Salcedo
Jefa del Departamento Técnico
Pedagógico
Diana Karely Ortíz Olivas
Jefa de la Oficina de Planeación
Educativa
Juana Isabel Bautista Ovando
Jefa de la Oficina de Desarrollo
Educativo
Oliver Zamudio Palacios
Elaboración del Manual
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