viernes, 30 de abril de 2010
INDUCCIÓN Y POLARIZACIÓN
LEY DE COULOMB
1784. Sus estudios fueron realizados con una balanza de torsión para medir la variación de la fuerza en términos de la separación y de la cantidad de carga. Se conoce que la separación r de dos objetos cargados es a la distancia en línea recta entre sus centros. De la cantidad de carga q puede pensarse que es el exceso dado por el número de electrones o protones en el cuerpo.Coulomb determinó que la fuerza de atracción o repulsión entre dos objetos cargados es inversamente proporcional al cuadrado de su distancia de separación. En otras palabras, si la distancia entre dos objetos cargados se reduce a la mitad, la fuerza de atracción o repulsión entre ello se cuadruplicará.
En la época de Coulomb no se comprendía claramente el concepto de cantidad de carga. No se establecía una unidad de carga y ningún medio para medirla, pero sus expertos demostraron claramente que la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados es directamente proporcional al producto de las cantidades de carga de cada cuerpo. En la actualidad, sus conclusiones se establecen en la Ley de Coulomb:
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
A fin de establecer matemáticamente la ley de Coulomb, puede entenderse:
F= fuerza de atracción entre 2 cargas de diferente signo, tomando en cuenta la atracción entre cargas opuestas y la repulsión entre cargas iguales.
La constante de proporcionalidad K (9x10^9 N*m) toma en consideración las propiedades del medio que separa a los cuerpos cargados y tiene las dimensiones dictadas por la ley de Coulomb.
En las unidades del SI, el sistema práctico en el estudio de la electricidad, la unidad de carga se expresa en Coulombs (C). En este caso, no se define la cantidad de carga mediante la ley de coulomb, si no que se relaciona con el flujo de carga a través de un conductor.
"PROBLEMA"
PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN
La fuerza total sobre una carga de prueba, producida por dos cargas puntuales de signos opuestos es la suma de las fuerzas individuales producidas por cada carga tomada separadamente. 
ESPECTRÓMETRO DE MASAS
Separando los núcleos atómicos en función de su relación masa-carga (m/z). Puede utilizarse para identificar los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto.
Calentando un haz de material del compuesto hasta vaporizarlo e ionizar los diferentes átomos. El haz de iones produce un patrón en el detector, que permite estudiar el compuesto.
La cantidad de corriente que se genera es igual al número de iones, de modo que se puede determinar la cantidad de los isótopos.Las ecuaciones de la fuerza a la que es sometida la partícula y del radio de curvatura de la trayectoria vienen dadas por las ecuaciones siguientes:
La fuerza ejercida por los campos eléctricos y magnéticos es definida por la fuerza de Lorentz:
donde E es la fuerza del campo eléctrico, B es la inducción del campo magnético, q es la carga de la partícula, v es su velocidad y x simboliza el producto . CAMPO ELÉCTRICO
- Ley de Coulomb de las fuerzas electrostáticas:
La ley de Newton predice la fuerza mutua que existe entre dos masas separadas por una distancia r; la ley de Coulomb trata con la fuerza electrostática. Al aplicar estas leyes se encuentra que es útil desarrollar ciertas propiedades del espacio que rodea a a las masas o a las cargas.
Tanto la fuerza eléctrica como la gravitacional son ejemplos de fuerza de atracción a distancia que resultan extremadamente difíciles de visualizar. A fin de resolver este hecho, los científicos de antaño postularon la existencia de un material invisible llamado éter, que se suponía llenaba todo el espacio. De este modo ellos podían explicarse la fuerza de atracción gravitacional como debida a esfuerzos en el éter, causada por la presencia de varias masas. Ciertos experimentos de óptica han demostrado que la teoría dle éter es insostenible, y esto obligó a considerar si el espacio por sí mismo poseía propiedades de interés para el físico.
El concepto de un campo también puede aplicarse a objetos cargados eléctricamente, el espacio que rodea un objeto cargado se altera por la presencia de un campo eléctrico en ese espacio.
Se dice que un campo eléctrico existe en una región del espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza eléctrica.
Esta definición suministra una prueba para la existencia de un campo eléctrico.Simplemente se colaca una carga en el punto en cuestión. Si se observa una fuerza eléctrica, en ese punto existe un campo eléctrico.
De la misma manera que la fuerza por unida de masa proporciona una definición cuantitativa de un campo gravitacional, la intensidad de un campo eléctrico puede representarse mediante la fuerza por unidad de carga. Se define la intensida del campo eléctrico E en un punto en términos de la fuerza F experimentada por una carga positiva pequeña +q cuando se c
En el sistema métrico, uan unidad de la intensidad del campo eléctrico es el Newton*Coulomb(N/C). La utilida de esta definición descanza en el hecho de que si se conoce el campo en un punto dado, puede predecirse la fuerza que actuará sobre cualquier carga colocada en dicho punto.
Ya que la intensidad del campo eléctrico se define en términos de una carga positiva, su dirección en cualquier punto es la misma que la fuerza electrostática sobre una carga positiva de prueba en dicho punto.
La dirección(y sentido) de la intensidad del campo eléctrico E en un punto del espacio, es la misma dirección (y sentido) en la cual una carga positiva se movería si fuera colocada en dicho punto.
Sobre esta base, el campo eléctrico en la vecindad de una carga positiva +Q será hacia afuera, o alejándose de la carga, en la vecindad de una carga negativa -Q, la dirección, será hacia adentro, osea, dirigido hacia la carga.
Debe recordarse que la intensidad del campo eléctrico es uan propiedad que se asocia con el espacio que rodea al cuerpo cargado. Un campo gravitacional existe alrrededor de la tierra y no depende de que haya o no una masa encima de esta. De manera similar, existe un campo eléctrico en la vecindad de un cuerpo cargado, independientemente de si se coloca o no una carag en el campo. Si se coloca una carga en el campo experimentará una fuerza F dada por:
F=qE
E=intensidad del campo eléctrico.
q= magnitud de la carga colocada en el campo.
Si q es positiva, E y F tendrán la misma direcció; si q es negativa, la fuerza F estará dirigida opuestamente al campo E
CAMPO ELÉCTRICO DE UNA PLACA CARGADA
E=2pisigma
"PROBLEMAS"
LEY DE GAUSS
Para poder usar esta ecuación es necesario conocer la dirección y el sentido de las líneas de campo generadas por una carga; ya que de estas dependerá la superficie.
A la ley de Gauss se le conoce así, por ser equivalente a la ley de Coulomb y es una relación fundamental que relaciona el medio, las cargas eléctricas y el flujo de campo eléctrico. Puede ser utilizada para obtener la medida del campo eléctrico sólo cuando existe un alto grado de simetría de los cuerpos cargados, (una esfera, un cilindro muy largo, alambres y planos extensos cargados).
La ley de gauss también expresa cómo cargas eléctricas producen campos eléctricos y explica la relación entre el flujo del campo eléctrico (cantidad de fluido eléctrico que atraviesa una superficie dada) y una superficie cerrada. Sin embargo éste fluido eléctrico no transporta materia, aunque ayuda a analizar la cantidad de campo eléctrico que pasa por una superficie.
La ecuación de arriba, es la que normalmente se ocupa para resolver problemas de este tipo y para poder usarla, se tiene que saber:
La densidad de carga (carga por unidad de área de la superficie). 
El área de la superficie y se utiliza una constante de 
proporcionalidad .
Por lo anterior, se puede deducir que la forma en que se dibujen las líneas del campo, es sumamente importante y que el campo en una pequeña porción de su área es proporcional al número de líneas que penetran en dicha área. En otras palabras la densidad de las líneas del campo es directivamente proporcional a la intensidad del campo.
Así que el número total de líneas eléctricas de fuerza que cruzan cualquier superficie cerrada hacia afuera o hacia adentro es igual a la carga total encerrada por dicha superficie.
La ley de Gauss puede usarse para calcular la intensidad de campo, cerca de superficies cargadas.
ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA Y POTENCIAL ELÉCTRICO
"FÓRMULA"
De manera análoga, un objeto cargado puede tener energía potencial en virtud de su posición en un campo eléctrico. Del mismo modo en que se requiere trabajo para levantar un objeto contra el campo gravitacional de la Tierra, se requiere trabajo para desplazar una partícula cargada contra el campo eléctrico de un cuerpo con carga. (la física es la misma en el caso gravitacional y en el caso eléctrico) La energía potencial eléctrica de una partícula cargada aumneta cuando se realiza trabajo sobre ella para moverla contra el campo eléctrico de algún otro objeto cargado.
En esta figura se muestra una pequeña carga positiva hubicada a cierta distancia de una esfera cargada positivamente. Si se aproxima la carga pequeña a la esfera se invierte la energía para vencer la repulsión eléctrica. Del mimo modo en que se hace trabajo al comprimir un resorte, se hace trabajo al empujar la carga contra el campo eléctrico de la esfera. Dicho trabajo es equivalente a la energía que adquiere la carga. La energía que ahora posee la carga en virtud de su posición se conoce como energía potencial eléctrica. Si se deja ir la carga, se acelerará alejandose de la esfera y su energía potencial eléctrica se transformará en energía cinética.
DIFERENCIA DE POTENCIAL O VOLTAJE
La diferencia de potencial entre dos puntos es el trabajo por unidad de carga positiva realizado por fuerzas eléctricas para mover una pequeña carga de prueba desde el punto de mayor potencial hasta el punto de menor potencial.
Otra manera de establecer lo anteriorsería decir que la diferencia de potencial entre dos puntos es la diferencia entre los potenciales de dichos puntos.
Por ejemplo: Si el potencial de algún punto A es 100V y el potencial de otro punto B ES 40v, la diferencia de potencial es :
POTENCIA: Energía usada en un determinado tiempo.
"PROBLEMAS"
EXPERIMENTO DE MILLIKAN
El movimiento de descenso de las gotas de aceite puede observarse mediante un microscopio a medida que van cayendo lentamente bajo la influencia de su peso y de una fuerza viscosa hacia arriba producida por la resistencia del aire.
Con ayuda de las leyes de la hidrostática para calcular la masa m de una gota partícular de aceite a partir de la medición de su rapidéz de descenso.
Luego de que han sido registrados los datos necesarios para establecer un campo eléctrico uniforme E entre las placas con cargas de signo opuesto. La magnitud de la intensidad del campo eléctrico puede controlarse por medio de un resistor variable incluido en el circuito eléctrico. El campo se ajusta hasta que la fuerza eléctrica ascendente sobre la gota sea igual a la fuerza gravitacional hacia abajo, de tal modo que la gota de aceite no se mueva más.
Con base en estas condiciones:
que concuerda bastante bien con valores obtenidos por otros métodos.
EFECTO FOTOELÉCTRICO
Sus principales características son:
- Para cada sustancia, hay una frecuencia mínima o umbral,
debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación. - La emisión electromagnética aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal ya que hay más energía disponible para liberar electrones.
Los investigadores del pasado sabían que un haz de luz de alta frecuencia podía extraer o desprender electrones de la superficie de un metal fotosensible, aunque la fuente fuese muy tenue, pero que un haz de luz de baja frecuencia, aun si la fuente era intensa, no era capaz de desprender electrones del metal. Sabían que un haz intenso poseía más energía que un haz tenue. Se pensaba por ejemplo que un haz muy intenso de luz roja debía ser capaz de extraer electrones con más facilidad que un haz tenue de luz azul o violeta. Pero éste no era el caso. Sólo un haz de alta frecuencia podía suministrar la energía suficiente para desprender electrones del metal.
Einstein explico el efecto fotoeléctrico considerando la luz en términos de fotones. El que un átomo en una superficie metálica absorba un fotón es un
proceso de todo o nada. Cada electrón extraído de metal absorbe por completo uno y solo un fotón. Esto significa que el número de fotones que inciden sobre el metal no tiene nada que ver con que se emita o no un electrón dado. Si la energía por fotón es demasiado pequeña, el brillo o intensidad de la luz no tiene importancia. El efecto crucial es la frecuencia, es decir, el color de la luz. Unos cuantos fotones de luz azul o violeta pueden extraer algunos electrones, pero una oleada de fotones rojos o naranjas no pueden extraer del metal ni un solo electrón. Sólo los 
fotones de alta frecuencia poseen la energía concentrada suficiente para extraer electrones.
Las ondas tienen amplios frentes y su energía está distribuida sobre dichos frentes. El efecto fotoeléctrico sugiere que veamos la luz como una serie de fotones corpusculares en vez de cómo un tren continuo de ondas. El número de fotones que contiene un haz de luz determina su intensidad, mientras que la energía de cada fotón es proporcional a la frecuencia de la luz.
En el efecto fotoeléctrico, la carga cinética de los electrones emitidos es la energía de la radiación incidente hf, menos la función de trabajo de la superficie W.
Un haz de luz incide sobre la superficie metálica A en un tubo al vacío. Los electrones emitidos por la luz se envían al colector por medio de una batería externa B. Mediante el uso de un amperímetro se detecta el flujo de electrones.
"PROBLEMAS"
MUTEC(visita)
- Pila de Volt: Primer generador de corriente eléctrica por el físico italiano Alessandro Volta. Consiste en un cilindro o pila formado por varios discos de metales diferentes, colocados alternativamente y separados por otros discos de cartón empapados en una disolución de agua salada. Un hilo metálico que une el último disco metálico con el primero conduce una corriente eléctrica. Volta construyó la primera pila, poniendo discos de cobre y de zinc junto con discos de cartón empapados en una disolución de agua salada. En esta la pila se produce una reacción en la que el cobre cede electrones a la disolución y el zinc los gana. Al mismo tiempo, el zinc se disuelve y se produce gas hidrógeno en la superficie del cobre.
- Botella de Leyden: Dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitor. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa esta constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un material aislante entre las dos capas del condensador. Este es el principio por el cual, si un rayo cae por diferencia de en un avión, este no sufrirá en su interior ningún tipo de descarga ni alteración eléctrica.
- Escalera de Jacob: Es un al arco eléctrico producido por un dispositivo formado por dos conductores rectos en forma de V. El arco se produce en la parte más baja de los electrodos y a medida que el aire superior es ionizado por la radiación ultravioleta y por el calor, va subiendo hasta que la distancia de los electrodos es demasiado larga y desaparece, repitiéndose el arco en la parte más estrecha y así sucesivamente. Para que se produzca el arco se necesita normalmente una diferencia de tensión entre electrodos mayores de 5.000 voltios.
Para mejorar el cebado del arco y que este se inicie en la parte más baja de la V, se introduce un tercer electrodo corto (llamado de Gabriel) entre los dos principales. Va conectado a uno de los electrodos principales por una resistencia. - La máquina de Wimshurst: quien tenía la teoría de que por medio de fricción podía generar electricidad estática. La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado por el inventor británico James Wimshurst.Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, dónde se acumula cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre si.
- Motor de Faraday: modelo experimental que funciona por la interacción de un campo magnético rotante y las corrientes inducidas por éste en un cuerpo conductor.
Telégrafo de Henry:
Conocido por su trabajo acerca del electromagnetismo, en electroimanes y relés. Henry descubrió el principio de la inducción electromagnéticaa y creo el telégrafo.
Después de la sala de experimentos antiguos, entramos a otra en donde se pueden apreciar distintos fenómenos de la electricidad, y la forma en que se manifiesta en la vida cotidiana, pero por medio de experimentos más nuevos con los cuales puedes interactuar.- El primer experimento que apreciamos, fue el Generador de Van der Graff: es un aparato utilizado para generar electricidad estática por medio de fricción.
Está formado por una esfera metálica, la cual se encuentra en la parte
superior de una columna aislante. Una correa de material No conductor, se mueve desde una polea situada en la base de la columna hasta otra situada en el interior de ésta. Mediante una tensión eléctrica se emiten electrones desde un peine metálico de púas afiladas, paralelo a la correa móvil. La correa transporta las cargas hasta el interior de ésta, donde son retiradas por otros peines y llevadas a la superficie de la esfera. A medida que la correa va recogiendo cargas y las transporta hasta la esfera, esta electrifica a la persona que la esté tocando en ese momento y eriza su cabello. - Polos que giran: este experimento esta compuesto por muchos imanes, los cuales obviamente están conformados por un polo negativo y uno positivo, dichos imanes se pueden girar hacia donde uno quiera, sin embargo cuando los giras, los demás se mueven también, lo que nos demuestra la ley de atracción y repulsión, ya que los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen. Principio usado en los motores eléctricos.
- Sentir la electricidad: En este experimento una persona pone sus dedos en la parte metálica de la mano que se encuentra en la placa morada, y otra gira la palanca que se encuentra a un costado, con ello produce corriente eléctrica, la cual fluye a través del metal y asimismo de la persona y debido a ello dicha persona siente descargas eléctricas, probando que el metal y el cuerpo humano permiten el flujo de cargas (son conductores de corriente eléctrica).
- Cuando pasa la corriente, se produce imantación: Este
experimento consiste en girar la palanca que se encuentra a un costado, esto con el fin de que pase la corriente eléctrica por la bobina y gracias a esa corriente se pueda atraer objetos de hierro por medio de un electroimán, así que mientras más se gire la palanca la atracción será mayor y así mismo si se deja de girar la palanca, la atracción terminará esto debido al flujo de cargas. - Circuito eléctrico: En este experimento se representa un circuito eléctrico, el cual al estar bien conectado prende los ojos de la cara que esta en uno de los extremos, sin embargo para que esto suceda, se tiene que cerrar el circuito, lo cual se logra cuando se pone la placa de metal en la posición correcta y bajando las dos palancas (interruptores) que se encuentran en los extremos, de forma que corriente pueda fluir y lograr hacer funcionar el pequeño motor que produce energía mecánica y por consiguiente flujo de corriente .
- Focos: Este experimento está conformado por varios focos, los cuales están compuestos de diferente forma, así que por medio de las lupas tienes que observar detenidamente cada foco y darte cuenta de cuales si funcionan y cuales no, fijándote en cada uno de sus componente, que no tengan un material que no sea conductor, que los hilos conductores no estén rotos, etc.
- Energía eólica: En este experimento, se explica y se representa como gracias a la energía obtenida del viento (energía cinética generada por las corrientes de aire), se puede general energía eléctrica. La energía eólica es un recurso abundante renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar convertidores de energía a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía. Después de esta explicación, nos demuestra como se prende el foco gracias al movimiento de las aspas.
- Energía del vapor: Con esta representación, se explica la forma en que actúa la energía térmica, en este caso producida por el agua, la cual se calienta a altas temperaturas hasta que se convierte en vapor, al calentarse el movimiento de las partículas aumenta y produce energía, el agua sube por un tubo en forma de vapor caliente a presión llega a los generadores eléctricos y los pone a trabajar, esto es porque tienen una especie de hélice que empieza a dar vueltas por lo tanto genera movimiento (energía mecánica ), la cual se puede transformar en energía eléctrica, y es así como esa poca energía que traía el agua es aprovechada.
- Cerrados: El chiste de este experimento es lograr hacer funcionar los interruptores, para que se prenda el foco, esto se logra cerrando perfectamente el circuito. Así que si hay un corte, no habrá corriente y por lo tanto tampoco luz, sin embargo es un poco complicado porque con un interruptor que no acomodes bien, el circuito se corta. Esto demuestra que el flujo de corriente tiene que ser continuo y que los circuitos siempre están compuestos por conductores y por un generador de corriente.
- La Pila humana: En este experimento se necesita una persona a la que le suden mucho las manos, dicha persona tiene que poner las manos sobre las placas para producir una tensión eléctrica. Con esto se forma un circuito. Esto debido a que nuestro cuerpo desempeña el papel de un compuesto químico y en reacción con el Zinc y el Cobre, produce una pequeña sensación de toques (tensión eléctrica), dicha tensión depende de la humedad de las manos de cada persona ya que mientras menos mojadas estén menor será la tensión. Sin embargo la tensión superficial es poca, ya que la de una pila comercial es mil veces mayor (voltios).
- Electrólisis:Dicho experimento consiste en disolver un electrolito con el fin de que dicha sustancia se separe en iones, estos iones se unirán con el agua y producirán una corriente eléctrica, la cual se transportará a lo electrodos sumergidos en la disolución (ánodo y cátodo). Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo, mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo. Demostrando que el agua es conductora de corriente y provocando que el foco se prenda.
- Conductores de electricidad: Con este experimento se demuestra que para que un circuito se cierre y conduzca de una forma correcta la electricidad, es necesario que los elementos que lo componen sean conductores (dejen pasar la corriente). Así que usando diferentes elementos, se trata de cerrar el circuito sin embargo los que son probados en el comprobador y no logran encender el foco no se acomodan en los huecos del circuito, ya que con ellos el foco nunca prendera (no permiten el flujo de corriente). Se probaron elementos como aluminio (conductor), carbón (conductor), cobre (conductor), algodón (no conductor), etc.
- Pilas apiladas: Este experimento esta conformado por una serie de pilas, las cuales se pueden unir y soltar cada que uno quiera, el objetivo de este experimento es hacer que el tren funcione, sin embargo solo al unirlas correctamente (polo positivo con negativo) los aparatos que están alrededor empezarán a funcionar. Dichos aparatos empiezan a funcionar con tan solo unir dos pilas, sin embargo entre mayor sea el número de pilas que unes mayor será la tensión y fusionarán con mayor velocidad.
- ¿Qué hay dentro de una pila?: Con este experimento, se produce corriente eléctrica. Dos materiales diferentes (zinc y cobre), se ponen en contacto con una tercera sustancia (electrolito) y la reacción química producida entre estos elementos es la que produce energía eléctrica.
- Cuerpo humano conduce electricidad: En este experimento el objetivo principal, es comprobar que el cuerpo humano también
es conductor de electricidad, y que entre muchas personas pueden formar un circuito, en este caso se puede comprobar k el circuito está cerrado, ya que al tomar las dos manos doradas y no dejar ningún espacio entre las personas, los focos que están en el aro se encienden. - Magnetismo: Este experimento habla del magnetismo, principalmente del que tiene la tierra, ya que este experimento está conformado por muchas brújulas y un imán que simula el norte. Al apretar un botón, el norte se mueve provocando que las agujas imantadas de las brújulas cambien su dirección (siempre apuntando al norte), así que prueba que el magnetismo de la tierra es un recurso más que usamos los humanos en nuestro provecho, en este caso para orientarnos y no perdernos.
- Torres de alta tensión: Focos que simulan las líneas eléctricas, los cuales son usados para transmitir la electricidad a través de grandes distancias se utilizan de las centrales eléctricas y se envían a través de una tensión muy alta. Sin embargo esta tensión es reducida, para que pueda ser utilizada para usos domésticos.
- En la parte superior del museo casi en el techo, se encontraban unos focos, los cuales estaban conectados a una especie de volante, con ayuda de mínimo tres personas, se movía, esto provocaba que las luces se encendieran y cuando dejaban de mover el volante se apagaran. Demostrando que la energía mecánica (de movimiento) se puede convertir en energía eléctrica.
- Voltaje Otro experimento relacionado con el voltaje era uno en el cual podías cerrar un circuito pero conectándolo a pilas de diferentes voltajes, lo que provocaba que se activara una especie de ventilador muy pequeño, la diferencia era que con la pila de mayor voltaje el ventilador giraba más rápido que con la otra que tenía menor voltaje.
