La materia: Todo lo que nos rodea
¿Qué es la materia?, ¿qué cambios sufre
ésta?, ¿qué provoca estos cambios? A continuación vamos a responder estas
preguntas, y además a explicar términos y fenómenos que podemos observar cada
día, y que tienen relación con nuestro tema de hoy.
Anímate y acompáñanos en nuestro primer
contacto de este año con las Ciencias Naturales.
Una definición
Materia es todo aquello que nos rodea, ocupa
un lugar en el espacio, y tiene masa.
En nuestro planeta, la materia se encuentra
en tres estado: gaseoso, líquido y sólido. Graficando esto en relación a
nuestro entorno, tenemos que:
- El estado gaseoso es el de la atmósfera,
que -a su vez- posee muchos gases diferentes.
- El estado líquido es el de los océanos,
ríos y lagos, que conforman la masa líquida denominadahidrosfera.
- El estado sólido es la tierra, constituida
por los suelos, montañas, piedras, etcétera. Esta masa sólida es llamada
geosfera.
En estos tres estados de la materia existe un
patrón común: en todos, la materia está formada por moléculas.
Moléculas
En un sólido, las moléculas están muy unidas,
presentando una gran fuerza de cohesión; en los líquidos, se encuentran un poco
más separadas y su fuerza de cohesión es menor; en los gases, están muy
separadas y su fuerza de cohesión es casi nula.
Por fuerza de cohesión entendemos a la fuerza
que une las moléculas.
Como ejemplos de la materia en sus diferentes
estados tenemos:
-Sólidos: piedra, talco, harina, etcétera.
-Líquidos: agua, vinagre, mercurio, etcétera.
-Gases: vapor de agua, oxígeno, hidrógeno,
etcétera.
Condensación
En física, proceso en el que la materia pasa
a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La
condensación es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación
del calor latente de evaporación; a veces se denomina condensado al líquido
resultante del proceso.
La eliminación de calor reduce el volumen del
vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas y la distancia entre
ellas. Según la teoría cinética del comportamiento de la materia, la pérdida de
energía lleva a la transformación del gas en líquido. La condensación es
importante en el proceso de destilación y en el funcionamiento de las máquinas
de vapor, donde el vapor de agua utilizado se vuelve a convertir en agua en un
aparato llamado condensador.
En meteorología, tanto la formación de nubes
como la precipitación de rocío, lluvia y nieve son ejemplos de condensación.
En química, la condensación es una reacción
que implica la unión de átomos dentro de una misma molécula o en moléculas
diferentes. El proceso conduce a la eliminación de una molécula simple, por
ejemplo de agua o alcohol, para formar un compuesto nuevo más complejo,
frecuentemente de mayor peso molecular que cualquiera de los compuestos
originales.
Evaporación
Conversión gradual de un líquido en gas sin
que haya ebullición. Las moléculas de cualquier líquido se encuentran en
constante movimiento. La velocidad media (o promedio) de las moléculas sólo
depende de la temperatura, pero puede haber moléculas individuales que se
muevan a una velocidad mucho mayor o mucho menor que la media.
A temperaturas por debajo del punto de
ebullición, es posible que moléculas individuales que se aproximen a la
superficie con una velocidad superior a la media tengan suficiente energía para
escapar de la superficie y pasar al espacio situado por encima como moléculas
de gas.
4.2.2. Explicación de propiedades específicas
de cada sustancia.
1. PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA:
1.1. VOLUMEN: Se relaciona con el espacio que
ocupa un sistema material, sea sólido, líquido o gas.
La unidad de volumen en el Sistema
Internacional es el metro cúbico (m3), aunque en el caso de fluidos suele
emplearse el litro. Las equivalencias entre estas unidades son:
1 dm3 = 1 litro = 10-3 m3
Ejemplo 3. Ordene de mayor a menor los
siguientes volúmenes:
a) 10 litros b) 0'005 m3 c) 50 dm3
d) 300 ml e) 1000 cm3 f) 100 cl
c)a)b)e)=f)d)
S Actividad 1. Estime el volumen de agua que
consume en casa durante una semana. Exprese el resultado en litros y en metros
cúbicos. ¿Qué medidas tomaría para disminuir el consumo de agua?.
La medida de volúmenes es una técnica
habitual en los laboratorios. A continuación estudiaremos la medida de
volúmenes de sólidos, líquidos y gases.
En la MEDIDA DE VOLÚMENES DE SÓLIDOS,
recordar que tienen tanto forma como volumen propios y distinguiremos entre:
- Sólidos con forma geométrica regular (
esferas, cilindros, prismas, etc): En estos casos recurriremos a las fórmulas
matemáticas conocidas para el cálculo de volúmenes.
Ejemplo 4. ¿Cómo calcularía el volumen de un
trozo de pirita de forma cúbica?.
Como se trata de un cubo, medimos la longitud
de la arista y aplicamos la expresión correspondiente al volumen del cubo.
Recuerde que V= a3.
- Sólidos irregulares:Usaremos el método de
inmersión, que consiste en tomar un determinado volumen conocido en una
probeta. Introducimos el sólido irregular en la probeta con precaución y
calculamos el volumen del sólido por diferencia.
Ejemplo 5. Determine en el laboratorio el
volumen del fragmento de cuarzo de forma irregular.
Vertemos 750 ml de agua en una probeta. Al
añadir el fragmento de cuarzo aumenta el nivel hasta 800 ml. Por tanto el
volumen del fragmento de cuarzo es de 50 ml.
S Actividad 2. ¿Cómo resolvería el problema
del cálculo del volumen de un sólido irregular que fuese soluble en agua?.
Los VOLÚMENES DE LÍQUIDOS se miden fácilmente
debido a la propiedad que presentan de adoptar la forma del recipiente que los
contiene. Entre los instrumentos de laboratorio más utilizados para medir
volúmenes de líquidos destacamos:
* BURETAS: se emplean para transferir
volúmenes variables de líquidos con precisión, controlándose la salida del
líquido mediante una llave. Su uso más extendido lo encontramos en las
valoraciones.
* PIPETAS: se usan para transferir pequeñas
cantidades de líquido con precisión.
* PROBETAS: se utilizan para medir volúmenes
de líquidos con menor precisión.
Son recipientes de vidrio transparente
graduados tal como se muestran en las figuras adjuntas:
Figuras de probeta, pipeta y bureta.
MEDIDA DE VOLÚMENES DE GASES: Los gases no
tienen ni volumen ni forma propios, ocupando todo el recipiente que los
contiene. En general los sólidos y líquidos experimentan una pequeña dilatación
al aumentar la temperatura y las presiones les afectan menos. Sin embargo en el
caso de los gases el volumen va a depender de las condiciones de presión y
temperatura de forma mucho más acusada que en los sólidos y líquidos. Por ello
no nos detendremos en su estudio.
Como actividad práctica opcional en el
laboratorio podemos plantear con ayuda del profesor, el diseño de una pequeña
experiencia para medir el volumen de un gas que se desprende en una determinada
reacción química.
1.2 MASA: es una propiedad general de la
materia que se define como la cantidad de materia que tiene un cuerpo.
La unidad de masa en el S.I. es el kilogramo
(Kg).
Ejemplo 9. Exprese las siguientes masas en
kilogramos:
a) Masa de un protón .........................
1'7 10-21 mg.
b) Masa de un electrón.......................
9'1 10-31 Kg.
c) Masa de un elefante.......................
4'5 107 dg.
d) Masa de la
Luna............................... 7'4 1025 g.
e) Masa de la
Tierra............................ 6 1029 cg.
a) 1'7 10-27 Kg b) 9'1 10-31 Kg
c) 4'5 103 Kg d) 7'4 1022 Kg
e) 6 1024 Kg
Los instrumentos que se emplea para medir
masas son las BALANZAS. Existen distintos tipos de balanzas como las balanzas
granatorio, balanzas de precisión, balanzas automáticas; etc.
S Actividad 4. Consulte en el diccionario el
significado de la palabra "ROMANA" e investigue sobre la equivalencia
entre quintal, tonelada y kilogramo.
La masa de un cuerpo es siempre la misma
aunque cambie su forma o el lugar donde se encuentre, mientras que el volumen
hemos visto que depende de muchos factores como la temperatura, presión, estado
físico del sistema.
Ejemplo 10. ¿ Cómo mediría la masa de un
folio en una balanza de las que habitualmente se usaban en las tiendas?.
Dispone de 500 folios.
Calcularía la masa de los 500 folios y
dividiría el valor entre 500 para así saber la masa de un folio.
A través de las siguientes experiencias vamos
a poner de manifiesto la LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA, que se puede
enunciar como sigue: "En una reacción química la masa de los reactivos que
intervienen es igual a la masa de los productos que se forman".
Ejemplo 11. Tomamos ciertas cantidades de
nitrato de plomo y de yoduro potásico. Los disolvemos por separado y los
vertemos cada uno de ellos en un tubo de ensayo. Pesamos el contenido del
conjunto y lo anotamos. A continuación transferimos el contenido de un tubo de
ensayo en el otro. Se forma un precipitado amarillo muy llamativo. Pesamos de
nuevo el conjunto. ¿Se cumple el principio de conservación de la masa?.
Sí se cumple el principio de conservación de
la masa. Vemos que la lectura de la balanza de la figura es en ambos casos de
87'56 gramos.
S Actividad 5. Si hacemos reaccionar mármol
con ácido clorhídrico, se forma entre otros productos un gas (dióxido de
carbono). ¿Qué precauciones y medidas tomaría para demostrar que se sigue
cumpliendo el principio de conservación de la masa?.
RELACIÓN ENTRE MASA Y PESO: El PESO se define
como la fuerza con que la Tierra atrae a un determinado cuerpo.Es una fuerza y
por tanto una magnitud vectorial cuyo módulo estudiaremos a continuación,
dirección la línea que une el centro de gravedad del cuerpo con el centro de la
Tierra y sentido siempre hacia el centro de la Tierra.
Para estudiar la relación que existe entre la
masa y el peso, fijémonos en la siguiente experiencia: haciendo uso de un
dinamómetro determinamos el peso de distintas masas conocidas, obteniendo los
resultados que aparecen en la tabla adjunta. Representamos gráficamente
Peso (N)-masa (Kg) :
Como vemos es una línea recta y por tanto
"P" y "m" son magnitudes directamente proporcionales. La
relación matemática entre ambas variables viene dada por:
P=m.g
"g" es la aceleración de la
gravedad. Su valor no es constante, ya que depende de la distancia que separe
el cuerpo al centro de la Tierra. A nivel del mar y latitud 45ºsu valor es 9'8
m/s2, que es el valor con el que trabajaremos habitualmente.
La masa de un cuerpo es siempre la misma y su
peso varía dependiendo del lugar donde se encuentre. Para ponerlo de
manifiesto, veamos las siguientes actividades:
Ejemplo 12. En la tabla adjunta se muestran
las aceleraciones de la gravedad en distintos planetas:
Mercurio.....................3'74 m/s2
Tierra...........................9'81 "
Marte...........................3'73 "
Júpiter..........................25'93 "
Saturno.........................11'37 "
¿En qué planeta de los anteriores pesará más
un cuerpo de 80 Kg?
Para calcular el peso del cuerpo en Mercurio:
P = m . g = 80 Kg . 3'74 m/s2 = 299'2 N
Procediendo de forma similar para los demás
planetas obtenemos los siguientes resultados: Peso en la Tierra = 784'8 N, Peso
en Marte = 298'4 N, Peso en Júpiter = 2074'4 N y Peso en Saturno = 909'6 N. Por
tanto, el cuerpo de 80 Kg pesará más en Júpiter.
Ejemplo 13. En un viaje espacial un grupo de
investigadores llegan a Marte y llevan un dinamómetro, una balanza y un gato de
10 Kg de masa. ¿Qué señalarían dichos instrumentos al medir la masa y el peso
de dicho gato?. Razone la respuesta.
En la Tierra la balanza marcará 10 Kg y el
dinamómetro P=m.g=10.9'8=980 N. En Marte la balanza marcará lo mismo, es decir
10 Kg y el dinamómetro P=10 .3'73 = 37'3 N.
2. PROPIEDADES ESPECÍFICAS DE LA MATERIA:
2.1. DENSIDAD
Antes de definirla, reflexionemos sobre la
siguienteactividad: tenemos cuatro fragmentos de un mineral y hemos medido la
masa y el volumen de cada uno de ellos, obteniéndose la tabla de valores que se
adjunta.
Al representar m-V observamos que existe una
proporcionalidad directa entre la masa y el volumen, tal como muestra la
representación gráfica adjunta.
Por ello la densidad se define como la masa
por unidad de volumen.
Densidad (d)= masa(m)/volumen(V)
La unidad de densidad en el S.I. es el Kg/m3,
aunque se usa con más frecuencia g/cm3.
Para medir la densidad de un líquido se
emplea un DENSÍMETRO. Los densímetros son unos flotadores graduados de vidrio
que llevan en su parte inferior un lastre de perdigones para que floten
verticalmente.
Para medir la densidad de un sólido no
podemos emplear el densímetro. En este caso debemos medir la masa y el volumen
del sólido y a partir de ellos calcular la densidad.
El volumen de los sólidos y líquidos varía
poco con la temperatura y presión y por ello la densidad no depende mucho de
estos factores. Sin embargo en los gases las variaciones son más acusadas y hay
que tenerlo en cuenta.
En la siguiente tabla podemos apreciar
algunos valores de densidades medidas a 20 ºCexpresadas en g/cm3:
Acero............................7'8
Corcho..........................8'9
Hierro...........................7'9
Madera.........................0'2-0'8
Plomo.............................11'3
Aluminio........................2'7
Vidrio............................3-3'6
Aceite...........................0'92
Agua de mar................1'025
Agua destilada............1
Gasolina........................0'68
Leche............................1'03
Mercurio......................13'6
La densidad de algunos gases a T= 0 ºCy P= 1
atm:
Butano..............................0'0026
Dióxido de carbono.......0'0018
Aire..................................0'0013
Generalmente dsólidosdlíquidosdgases.
La densidad de las sustancias aumenta con la
T. Sin embargo el agua presenta una excepción en el sentido que su densidad
disminuye cuando aumenta la T entre 0 y 4 ºC.
4.2.4. Definición de presión y su efecto
aplicado a fluidos.
El concepto de presión
Cuando
se ejerce una fuerza sobre un cuerpo deformable, los efectos que provoca
dependen no sólo de su intensidad, sino también de cómo esté repartida sobre la
superficie del cuerpo.
Así, un golpe de martillo sobre un clavo bien
afilado hace que penetre mas en la pared de lo que lo haría otro clavo sin punta
que recibiera el mismo impacto. Un individuo situado de puntillas sobre una
capa de nieve blanda se hunde, en tanto que otro de igual peso que calce
raquetas, al repartir la fuerza sobre una mayor superficie, puede caminar sin
dificultad.
La presión depende no sólo de la magnitud de
la fuerza, sino de la superficie sobre la cual se ejerce dicha fuerza. Un clavo
afilado penetra más que otro, recibiendo los dos el mismo golpe de martillo
El cociente entre la intensidad F de la
fuerza aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área S de
dicha superficie se denomina presión:
La presión representa la intensidad de la
fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada.
Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la
presión, y cuanto menor sea la superficie para una fuerza dada, mayor será
entonces la presión resultante.
La presión en los fluidos
El concepto de presión es muy general y por
ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una
superficie. Sin embargo, su empleo resulta especialmente útil cuando el cuerpo
o sistema sobre el que se ejercen las fuerzas es deformable. Los fluidos no
tienen forma propia y constituyen el principal ejemplo de aquellos casos en los
que es más adecuado utilizar el concepto de presión que el de fuerza.
Cuando un fluido está contenido en un
recipiente, ejerce una fuerza sobre sus paredes y, por tanto, puede hablarse
también de presión. Si el fluido está en equilibrio las fuerzas sobre las
paredes son perpendiculares a cada porción de superficie del recipiente, ya que
de no serlo existirían componentes paralelas que provocarían el desplazamiento
de la masa de fluido en contra de la hipótesis de equilibrio. La orientación de
la superficie determina la dirección de la fuerza de presión, por lo que el
cociente de ambas, que es precisamente la presión, resulta independiente de la
dirección; se trata entonces de una magnitud escalar.
Unidades de presión
En el SI la unidad de presión es el pascal,
se representa por Pa y se define como la presión correspondiente a una fuerza
de un newton de intensidad actuando perpendicularmente sobre una superficie
plana de un metro cuadrado. 1 Pa equivale, por tanto, a 1 N/m2.
Existen, no obstante, otras unidades de
presión que sin corresponder a ningún sistema de unidades en particular han
sido consagradas por el uso y se siguen usando en la actualidad junto con el
pascal. Entre ellas se encuentran la atmósferay el bar.
4.2.5. Explicación del principio de
Arquímedes
Principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes afirma que todo
cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba
igual al peso de fluido desalojado.
La explicación del principio de Arquímedes
consta de dos partes como se indica en la figuras:
El estudio de las fuerzas sobre una porción
de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
La sustitución de dicha porción de fluido por
un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Porción de fluido en equilibrio con el resto
del fluido.
Consideremos, en primer lugar, las fuerzas
sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que
ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p•dS,
donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie.
Puesto que la porción de fluido se encuentra
en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular
con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje
y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido,
denominado centro de empuje.
De este modo, para una porción de fluido en
equilibrio con el resto, se cumple
Empuje=peso=f•gV
El peso de la porción de fluido es igual al
producto de la densidad del fluido f
por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.
Se sustituye la porción de fluido por un
cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Si sustituimos la porción de fluido por un
cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión
no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y
actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje.
Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y
su punto de aplicación que es el centro de masa, que puede o no coincidir con
el centro de empuje.
Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos
fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo
valor ni están aplicadas en el mismo punto.
En los casos más simples, supondremos que el
sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coinciden el centro de masa del
cuerpo con el centro de empuje.
Energía potencial mínima.
En este apartado, se estudia el principio de
Arquímedes como un ejemplo, de cómo la Naturaleza busca minimizar la energía.
Supongamos un cuerpo en forma de paralepípedo
de altura h, sección A y de densidad ρs. El fluido está contenido en un
recipiente de sección S hasta una altura
b. La densidad del fluido es ρf> ρs.
Se libera el cuerpo, oscila hacia arriba y
hacia abajo, hasta que alcanza el equilibrio flotando sobre el líquido
sumergido una longitud x. El líquido del
recipiente asciende hasta una altura d. Como la cantidad de líquido no ha
variado S•b=S•d-A•x
Hay que calcular x, de modo que la energía
potencial del sistema formado por el cuerpo y el fluido sea mínima.
Tomamos el fondo del recipiente como nivel de
referencia de la energía potencial.
El centro de masa del cuerpo se encuentra a
una altura d-x+h/2. Su energía potencial es Es=(ρs•A•h)g(d-x+h/2)
Para calcular el centro de masas del fluido,
consideramos el fluido como una figura sólida de sección S y altura d a la que
le falta una porción de sección A y altura x.
El centro de masas de la figura completa, de
volumen S•d es d/2
El centro de masas del hueco, de volumen A•x,
está a una altura (d-x/2)
La energía potencial del fluido es
Ef=ρf(Sb)g•yf
La energía potencial total es Ep=Es+Ef
El valor de la constante aditiva cte, depende
de la elección del nivel de referencia de la energía potencial.
En la figura, se representa la energía
potencial Ep(x) para un cuerpo de altura h=1.0, densidad ρs=0.4, parcialmente
sumergido en un líquido de densidad ρf=1.0.
La función presenta un mínimo, que se calcula
derivando la energía potencial con respecto de x e igualando a cero
En la posición de equilibrio, el cuerpo se
encuentra sumergido
Energía potencial de un cuerpo que se mueve
en el seno de un fluido
Cuando un globo de helio asciende en
el aire actúan sobre el globo las siguientes fuerzas:
El peso del globo Fg=–mgj .
El empuje Fe= fVgj, siendo f la densidad del fluido (aire).
La fuerza de rozamiento Fr debida a la
resistencia del aire
Dada la fuerza conservativa podemos
determinar la fórmula de la energía potencial asociada, integrando
La fuerza conservativa peso Fg=–mgj está
asociada con la energía potencial Eg=mg•y.
Por la misma razón, la fuerza conservativa
empuje Fe= Vg j está asociada a la energía potencial Ee=-fVg•y.
Dada la energía potencial podemos obtener la
fuerza conservativa, derivando
La energía potencial asociada con las dos
fuerzas conservativas es
Ep=(mg- fVg)y
A medida que el globo asciende en el aire con
velocidad constante experimenta una fuerza de rozamiento Fr debida a la
resistencia del aire. La resultante de las fuerzas que actúan sobre el globo
debe ser cero.
f Vg- mg-Fr=0
Como fVg> mg a medida que el globo
asciende su energía potencial Ep
disminuye.
Empleando el balance de energía obtenemos la
misma conclusión
El trabajo de las fuerzas no conservativas Fnc
modifica la energía total (cinética más potencial) de la partícula. Como el
trabajo de la fuerza de rozamiento es negativo y la energía cinética Ek no
cambia (velocidad constante), concluimos que la energía potencial final EpB es
menor que la energía potencia inicial EpA.
En la página titulada "movimiento de un
cuerpo en el seno de un fluido ideal", estudiaremos la dinámica del cuerpo
y aplicaremos el principio de conservación de la energía.
Energía potencial de un cuerpo parcialmente
sumergido
En el apartado anterior, estudiamos la
energía potencial de un cuerpo totalmente sumergido en un fluido (un globo de
helio en la atmósfera). Ahora vamos a suponer un bloque cilíndrico que se sitúa
sobre la superficie de un fluido (por ejemplo agua).
Pueden ocurrir dos casos:
Que el bloque se sumerja parcialmente si la
densidad del cuerpo sólido es menor que la densidad del fluido, s< f.
Que el cuerpo se sumerja totalmente si s
f.
Cuando el cuerpo está parcialmente sumergido,
sobre el cuerpo actúan dos fuerzas el peso mg=sSh•g que es constante y el
empuje fSx•g que no es constante. Su resultante es
F=(-sShg+fSxg)j.
Donde S el área de la base del bloque, h la
altura del bloque y x la parte del bloque que está sumergida en el fluido.
Tenemos una situación análoga a la de un
cuerpo que se coloca sobre un muelle elástico en posición vertical. La energía
potencial gravitatoria mgy del cuerpo disminuye, la energía potencial elástica
del muelle kx2/2 aumenta, la suma de ambas alcanza un mínimo en la posición de
equilibrio, cuando se cumple –mg+kx=0, cuando el peso se iguala a la fuerza que
ejerce el muelle.
El mínimo de Ep se obtiene cuando la derivada
de Ep respecto de y es cero, es decir en la posición de equilibrio.
La energía potencial del cuerpo parcialmente
sumergido será, de forma análoga
El mínimo de Ep se obtiene cuando la derivada
de Ep respecto de y es cero, es decir, en la posición de equilibrio, cuando el
peso se iguale al empuje. -sShg+fSxg=0
El bloque permanece sumergido una longitud x.
En esta fórmula, se ha designado como la densidad relativa del sólido
(respecto del fluido) es decir, la densidad del sólido tomando la densidad del
fluido como la unidad.
Fuerzas sobre el bloque
Cuando <1 o bien s< f, el cuerpo
permanece parcialmente sumergido en la situación de equilibrio.
Cuando >1 o bien s> f, el peso es
siempre mayor que el empuje, la fuerza neta que actúa sobre el bloque es
Fy=-sShg+fShg<0.
No existe por tanto, posición de equilibrio,
el bloque cae hasta que llega al fondo del recipiente que supondremos muy
grande.
Cuando =1 o bien s= f, El peso es mayor
que el empuje mientras el bloque está parcialmente sumergido (x<h).
Fy=-Shg+ Sxg<0.
La fuerza neta que actúa sobre el bloque
cuando está completamente sumergido (x h) es cero, y cualquier posición del
bloque, completamente sumergido en el seno del fluido, es de equilibrio.
Curvas de energía potencial
La energía potencial correspondiente a la
fuerza conservativa peso es
Eg= sShgy
La energía potencial correspondiente a la
fuerza de empuje tiene dos partes
Mientras el cuerpo está parcialmente
sumergido (x<h)
Que corresponde al área del triángulo de la
figura de la izquierda.
Cuando el cuerpo está totalmente sumergido (x
h)
Que corresponde a la suma del área de un
triángulo de base h, y la de un rectángulo de base x-h.
La energía potencial total es la suma de las
dos contribuciones
Ep=Eg+Ef
Cuando la densidad del sólido es igual a la
del fluido s= f, la energía potencial total Ep es constante e independiente
de x (o de y) para x h como puede comprobarse fácilmente.
Actividades
Se introduce
La densidad del sólido relativa al fluido en la barra de
desplazamiento titulada Densidad relativa.
Se pulsa el botón titulado Empieza.
El bloque tiene una altura h=1 de una unidad
y una sección S. Se coloca el bloque justamente encima de la superficie del
fluido. La altura de su centro de masas es y0=1.5 unidades.
Se suelta el bloque, llega hasta la posición
final de equilibrio ye= h, si la densidad <1, o hasta el fondo del
recipiente si la densidad >1.
El programa interactivo no hace ninguna
suposición acerca del modo en el que el bloque parte de la posición inicial y
llega a la posición final (no calcula la posición y velocidad del cuerpo en
cada instante), ya que el objetivo del programa es el de mostrar los cambios en
la energía potencial Ep del cuerpo con la posición y del c.m. del mismo.
En la parte derecha del applet, se traza:
la energía potencial debida a la fuerza
conservativa peso Eg (en color negro),
la energía potencial debida al empuje Ef (en
color azul)
la suma de ambas contribuciones Ep (en color
rojo) en función de la posición y del c.m. del bloque
Como podemos apreciar la curva de la energía
potencial gravitatoria Eg (en color negro) es una recta cuyo valor máximo está
en la posición inicial y=1.5 y es cero cuando el bloque llega al fondo y=0.
La curva de la energía potencial
correspondiente al empuje Ef (en color azul) es algo más complicada y consta de
dos partes: Una parábola mientras el cuerpo está parcialmente sumergido
(x<h) ó (y>0.5), unida a una línea recta cuando el cuerpo está
completamente sumergido (x h) ó (y 0.5). La energía potencial inicial es cero
y se va incrementando a medida que el cuerpo se sumerge en el fluido.
La curva de la energía potencial total Ep (en
color rojo) es la suma de las dos contribuciones, Ep=Eg+Ef
Para trazar estas gráficas se ha tomado como
unidad de energía, la energía potencial inicial del bloque sShg•y0 con y0=1.5,
h=1 y s= , densidad del sólido relativa al fluido f=1. De este modo, la
energía potencial inicial del bloque es una unidad.
Se presentan tres casos:
Cuando <1, la energía potencial presenta
un mínimo en x= h. En este caso con x=y0-y, h=1 e y0=1.5, tendremos que la
posición del c.m. en el equilibrio será ye=1.5- .
Cuando >1, la curva de la energía
potencial no tiene mínimo y por tanto, no hay posición de equilibrio estable.
En el caso límite en el que =1 la energía potencial
para y 0.5 es una línea recta horizontal, y la posición de equilibrio del c.m.
del bloque puede ser cualquier y 0.5.
4.2.6. Descripción del funcionamiento del
barómetro.
Funcionamiento del barómetro
El barómetro es un sensor que mide la presión
del aire sobre el lugar donde realizamos la medida. ¿El aire pesa? La respuesta
es Sí, pero poco... afortunadamente!
La palabra barómetro puede descomponerse en
dos partes. Por un lado 'baros', que significa presión; por otro lado, 'metro'
que significa "medida". Así que la expresión "barómetro"
significa "medida de presión".
La presión del aire sobre nuestras cabezas
corresponde al peso del aire que tenemos inmediatamente sobre nosotros. La
presión atmosférica o presión barométrica (puede llamarse de las dos formas) se
mide en BARES (normalmente se usan los milibares, que se escriben
"mbar") o en MILíMETROS DE MERCURIO (que se simbolizan así: "mm
Hg").
Las dos escalas son distintas, pero
EQUIVALENTES. La presión del aire a nivel del mar es de 1013 mbar ó 760 mm Hg.
El barómetro de la estación meteorológica
dispone de dos escalas (ver foto) para que podamos usar una u otra unidad de
medida.
Si la presión barométrica es inferior a 1013
mbar, esto nos indica que la presión es inferior a la que se observa a nivel
del mar.
Cuando la presión atmosférica se mantiene
alta durante varios días sobre el mismo lugar, es posible que tengamos un
tiempo anticiclónico (que se denota por la letra A en los mapas del tiempo). Si
la presión, por el contrario, se mantiene baja o desciende paulatinamente, es
posible que tengamos un tiempo borrascoso (que se denota por la letra B en los
mapas del tiempo).
¿Dónde habrá más presión: en el Teide o en
nuestro huerto escolar?
En el huerto escolar, que está situado a 200
m sobre el nivel del mar, habrá más presión atmosférica que en el Teide, que
tiene su cima a 3.718 m sobre el nivel del mar.
4.2.7. Explicación de la Ley de Boyle.
La Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle),
formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases
ideales que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas
mantenida a temperatura constante. La ley dice que el volumen es inversamente
proporcional a la presión:
Esta ley es una simplificación de la ley de
los gases ideales o perfectos particularizada para procesos isotermos de una
cierta masa de gas constante.
Junto con la ley de Charles, la ley de
Gay-Lussac, la ley de Avogadro y la ley de Graham, la ley de Boyle forma las
leyes de los gases, que describen la conducta de un gas ideal. Las tres
primeras leyes pueden ser generalizadas en la ecuación universal de los gases.
[editar]Experimento de Boyle
Para poder comprobar su teoría, Boyle hizo el
siguiente experimento: Introdujo un gas en un cilindro con un émbolo y comprobó
las distintas presiones al bajar el bolo. A continuación hay una tabla que
muestra algunos de los resultados que obtuvo este fenomeno:
Experimento de Boyle
× P
(atm) V (L) P • V
0,5 60 30
1,0 30 30
1,5 20 30
2,0 15 30
2,5 12 30
3,0 10 30
Si se observan los datos de la tabla se puede
comprobar que al disminuir el volumen, la presión también disminuye. Por ello
se usa una diagonal isotermica para representarlo en una grafica. , aumenta y que al multiplicar y se
obtiene atm•L.
4.2.8. Conversión entre diferentes escalas de
temperatura.
Equilibrio Térmico:
El concepto de equilibrio térmico es básico
al momento de clasificar las temperatura. Sabemos que si dos cuerpos M1 y M2
que están a temperaturas diferentes entre sí se ponen en contacto, fluirá calor
desde el cuerpo más caliente al cuerpo más frío. Después de un tiempo
suficiente, ambos estarán en equilibrio térmico entre sí. Es decir estarán a la
misma temperatura
Esta proposición se conoce a veces como el
Principio Cero de la Termodinámica. Permite de hecho el establecer escalas de
temperaturas y hacer termómetros. En efecto, si A es el cuerpo termométrico y
lo hemos calibrado poniendolo en equilibrio térmico con una sucesión de cuerpos
B1 a Bn que están a diferentes temperaturas T1aTn, entonces podemos usar A para
medir temperaturas en ese rango.
Escala
Empírica de Temperaturas:
El principio anterior permite establecer la
llamada "escala empírica de temperaturas". Para establecerla se debe
tener:
Un
cuerpo Termométrico: es decir un cuerpo en que alguna propiedad varíe en forma
contínua y medible con la temperatura.
Un
punto de partida: un origen, facilmente reproducible, desde donde partirá
nuestra escala (en buenas cuentas el cero).
Una
unidad: es decir la magnitud que queremos asociar a un grado de temperatura.
Cuerpo
Termométrico:
Para la escala empírica el cuerpo
termométrico que se define es el termómetro a gas perfecto a volumen constante.
Este termómetro se basa en medir la presión de un volumen fijo de un gas a
medida que varía su temperatura.
Parece curioso emplear (de verdad) un
termómetro basado en un gas ideal. Sin embargo existen una serie de buenas razones
que sustentan esta elección. En particular:
Alto
coeficiente de dilatación de los gases: un gas tiene un coeficiente de
dilatación del orden de 1/273 por ºC de aumento de temperatura. Por lo tanto se
pueden tener señales significativas para variaciones pequeñas de temperatura.
Comportamiento real de los gases: los gases
reales de bajo peso molecular tienen un comportamiento muy similar a un gas
perfecto para presiones no muy elevadas y un amplio rango de temperaturas.
La base física del termómetro de gas a
volumen constante es que la presión es una función que crece linealmente con la
temperatura.
Si bien desde el punto de vista teórico el
termómetro de gas es el mejor, no es tan sencillo definirlo así en la práctica.
Así que el patrón secundario que normalmente se emplea es el termómetro de
resistencia de platino.
Punto
de Partida:
Toda escala debe tener un punto de partida. A
nivel mundial existen dos escalas empíricas de temperatura en amplio uso. Estas
son la escala Centígrado y la escala Fahrenheit. La primera se usa en casi todo
el mundo y la segunda principalmente en Estados Unidos.
Antes de la escala Centígrado existió la
escala Celsius, que es prima hermana y difiere solo en el punto de partida.
La escala Centígrado usa el punto triple del
agua como punto de partida. El punto triple del agua es la temperatura donde
coexisten en equilibrio la fase sólida (hielo), líquida y gaseosa (vapor de
agua). Este equivale a 273,16ºK de temperatura absoluta.
La escala Celsius usaba como punto de partida
la temperatura de fusión del hielo a una atmósfera de presión. Esto equivale a
273,15ºK.
En el caso de la escala Fahrenheit, su punto
de partida es diferente. Actualmente está referida a la escala Centígrado.
Actualmente se define como 32ºF al punto de fusión del hielo a una atmósfera de
presión. Antiguamente el 0ºF correspondía a la temperatura de fusión de una
mezcla frigorífica. La idea original del Doctor Fahrenheit era tener un 0º que
correspondiera a la temperatura más baja alcanzable.
Unidad
de Medida:
En el caso de la escala Centígrado la unidad
de medida corresponde a 1/100 entre el punto triple del agua y la temperatura
de ebullición del agua a 1 atmósfera de presión.
Para la escala Fahrenheit su unidad de medida
se define como 5/9 de 1ºC. Antiguamente el 100ºF correspondía a la temperatura
media del cuerpo humano (reflejo de la formación médica de su creador). Así
alguien tiene fiebre cuando está sobre 100ºF!
En lo recién visto se constata de que la
escala Fahrenheit tiene puntos de referencia pocos precisos, a diferencia de la
escala Centígrado. Esto hace que actualmente la escala Fahrenheit tenga su
referencia real en laCentígrado.
Para pasar de grados Centígrado a grados
Fahrenheit, usar la siguiente conversión:
ºF = 9/5•ºC + 32º
Para pasar de grados Fahrenheit a grados
Centígrado, usar la siguiente conversión:
ºC = (ºF - 32º)•5/9
Escala
Absoluta de Temperaturas:
La escala absoluta de temperaturas parte de
la existencia del 0º absoluto. Veremos que la existencia de una escala absoluta
de temperaturas es consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica. Por
el momento basta recordar los siguientes puntos básicos:
Existen dos unidades básicas para medir
temperatura en forma absoluta: el grado Kelvin [K]y el grado Rankine [R]. En
magnitud 1ºK = 1ºC y 1ºR = 1ºF.
El 0ºK
= -273,16ºC
Es la
temperatura más baja posible.
Puntos
Termométricos:
En la práctica se necesita de una serie de
puntos de referencia facilmente replicables para poder calibrar diferentes
tipos de termómetros en diferentes rangos de temperatura. Algunos puntos de
referencia importantes son:
Producto Puro Temperatura
a 1 atm.
Solidificación agua 0ºC
Ebullición Agua 100ºC
Ebullición Clorobenzeno 132ºC
Ebullición Naftalina 217,96ºC
Fusión de Estaño 231,9ºC
Fusión del Plomo 327,3ºC
Ebullición del Mercurio 356,95ºC
Fusión del Zinc 419,4ºC
Ebullición del Azufre 444,6ºC
Solidificación Antimonio 630,5ºC
Fusión Aluminio 658ºC
Solidificación aleación Ag y Cu (72% Ag, 28%
Cu) 779ºC
Ebullición Zinc 907ºC
Fusión Plata 960ºC
Fusión Cobre 1083ºC
Fusión Níquel 1455ºC
Fusión Fierro 1530ºC
Fusión Platino 1773ºC
4.2.9 Principio de funcionamiento de los
termómetros
La radiación infrarroja es una parte de la
luz solar y puede descomponerse reflejándose a través de un prisma. Esta
radiación posee energía. A principios del siglo XX, los científicos Planck,
Stefan, Boltz- mann, Wien y Kirchhoff definían las actividades del espectro
electromagnético y establecían equipa- raciones para describir la energía
infrarroja.
Esto hace posible definir la energía en
relación con curvas de emisión de un cuerpo negro. Los obje- tos con una
temperatura por encima del punto cero absoluto irradian energía. La cantidad de
energía crece de manera proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.
Este concepto es el principio básico de la
medición de la temperatura por medio de infrarrojos. Con el factor de emisión
se introduce una variable en esta regularidad. El factor de emisión es una
medida para la relación de las radiaciones que emiten un cuerpo gris y un
cuerpo negro a igual temperatura. Un cuerpo gris es un objeto que tiene el
mismo factor de emisión en todas las longitudes de onda. Un cuerpo no gris es
un objeto cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, por ejemplo el
aluminio. Como norma general se considera que el factor de emisión es igual al
factor de absorción.
Para superficies brillantes, el factor de
emisión puede ser ajustado en los termómetros de modo manual o automático, para
así corregir los errores en la medición. En la mayoría de las aplicaciones esto
es muy sencillo de realizar. Para los casos en los que el factor de emisión no
es constante, se puede resolver el problema midiendo en dos o más longitudes de
onda.
Los termómetros se fabrican con muchas
configuraciones, diferenciándose por sus componentes óptico o electrónico, por
su tecnología, tamaño y carcasa. Todos tienen en común la cadena de
transformación de señales, en cuyo comienzo se encuentra una señal de
infrarrojos y en cuyo final hay una señal de salida electrónica. Esta cadena de
medición genérica comienza con un sistema óp- tico de lentes y / o conductores
de ondas de luz, filtros y el detector.
4.2.10 Dilatación térmica
Se denomina dilatación térmica al 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.
Dilatación lineal
El coeficiente de dilatación lineal,
designado por αL, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir
experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de
||left}} Donde , es el incremento de su
integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de
temperatura a todo el cuerpo. El cambio
total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de
la ecuación anterior:
Donde:
α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]
L0 = Longitud inicial
Lf = Longitud final
T0 = Temperatura inicial.
Tf = Temperatura final
Dilatación volumétrica
Es el coeficiente de dilatación volumétrico,
designado por αV, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen
total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura como, y se
encuentra que en primera aproximación viene dado por:
Experimentalmente se encuentra que un sólido
isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente
tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de
la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño
prisma rectangular (de dimensiones: Lx, Ly y Lz), y se somete a un incremento
uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de
dimensiones lineales en cada dirección:
Esta última relación prueba que , es decir, el coeficiente de dilatación
volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal
de una barra del mismo material.
Dilatación de área
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 dilatacion lineal porque
implica un incremento de área.
El coeficiente de dilatación de área es el
incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área
igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centigrado. Este
coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de
dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de
dilatación lineal de un solido, su coeficiente de dilatación de área será dos
veces mayor:
Al conocer el coeficiente de dilatación de
área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar
su temperatura con la siguiente expresión:
Donde:
γ=coeficiente de dilatación de área [°C-1]
A0 = Área inicial
Af = Área final
T0 = Temperatura inicial.
Tf = Temperatura final
Causa de la dilatación
En un sólido las moléculas tienen una
posición razonablemente fija dentro de él. Cada átomo de la red cristalina
vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la amplitud del
movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o
molécula. Al absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas
aumenta y con ella la amplitud media del movimiento vibracional (ya que la
energía total será mayor tras la absorción de calor). El efecto combinado de
este incremento es lo que da el aumento de volumen del cuerpo.
En los gases el fenómeno es diferente, ya que
la absorción de calor aumenta la energía cinética media de las moléculas lo
cual hace que la presión sobre las paredes del recipiente aumente. El volumen
final por tanto dependerá en mucha mayor medida del comportamiento de las
paredes.
4.2.11 Calor
A. ENERGÍA INTERNA: Es toda la energía de un
sistema que está asociada con sus componentes microscópicos, átomos y
moléculas, cuando se ve desde un marco de referencia en reposo respecto al
centro de masa del sistema.
B. CALOR: El calor se define como la
transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debido a la
diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno. Cuando calentamos una
sustancia, a ella transferimos energía al ponerla en contacto con el entorno de
una temperatura más alta. Éste es el caso, por ejemplo cuando se pone una
sartén con agua fría en el quemador de una estufa; el quemador está a una
temperatura más alta que el agua, de modo que el agua gana energía. También
usaremos el término calor para representar la cantidad de energía transferida
por este método.
Transferencia de calor
El calor se transfiere, o se transmite, de
cosas más calientes a cosas más frías. Si están en contacto varios objetos con
temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los que están
más fríos se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta
igualación de temperaturas se lleva a cabo de tres maneras: por conducción,
convección y radiación.
A. CONDUCCIÓN
La conducción es el mecanismo de
transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad
molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más
energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo
de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores
conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor.
Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
Donde k (en Watt/m. K) se llama conductividad
térmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la
sustancia conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y
dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conducción
de calor es en la dirección decreciente de la temperatura.
4.2.12. Explicación de la convección del
calor.
La convección es el mecanismo de
transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la
sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades
de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a
otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se
produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse
en el medio.
En la naturaleza, la mayor parte del calor
ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es
transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.
Un modelo de transferencia de calor H por
convección, llamado ley de enfriamiento de Newton, es el siguiente:
4.2.13 Conservación de la energía
Sistema mecánico en el cual se conserva la
energía, para choque perfectamente elástico y ausencia de rozamiento.
La ley de la conservación de la energía
constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad
total deenergía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún
otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede
transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación
de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se
puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se
transforma en energía calorífica en un calefactor. Dicho de otra forma: la
energía puede transformarse de una forma a otra o transferirse de un cuerpo a
otro, pero en su conjunto permanece estable (o constante).
Conservación de la energía y termodinámica
Dentro de los sistemas termodinámicos, una
consecuencia de la ley de conservación de la energía es la llamada primera ley
de la termodinámica, la cual establece que, al suministrar una determinada
cantidad de energía térmica (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será
igual a la diferencia del incremento de laenergía interna del sistema (ΔU)
menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores:
4.3.1 APLICACIONES DEL CAMPO MAGNETICO
Han sido tan amplias y útiles a la humanidad
que limitaremos a unas cuantas de ellas.
El campo magnético produce un movimiento
circular uniforme.
Como el B es constante, la fuerza magnética
es también constante y obligara a la particular a describir un movimiento
circular uniforme.
Cuando la fuerza magnética es constante, la
velocidad en la partícula será constante.
Cuando
la velocidad es constante:
Lo que hace que la particular se mueva con
movimiento circular es que la FM = Fe.
4.3.4. Relación entre voltaje y resistencia
La Ley de Ohm establece que "La
intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es
directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente
proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar
matemáticamente en la siguiente ecuación:
donde, empleando unidades del Sistema
internacional, tenemos que:
I = Intensidad en amperios (A)
V = Diferencia de potencial en voltios (V)
R = Resistencia en ohmios (Ω).
Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la
resistencia del conductor varía con la temperatura, y la temperatura del
conductor depende de la intensidad de corriente y el tiempo que esté
circulando.
La ley define una propiedad específica de
ciertos materiales por la que se cumple la relación:
Un conductor cumple la Ley de Ohm sólo si su
curva V-I es lineal, esto es si R es independiente de V y de I.
4.3.5. Identificación de la ley de inducción
de Faraday y sus principales aplicaciones
La Ley de inducción electromagnética de
Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael
Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito
cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el
flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como
borde:1
Donde
es el campo eléctrico, es el
elemento infinitesimal del contorno C,
es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo
borde es C. Las direcciones del contorno C y de
están dadas por la regla de la mano derecha.
La permutación de la integral de superficie y
la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de
integración no cambie con el tiempo.
Por medio del teorema de Stokes puede
obtenerse una forma diferencial de esta ley:
Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las
cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de
Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en
las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.
En el caso de un inductor con N vueltas de
alambre, la fórmula anterior se transforma en:
Donde Vε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la
tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje
inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.
Notas
↑ Ley de Faraday en Google Libros.
La Ley de Lenz plantea que las tensiones
inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo
magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de
conservación de la energía.
La polaridad de una tensión inducida es tal,
que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a
las variaciones del campo existente producido por la corriente original.
El flujo de un campo magnético uniforme a
través de un circuito plano viene dado por un campo magnético generado en una
tensión disponible con una circunstancia totalmente proporcional al nivel de
corriente y al nivel de amperios disponible en el campo eléctrico.
4.3.6. Descripción de la importancia de los
principios del electromagnetismo en el desarrollo y uso de tecnología que
contribuyen al desarrollo humano.
La Historia del electromagnetismo, que es el
conocimiento y el uso registrado de las fuerzas electromagnéticas, data de hace
más de dos mil años. En la antigüedad ya estaban familiarizados con los efectos
de la electricidad atmosférica, en particular, del rayo1 ya que las tormentas
son comunes en las latitudes más meridionales, y a que también se conocía el
fuego de San Telmo. Sin embargo se comprendía poco la electricidad, y no eran
capaces de explicar científicamente estos fenómenos
Electricidad y magnetismo
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