PPTCEL012FS11-A16V1 Clase Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo.

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1 PPTCEL012FS11-A16V1 Clase Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo

2 Resumen de la clase anterior CIRCUITOS ELÉCTRICOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Pueden ser Paralelo Serie Mixto Transforman Se rigen por la Ley de Ohm Energía eléctrica en Otros tipos de energía

3 Aprendizajes esperados Reconocer distintas formas de generación de energía eléctrica. Comprender los conceptos de energía eléctrica consumida y potencia eléctrica disipada. Comprender la ley de Joule y su relación con fenómenos y aparatos eléctricos de uso cotidiano. Reconocer las características de los imanes. Comprender el concepto de campo magnético. Reconocer la Tierra como un gigantesco imán, y la importancia del campo magnético terrestre para la vida en el planeta.

4 Pregunta oficial PSU Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2016. Al comparar una estufa eléctrica de 2000 W con una ampolleta de 100 W, ambas funcionando durante 1 hora conectadas a la red domiciliaria, es correcto afirmar que A) la estufa disipa menos energía. B) la estufa consume menor cantidad de energía. C) la estufa tiene menor resistencia eléctrica. D) por la estufa circula menor cantidad de corriente eléctrica. E) la estufa está sometida a una menor diferencia de potencial.

5 1.Generación de energía eléctrica 2.Potencia y energía eléctrica 3.Efecto Joule y ley de Joule 4.Resistencia eléctrica y temperatura 5.Magnetismo e imanes 6.Campo magnético Págs.: 140 - 152 Cap. 5 Págs.: 154 - 157 Cap. 6

6 1.Generación de energía eléctrica 1.1 Centrales eléctricas La generación de energía eléctrica consiste en transformar otros tipos de energía en energía eléctrica. Las centrales de generación, o centrales eléctricas, son instalaciones especialmente diseñadas para ese propósito, y pueden ser de diferentes tipos. Centrales hidroeléctricas Aprovechan la energía cinética (del movimiento) de una corriente de agua (natural o artificial), para transformarla en energía eléctrica. La energía: Podemos decir que es lo que nos permite realizar una actividad, o ejecutar un trabajo. Puede ser de distintos tipos como: energía química, energía calórica, energía eléctrica, etc. Por ejemplo, la energía eléctrica permite que un motor pueda girar, o que una lámpara pueda iluminar un lugar. Generalmente se mide en la unidad [joule] = [J], perteneciente al S.I. Pág. 142 Cap. 5

7 1.Generación de energía eléctrica 1.1 Centrales eléctricas Centrales fotovoltaicas Utilizan el efecto fotoeléctrico para producir energía eléctrica, es decir, aprovechan la propiedad que tienen algunos materiales de generar una corriente eléctrica, cuando incide sobre ellos luz. Centrales termoeléctricas En estas centrales se quema combustible fósil (carbón, petróleo o gas) para evaporar agua. El vapor a alta presión es utilizado para mover las aspas de un generador eléctrico (tal como se mueve un remolino de papel al ser soplado), el cual produce electricidad. Centrales eólicas Utilizan la energía del viento para mover las aspas de un aerogenerador, transformándola en energía eléctrica.

8 1.Generación de energía eléctrica 1.1 Centrales eléctricas Centrales mareomotrices Utilizan la energía de las mareas para transformarla en electricidad. Por ejemplo, recogen el agua en un depósito durante la marea alta y la liberan en la marea baja, accionando las aspas de un generador. Se recoge el agua en un contenedor en marea alta. Se libera el agua al mar durante la marea baja. El flujo de agua mueve un generador. Electricidad Centrales termosolares Son centrales termoeléctricas que obtienen el calor (para calentar el agua y producir vapor) de la luz del Sol.

9 1.Generación de energía eléctrica 1.1 Centrales eléctricas Centrales geotérmicas Utilizan depósitos subterráneos naturales de vapor o agua caliente a alta presión, que al salir a la superficie hacen rotar las aspas de un generador. Centrales termonucleares Es otro tipo de central termoeléctrica, en donde el calor es obtenido mediante la fisión nuclear del uranio u otro combustible nuclear. Producen residuos radiactivos altamente tóxicos.

10 2.Potencia y energía eléctrica 2.1 Transformación de energía eléctrica Recordemos que en un circuito eléctrico los artefactos que se encuentran conectados, o consumos, transforman la energía eléctrica en algún otro tipo de energía. Por ejemplo, en un motor la energía eléctrica se transforma en energía mecánica; en una lámpara, la energía se transforma de eléctrica a lumínica.

11 2.Potencia y energía eléctrica 2.2 Potencia eléctrica Se define como la rapidez con la que un consumo transforma energía eléctrica en algún otro tipo de energía; expresa la energía eléctrica transformada por unidad de tiempo. Por ley de Ohm: Se calcula como Sus unidades son S.I.: C.G.S.: Pág. 140 Cap. 5

12 Ejercicio 2. Una ampolleta incandescente común presenta las siguientes especificaciones: 330 [W], 220 [V]. Si se encuentra conectada al voltaje correcto, la corriente que pasa por su filamento es A) 0,5 [A] B) 1,0 [A] C) 1,5 [A] D) 2,0 [A] E) 2,5 [A] Ejercicio 2 guía Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo C Aplicación

13 2.Potencia y energía eléctrica 2.3 Energía eléctrica Energía eléctrica consumida Es la cantidad de energía transformada o “disipada” por un artefacto eléctrico, en un determinado tiempo. Se puede calcular como Sus unidades son S.I.: [watt · segundo] También suele medirse en [kilowatt · hora], aunque esta unidad no pertenece al S.I. ni al C.G.S.

14 3. Tomando en cuenta las especificaciones de la ampolleta incandescente entregadas en la pregunta anterior, ¿cuánta es la energía eléctrica consumida, si el foco permaneció encendido 30 minutos? A) 0,5 [watt · hora] B) 110,0 [watt · hora] C) 165,0 [watt · hora] D) 330,0 [watt · hora] E) 1320,0 [watt · hora] C Aplicación Ejercicio 3 guía Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo Ejercicio

15 3.Efecto Joule y ley de Joule 3.1 Efecto Joule Cuando circula una corriente eléctrica a través de un material, parte de la energía que transportan las cargas se transforma, inevitablemente, en calor. Este fenómeno es llamado “efecto Joule”, en honor a James Prescott Joule, el físico inglés que lo descubrió en 1840. James P. Joule

16 3.2 Ley de Joule Experimentalmente se comprobó que la cantidad de energía eléctrica que se transforma en calor por efecto Joule depende de la intensidad de la corriente que circula y de la resistencia eléctrica del material. La cantidad de energía por unidad de tiempo que se disipa como calor, puede calcularse mediante la ley de Joule; esta expresa que: Se mide en unidades de potencia, es decir: S.I.: C.G.S.: Pág. 141 Cap. 5 3.Efecto Joule y ley de Joule

17 3.3 Aplicaciones El efecto Joule es aprovechado para la generación de calor, como por ejemplo en una plancha o en situaciones en las cuales, a través de altas temperaturas, se producen otros efectos, como la incandescencia; este es el caso de la generación de luz en una ampolleta incandescente. Resistencia eléctrica Resistencia eléctrica El fusible Una aplicación muy importante del efecto Joule tiene relación con la protección de circuitos eléctricos. Esto se logra mediante un dispositivo llamado fusible. El fusible “interrumpe” la corriente eléctrica en un circuito cuando, por algún motivo, el valor de su intensidad traspasa ciertos límites. Protector termomagnético (Fusible actual, utilizado en circuitos domiciliarios ) Fusible quemado 3.Efecto Joule y ley de Joule

18 6. En el circuito de la figura el fusible de protección es de 30 [A] y los valores de intensidad de corriente que circula por los distintos aparatos son Focos: 2 [A] cada uno. Ducha: 25 [A] Refrigerador: 2,5 [A] Es correcto afirmar que I) a medida que aumenta el número de aparatos conectados a la instalación, la resistencia total del circuito disminuye. II) el fusible se quema si se conectan todos los aparatos simultáneamente. III)el fusible no se quema si se conectan la ducha y uno de los focos. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) I, II y III E ASE Ejercicio 6 guía Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo Ejercicio

19 4. Dos resistencias, R 1 y R 2, tales que R 1 > R 2, se conectan en serie a una fuente de voltaje. Respecto a lo anterior, es correcto afirmar que I)la intensidad de la corriente que circula por ambas resistencias es la misma. II)la disipación de calor por efecto Joule es mayor en R 1. III)el voltaje en R 2 es mayor que en R 1. A)Solo I B)Solo II C)Solo III D)Solo I y II E)Solo I y III Ejercicio D ASE Ejercicio 4 guía Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo

20 4.Resistencia eléctrica y temperatura 4.1 Superconductores Si se enfría lo suficiente, un metal disminuirá su resistencia incluso hasta llegar a hacerse cero, a temperaturas muy bajas. En estas condiciones, el material es llamado “superconductor”. Un superconductor es un material que no presenta resistencia al flujo de cargas eléctricas por él, es decir, es un material cuya resistencia eléctrica es nula. La temperatura a la que un material se vuelve un superconductor se denomina temperatura de transición, y varía de un material a otro. Mercurio 4 [K] = - 269[º C] Plomo 7 [K] = - 266[º C] Niobio 9[K] = - 264[º C] La resistencia eléctrica de los materiales puede variar con la temperatura; por ejemplo, en los metales, la resistencia disminuye en la medida que disminuye su temperatura.

21 4.Resistencia eléctrica y temperatura 4.2 Un ejemplo: El efecto Meissner El efecto Meissner-Ochsenfeld En 1933, Walter Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que, cuando un material se transformaba en un superconductor, repelía todo campo magnético externo (se transformaba en un cuerpo diamagnético perfecto). Esta característica permite, entre muchas otras cosas, la espectacular “levitación de imanes sobre superconductores”.

22 5. Magnetismo e imanes El magnetismo es la capacidad de algunos cuerpos de atraer o repeler a otros, y al hierro. Un mineral (óxido de hierro) antiguamente muy común en Asia Menor, llamado magnetita, poseía esta capacidad en forma natural. Se cree que el término magnetismo deriva del nombre de esta piedra. Magnetita 5.1 Definición Pág. 154 Cap. 6

23 Un imán es todo cuerpo que posee magnetismo. Los imanes pueden clasificarse como: Naturales o artificiales. Permanentes o temporales. 5.2 Imanes 5. Magnetismo e imanes

24 Pueden atraer el hierro. Ley de signos: los polos magnéticos del mismo nombre se repelen y los de distinto nombre se atraen. Poseen 2 polos: norte y sur 5.3 Características de los imanes Pág. 155 Cap. 6 5. Magnetismo e imanes

25 Al suspender un imán, su polo norte siempre apuntará (aproximadamente) hacia el norte geográfico. Inseparabilidad de los polos: los polos magnéticos se presentan en pares; es imposible obtener un polo magnético aislado. Al partir un imán, se obtienen dos nuevos imanes. 5.3 Características de los imanes 5. Magnetismo e imanes

26 20. Tres barras de hierro, iguales en forma y tamaño, se identifican con las letras A, B y C, y sus extremos con las letras A 1, A 2 ;B 1, B 2 y C 1, C 2, respectivamente. Experimentalmente se comprueba que: - A 1 y B 1 sufren atracción - A 1 y C 2 sufren repulsión - A 1 y B 2 sufren atracción - A 1 y C 1 sufren atracción - A 2 y C 2 sufren atracción Basándose en la información anterior, ¿cuál de las siguientes alternativas es correcta? A) Todas las barras son imanes permanentes. B) Solo la barra A es un imán permanente. C) Solo la barra B es un imán permanente. D) Las barras A y B son imanes permanentes. E) Las barras A y C son imanes permanentes. Ejercicio Ejercicio 20 guía Electricidad III: potencia y energía eléctrica, magnetismo E ASE

27 6. Campo magnético 6.1 Campo magnético y líneas de fuerza magnética Campo magnético es el espacio alrededor de un imán, o de un conductor que transporta corriente, en donde un cuerpo ferromagnético u otro conductor que transporta corriente es atraído o repelido, debido a una fuerza magnética. Alrededor de un imán Los campos magnéticos se representan por medio de las “líneas de campo” o “líneas de fuerza” magnética. Pág. 156 Cap. 6

28 6.2 Características de las líneas de fuerza Son imaginarias y solo sirven para representar la forma e intensidad del campo magnético. En aquellas zonas donde el campo magnético es más intenso, las líneas de campo están más concentradas. Por ejemplo, alrededor de los polos de un imán. Son finitas, es decir, no se cortan ni se interrumpen. Se dirigen, por fuera del imán, del polo norte al polo sur, y por dentro, del polo sur al polo norte. 6. Campo magnético

29 6.3 Atracción y repulsión magnética SNSN Campo magnético entre polos opuestos (atracción) Campo magnético entre polos iguales (repulsión) 6. Campo magnético

30 6.4 Campo magnético terrestre La Tierra posee su propio campo magnético y, por lo tanto, se comporta como un gigantesco imán. El campo magnético terrestre se genera en el núcleo del planeta. Los polos magnéticos están invertidos respecto de los polos geográficos, y no son coincidentes; el polo norte magnético de la Tierra está cercano al polo sur geográfico y, el polo sur magnético, al polo norte geográfico. Eje Magnético Polo Norte magnético Polo sur geográfico Eje Magnético Polo sur magnético Polo norte magnético Polo norte geográfico Eje polar terrestre Pág. 157 Cap. 6 6. Campo magnético

31 Pregunta oficial PSU C ASE Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2016. Al comparar una estufa eléctrica de 2000 W con una ampolleta de 100 W, ambas funcionando durante 1 hora conectadas a la red domiciliaria, es correcto afirmar que A) la estufa disipa menos energía. B) la estufa consume menor cantidad de energía. C) la estufa tiene menor resistencia eléctrica. D) por la estufa circula menor cantidad de corriente eléctrica. E) la estufa está sometida a una menor diferencia de potencial.

32 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 1 D La electricidad Reconocimiento 2CLa electricidadAplicación 3CLa electricidadAplicación 4DLa electricidadASE 5ELa electricidad ASE 6 E La electricidad ASE 7CLa electricidad Aplicación 8DLa electricidad Aplicación 9 D La electricidad ASE 10CLa electricidad ASE

33 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 11 E La electricidad Comprensión 12BLa electricidad Reconocimiento 13ELa electricidad Comprensión 14CLa electricidad Comprensión 15CLa electricidad Aplicación 16 D La electricidad Aplicación 17DLa electricidad Comprensión 18BLa electricidad ASE 19 E La electricidad ASE 20ELa electricidadASE

34 Síntesis de la clase ENERGÍA ELÉCTRICA La rapidez con que se transforma es la Potencia eléctrica Que se expresa como Se disipa como calor debido al Efecto Joule Se calcula como Se genera en Centrales eléctricas Por medio de una Transformación de energía Que depende de la Resistencia eléctrica Resistencia eléctrica Si se hace nula el material es un Superconductor Que puede variar con la Temperatura Intensidad de corriente

35 Síntesis de la clase Características Generado por IMANES Poseen un polo norte y uno sur Capacidad para atraer o repeler a otros cuerpos, y al hierro Sus polos son inseparables Polos = se repelen Polos ≠ se atraen Polos = se repelen Polos ≠ se atraen Su polo norte magnético apunta (aproximadamente) hacia el norte geográfico CAMPO MAGNÉTICO

36 Prepara tu próxima clase En la próxima sesión estudiaremos Electricidad IV: campo magnético, fuerza magnética

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38 Propiedad Intelectual Cpech RDA: 186414 ESTE MATERIAL SE ENCUENTRA PROTEGIDO POR EL REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL. Equipo Editorial Área Ciencias: Física