Ley de Faraday

Ley de Faraday

Cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina de cable, originará un "voltaje" (una fem inducida en la bobina). No importa como se produzca el cambio, el voltaje será generado en la bobina. El cambio se puede producir por un cambio en la intensidad del campo magnético, el movimiento de un imán entrando y saliendo del interior de la bobina, moviendo la bobina hacia dentro o hacia fuera de un campo magnético, girando la bobina dentro de un campo magnético, etc.

Formula:

La Ley de Faraday está basada en los experimentos que hizo Michael Faraday en 1831 y establece que el voltaje (FEM, Fuerza Electromotriz Inducida) inducido en una bobina es directamente proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético por unidad de tiempo en una superficie cualquiera con el circuito como borde

Donde å es la FEM inducida, N es el número de vueltas de la bobina, y ÄÔ es la variación del flujo magnético en un tiempo Ät. Cuando el flujo magnético se da en webers y el tiempo en segundos, la fuerza electromotriz inducida resulta en volts. Un volt es igual a un weber-vuelta por segundo. El signo negativo se debe a que el voltaje inducido tiene un sentido tal que establece una corriente que se opone al cambio de flujo magnético. El cambio del número de líneas magnéticas que pasan por un circuito induce una corriente en él, si el circuito está cerrado, pero el cambio siempre induce una fuerza electromotriz, esté o no el circuito cerrado.

El flujo magnético se define como el producto entre el campo magnético y el área que éste encierra

 

Ejemplo:

Una bobina consta de 200 vueltas de alambre y tiene una resistencia total de 2Ω. Cada vuelta es un cuadrado de 18 cm de lado y se activa un campo magnético uniforme perpendicular al plano de la bobina. Si el campo cambia linealmente de 0 a 0,5 tesla en 0,8 seg. Cual es la magnitud de la fem inducida en la bobina mientras esta cambiando el campo?

El área de una vuelta de la bobina es:

Lado = 18 cm = 0,18 m

A = 0,18m * 0,18m = 0,0324 m2

El flujo magnético a través de la bobina en t = 0 es cero, puesto que B = 0 en dicho momento. Φ2= 0 En t = 0,8 seg. El flujo magnético a través de una vuelta de la bobina es:

Φ1= B * A Φ1= 0,5 T * 0,0324 m2 Φ1= 0,0162 T m2

Por tanto, la magnitud de la fem inducida es:

ΔΦB= ΦB1– Φ2= 0,0162 T m – 0 = 0,0162 T m22

N = 200 vueltas.
Δt = 0,8 seg

Experimentos:

Materiales:

·         2 caños de aluminio de aproximadamente 2,5cm de diámetro.

·         alambre de cobre.

·         un multímetro (testar) analógico establecido en mili amperes.

·         2 imanes iguales.

·         compuestos por varios más pequeños de tierras raras, pinzas tipo cocodrilo, un trozo de hilo y cinta adhesiva.

Procedimiento:

La construcción del experimento consiste en armar una bobina en torno a un tubo de aluminio, dejando los extremos libres. En este caso el alambre se enrolló tres veces a lo largo del caño, formando así tres bobinas, todas unidas entre sí, con el mismo trozo de alambre de cobre. El objetivo de esto es hacer más interesante la presentación en el aula, tema que explicaré luego con más profundidad. Luego se conectan los extremos del multímetro a los de la bobina.

La experiencia en sí se trata de observar lo que ocurre en el tester cuando se coloca el caño en posición vertical, y se deja caer el imán por su interior. Aquí se ha demostrado que la fuerza electromotriz inducida depende de la variación de flujo magnético, lo que no se ha demostrado aún es que depende también de la rapidez con que varía ese flujo dentro de la bobina. Para hacer visible esto, se ata el imán con un hilo, y se lo introduce a baja velocidad por la bobina.

El otro objetivo de este experimento, se observará al dejar caer los imanes al mismo tiempo, uno por el caño enrollado de alambre, y el otro por el caño sin enrollar

Los dos tubos de aluminio, uno con el bobinado y el otro sin él

Bobinados, donde se observa el extremo libre y el mismo alambre que los une.

Vista interior de los tubos

Multímetro.

bibliografia:

1. fuente libro física general 

Electroquimica

Electroquímica

La Electroquímica es la rama de la química que estudia como el paso de una corriente eléctrica genera nuevas sustancias y como algunas reacciones químicas pueden proporcionarnos energía eléctrica.
Nos sirve para llevar a cabo varios procesos como electrodeposición, galvanizado, anodizado, dorado y plateado, en caso de que quieras generar nuevas sustancias; en caso de que quieras producir energía eléctrica pues es cuando construyes una celda de Daniel, una batería para auto, una pila de mercurio (muy contaminantes por cierto) o una pila recargable .

La electroquímica es una parte de la química que se dedica a estudiar las reacciones asociadas con la corriente eléctrica que circula en un circuito.

Las dos formas de representar las reacciones electroquímicas son:

1) Reacción de reducción A + ne- → An-
Cuando la corriente eléctrica suministra electrones a la sustancia A, y

2) Reacción de oxidación B - ne- → Bn+
Cuando la corriente eléctrica sustrae electrones a la sustancia B.

La electroquímica es una disciplina muy versátil que puede ayudar a resolver innumerables problemas que van desde dispositivos que funcionan como fuentes alternas de energía (celdas de combustible) hasta unidades de proceso en las plantas de extracción y refinación de metales (celdas de electrólisis), pasando por procesos de corrosión. Otra aplicación importante de la electroquímica se da en el análisis químico, donde se hace uso de sensores electroquímicos cuyas mediciones se adquieren como diferencias de voltaje (potenciómetros) o corrientes eléctricas (amperímetros). De los sensores potencio métricos se puede menciona el electrodo de pH y los de ion selectivo y en cuanto a los sensores anemométricos se destacan los electrodos inertes de carbón vítreo, platino y oro, que sólo sirven de soporte para reacciones de oxidación o de reducción.

Formulas:

La corriente se mide en ampere (A). La cantidad de carga se mide en coulomb (C); el Coulomb se define como la cantidad de electricidad transmitida en un segundo en un segundo mediante una corriente de un ampere.

La corriente se hace pasar a través del circuito mediante una diferencia de potencial eléctrico, el cual se mide en volts (V). Se necesita un joule de trabajo para mover un coulomb desde un potencial mas bajo a uno mas alto cuando la diferencia de potencial es de un volt

Mientras mayor sea la diferencia de potencial entre dos puntos en un alambre dado, mayor será la corriente que transporte el alambre entre estos dos puntos. George Ohm, en 1826, expreso la relación cuantitativa entre la diferencia de potencial, en voltios y la corriente,/ , en amperes, como:

Donde R se llama resistencia. La resistencia se mide en Ohms. Se requiere un volt para transportar una corriente de un ampere a través de una resistencia de un Ohm.


Ejemplos:

Mediante la ecuación De Nernst calcule el potencial de celda para cada par de soluciones
Sea la pila de Daniels:
Zn/Zn+2 (a=1) // Cu+2 (a=1) /Cu
Ánodo
Zn à Zn+2 + 2e- E0 = 0,763 v oxidación
Cátodo
Cu+2 + 2e- à Cu E0 = 0,337 v reducción
Rx:
Zn (s) + Cu+2 (ac) +2e- ß à Zn+2 (ac) + Cu (s) + 2e- E0=1,1 v

Calculo del potencial de celda
Zn SO4 0,1M con CuSO4 0,1M

Consideremos soluciones diluidas donde los coeficientes de a son iguales a los [ ] de las soluciones a = [M]
aZn+2 = [MZn+2] aCu+2 = [MCu+2] } …..(1)

Ecuacion de Nernst:
E = E0 - RT Ln aZn+2 ……….(2)
nF aCu+2
(2) en (1)
E = E0 - RT Ln [MZn+2] ……….(2)
nF [MCu+2]

Luego reemplazando datos experimentales:
E = 1,1 - (8,314)(298) Ln 0,1
(2e-)(96486) 0,1
E = 1,1 voltios

Consideremos en el cálculo a los coeficientes de actividad (g )
Sabemos a = g [M] g ZnSO4 = 0,15
g CuSO4= 0,4
Luego:
E = 1,1 - (8,314) (298) Ln (0,15)(0,1)
2e- (96486) (0,4)(0,1)
E = 1,11 v
ZnSO4 0,1M con CuSO4 0,01M

Aplicando Ecuación de Nernst:
E = 1,1 - (8,314)(298) Ln 0,1
(2e-)(96486) 0,01
E = 1,0704 voltios
Luego:
E = 1,1 - (8,314) (298) Ln (0,15)(0,1)
2e- (96486) (0,4)(0,01)
E = 1,083 v
ZnSO4 0,1M con CuSO4 0,001M
E = 1,1 - (8,314)(298) Ln 0,1
(2e-)(96486) 0,001
E = 1,041 voltios
Luego:
E = 1,1 - (8,314) (298) Ln (0,15)(0,1)
2e- (96486) (0,4)(0,001)
E = 1,053 v

Experimentos

Lavandina casera

Materiales:
  Frasco de vidrio
Sal de mes
Fuente de alimentación regulable o batería de automóvil o moto
Electrodos de grafito (ver mas adelante)
50cm de conductor eléctrico
Puedes utilizar una batería de auto o de moto.

Procedimiento:
Llena el frasco con agua y coloca dentro de él un par de cucharadas soperas de sal de mesa (la que usas para comer) y revuelve bien. Si el agua que sacar del grifo está muy fría, caliéntala apenas un poco, muy poco. Lo ideal son unos 20°C.
Ahora corta por la mitad el trozo de cable, pela sus extremos, y utilízalos para unir cada barra de grafito a un borne de la batería o la fuente de alimentación. Introdúcelo en la solución salina y espera un par de horas. El líquido se habrá convertido así en lavandina casera o lejía casera

¿Cómo funciona el experimento?

Al conectar los electrodos a una fuente de energía eléctrica, se crea un campo eléctrico dentro del fluido que atrae a estos iones hacia los electrodos. En este experimento, y con los materiales que estamos utilizando, la sal “Cloruro de Sodio” (sal de mesa) se descompuso en iones sodio e iones Cloro. Los iones sodio serán atraídos hacia el electrodo que esté conectado al polo negativo de la batería, y allí reaccionarán para dar hidróxido de sodio. Mientras que los iones cloro, serán atraídos hacia el electrodo de grafito que esta conectado al polo positivo de la batería. Allí es donde el ion deja de ser tal, y se transforma en una molécula de cloro, la cual está en estado gaseoso.

Es común es las plantas potabilizadoras de agua, el inyectar cloro gaseoso en los conductos con el fin de matar ciertos microorganismos nocivos para nuestra salud. Siempre se coloca un poco más de gas que el necesario, pues el agua puede contaminarse en el trayecto de distribución desde la planta hacia tu hogar, de modo que con ese “extra” de cloro sigue matándolos y permanece potable.

Lo mismo estamos haciendo en estos experimentos, el cloro gaseoso que se forma en nuestro electrodo burbujea dentro de la solución, la cual se terminará transformando en lavandina o lejía.

Cabe destacar, que además, en el electrodo en que hacia donde van los iones sodio, se desprende gas hidrógeno.

La reacción electroquímica que gobierna el experimento es la siguiente:

2NaCl (aq) + 2 H2O ——> 2 NaOH (aq) + Cl2 + H2

 Bibliografias:

1. Fuente Libro física general

2.http://www.monografias.com/trabajos7/elec/elec.shtml#ixzz2yFFnQjRu

Capacitores

Capacitores

Un capacitor o condensador eléctrico es un dispositivo empleado para almacenar cargas eléctricas.

Un capacitor básico consta de dos láminas metálicas separadas por un aislante o un dialectico que puede ser aire, vidrio, mica, aceite o papel encerado.

La capacidad o capacitancia de un capacitor se mide por la cantidad de carga eléctrica que puede almacenar. Para aumenta la capacitancia se hacen las siguientes modificaciones:

A) Disminuir la distancia entre las placas metálicas, de tal manera que al acercarse, la placa positiva provocara que se atraigan mas cargas negativas de la batería sobre la placa negativa y por supuesto mas placas positivas sobre la placa positiva.

B) Aumentar el área de las placas, pues mientras mayor superficie tengan mayor será su capacidad de almacenamiento.

C) Aumentar el voltaje de la batería. La cantidad de carga Q que puede ser almacenada por un capacitor a un voltaje dado es proporcional a la capacitancia a un voltaje dado es proporcional a la capacitancia C y al voltaje V.

Formulas

C= capacitancia del capacitor en farads (f)

Q= carga almacenada por el capacitor en coulombs (c)

V= Diferencia de potencial entre las placas del capacitor en volts (v)

C= capacitancia en farads (f)

E= constante que depende del medio aislante y recibe el nombre de permitividad en F/m

A= Area de una de las placas paralelas en metros cuadrados (M2)

d= distancia entre las placas en metros (m)

C= capacitancia en farads (F)

E= vector campo eléctrico (m)

A=Area (m2)

d= distancia (m)

Ejemplos

1.- dos laminas cuadradas de estaño de 30cm de lado están adheridas a las caras opuestas de una lamina de mica de 0.1mm de espesor con una permitividad relativa E de 5.6 ¿Cuál es la capacitancia?

Solución

Datos

C=30cm

d=0.1 mm

E1= 5.6

E2= 8.85x10-12 F/m

Calculo de la premitividad E de la mica:

E= 8.85 x 10-12 F/m x 5.6

= 49.56 x 10-12 F/m

Calculo del área de cualquiera de las dos placas:

A=C2= (0.3m)2 = 0.09m2= 9x10-2m2

Conversión de unidades:

Como 1m = 1x103mm

Sustitución y resultado

2.- las placas de un capacitor tiene una separación de 5 mm en el aire. Calcular su capacitancia si cada placa rectangular mide 15cmx20cm.

Solución

Datos

d= 5mm

A=15cm x 20cm

Er= 1

E0= 8.85 x10-12 F/m

C=?

Calculo del área de una de las placas:

A= 0.15m x 0.2m

   = 0.03m2 = 3x10-2m2

Conversión de unidades:

Sustitución y resultado

Experimento

Objetivo

Estudio de las propiedades básicas de los capacitores, la dependencia de la capacitancia con la geometría y los dieléctricos. Análisis de las características de circuitos RC.

Carga y descarga de un capacitor

Usando el circuito descripto esquemáticamente, se hacen las características básicas del proceso de carga y descarga de un capacitor usando un sistema de adquisición de datos asociado a una PC. Para este experimento, se usa un capacitor C y una resistencia R1 tal que su producto sea del orden de 10 segundos. Elija para R2 un valor de aproximadamente el doble que R1. Conecte los terminales de sistema de toma de datos en los bornes del capacitor C como se muestra.

También es útil disponer de un pulsador y asegúrese que la fuente de tensión V0 tenga un valor inferior a 10 Volt de modo de no dañar el sistema de toma de datos. Elija una frecuencia de muestreo (cuentas por segundo) del orden de RC/100. Use el pulsador para cargar el capacitor. Antes de conectar, asegúrese de revisar  su circuito. Se grafica la dependencia de Vc como función del tiempo en escala lineal y semi logarítmica y obtenga el mejor ajuste de la curva que describe la dependencia de Vc como función del tiempo. También se construye un gráfico de d Vc (t)/dt versus Vc (t).

A partir de estos gráficos, determine la constante de tiempo t1 característica de la descarga del circuito R1-C. Usando este mismo procedimiento, determine la constante de tiempo t2 de la carga del capacitor. En cada caso, mida los valores de C, R1 y R2 usando un multímetro. Repita este análisis para otro conjunto de valores R1, R2 y C. Usando los datos, se construye un gráfico de los valores de t medidos experimentalmente en función de los correspondientes valores de R.C.

Bibliografía

1. fuente: libro fisica general
2. http://www.fodonto.uncu.edu.ar/upload/capacitores.pdf

3.http://qdquasar.blogspot.mx/2011/06/experimento-capacitores-y-dielectricos.html