Conceptos previos
Trabajo en física es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza.
Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento.
Las unidades de trabajo son las mismas que las de energía.
Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad, dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta su energía potencial.
También se realiza trabajo cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo, como ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores.
La fuerza puede no ser mecánica, como ocurre en el levantamiento de un cuerpo o en la aceleración de un avión de reacción; también puede ser una fuerza electrostática, electrodinámica o de tensión superficial. Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo.
Conceptos previos
Carga eléctrica, es la característica de cualquier partícula que participa en la interacción electromagnética.
Existen en la naturaleza dos tipos de cargas eléctricas que por convenio se miden unas con números positivos y las otras con números negativos.
Todas las partículas eléctricamente cargadas llevan una carga igual en valor absoluto a una cantidad llamada carga elemental, e.
El protón posee una carga +e y el electrón lleva una carga -e. Esta carga elemental equivale a 1,6 · 10-19
La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de unidades es el culombio, C.
Un átomo eléctricamente neutro tiene el mismo número de protones que de electrones. Todo cuerpo material contiene gran número de átomos y su carga global es nula salvo si ha perdido o captado electrones, en cuyo caso posee carga neta positiva o negativa, respectivamente. Sin embargo, un cuerpo, aunque eléctricamente neutro, puede tener cargas eléctricas positivas en ciertas zonas y cargas negativas en otras.
Estos tres objetos muestran la forma en que las cargas eléctricas afectan a conductores y no conductores. Una varilla negativamente cargada (A) afecta a la distribución de cargas de un conductor (B) y un no conductor (C) cercanos. En los lados de B y C más próximos a A se induce una carga positiva, mientras que en los lados más alejados aparece una carga negativa. En el conductor (B), la separación de la carga afecta a todo el objeto, porque los electrones pueden moverse libremente. En el no conductor (C), la separación se limita a la distribución de los electrones dentro de cada átomo. El efecto se nota más si el no conductor está cerca del objeto cargado.
Campo eléctrico, es la región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos eléctricos. Se representa por E y es de naturaleza vectorial, es decir, posee un valor o magnitud y una dirección y sentido. Estos dos últimos valores son determinados por un ángulo. En el Sistema Internacional de unidades el campo eléctrico se mide en newton/culombio (N/C).
Al existir una carga eléctrica esta se mueve por un conductor generando el campo eléctrico, el cual a su vez produce un campo magnético.
Concepto de trabajo eléctrico y diferencia de potencial
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Cuando una carga positiva se coloca en un campo eléctrico, éste ejerce una fuerza de repulsión sobre la carga.
Para mover la carga debe realizarse un trabajo, venciendo la fuerza de repulsión del campo. Inversamente, el trabajo puede ser realizado por la carga positiva si ésta se mueve en la dirección de la fuerza ejercida por el campo.
La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un campo, representa el trabajo (W) requerido para mover una unidad positiva de carga, desde un punto al otro contra la dirección del campo (o fuerza), o también, el trabajo realizado por la unidad de carga, que se mueve desde un punto al otro en la dirección del campo.
Las cargas positivas siempre se mueven convencionalmente desde un punto de potencial mayor (+) a un punto de potencial menor (-), mientras que la inversa es cierta para cargas negativas (electrones) .
La diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico, se dice que es de 1 volt, si debe realizarse 1 joule de trabajo sobre 1 coulomb de carga positiva (+) , para moverla desde un punto de bajo potencial a otro de potencial mayor.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Fig. 1-1
Fig. 1-1 . La FEM de la fuente es igual a las caídas de potencial en el circuito externo.
En forma equivalente existe una diferencia de potencial de 1 volt si 1 joule de trabajo es realizado por una carga + de 1 coulomb que se mueve desde un punto, de elevado potencial, a otro de potencial menor. En general, la diferencia de potencial E (en volts o voltios ) es el trabajo W (en Joules o julios ) realizado por las cargas Q (Coulumbs o culombios ) por unidad de carga
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
En forma similar, el trabajo total realizado (en o por las cargas) es:
W (Joules) = Q (Coulumbs) X E (volts)
Si existe una diferencia de potencial entre dos puntos, en un conductor o circuito eléctrico, los electrones libres en el conductor se mueven desde el punto de bajo potencial hacia el punto de potencial mayor, produciendo una corriente eléctrica.
Al moverse dentro del circuito las cargas realizan una cantidad de trabajo (con la producción de calor) igual al producto de la carga total y de la diferencia de potencial (W = Q x E)
Dado que una corriente "convencional" de cargas positivas debe "descender" desde un punto de elevado potencial (+) a otro de bajo potencial (-) del circuito (externo), La diferencia de potencial entre los puntos se denomina caída de potencial.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
La caída de potencial iguala el trabajo realizado por una unidad de carga (W/Q) al pasar entre determinados puntos del circuito. Para mantener una corriente eléctrica, las cargas positivas deben ser elevadas desde el punto de bajo potencial (-) al punto de alto potencial (+) por una fuente de electricidad, tal como un generador o batería (ver Fig. 1-1).
Fig. 1-1
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
La misma cantidad de trabajo debe ser realizada sobre las cargas para que éstas dejen el punto de alto potencial (terminal +) y por las cargas al atravesar el circuito. La batería u otra fuente de energía eléctrica, se dice que posee una fuerza electromotriz (fem), que se mide por el trabajo realizado por cada unidad de carga (W/Q), cuando ésta pasa por la fuente.
Fig. 1-1
Por lo tanto, la fem de la fuente iguala a la caída de potencial en el circuito externo como se hace evidente en la Fig. 1-1. Los términos diferencia de potencial o voltaje, aplicados ambos a la fem y a la caída de potencial se miden en volts, en el sistema (mks) de unidades.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Ejemplos comparativos :
Una fem puede ser descrita como una consecuencia de las diferencias de carga, las que se comportan como un resorte en tensión. Esto se ilustra en la figura superior.
figura 1-A: No hay diferencia de carga; no hay tensión, y por ende no existe fem.Figura 1-B: Dos cargas negativas distintas; el resorte está en tensión, hay fem y ésta fuerza a los electrones a moverse de A a B.Figura 1-C: Dos cargas positivas distintas: el resorte está en tensión, hay fem y ésta fuerza a los electrones a moverse de B a A.Figura 1-D : Cargas positiva y negativa; el resorte está en tensión, hay fem y ésta fuerza a los electrones a moverse de A a B.
Analogía Diferencia de Potencial
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 1
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 0
Se observa en la figura 1 dos depósitos con agua al mismo nivel de llenado. En ellos la presión es la misma. La presión la determina la altura (h) del nivel del agua, sabiendo que esta ejerce una presión de 1kg / cm2 por cada metro de altura. Acordaremos, entonces, que esta presión será equivalente a los volts , sin embargo, como los dos están al mismo potencial o presión, no existe entre ellos una diferencia de potencial o de presión que es el necesario para que se produzca una circulación de agua, es decir, no se realiza trabajo alguno.
(Gp:) 1
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 0
En la figura 2, el deposito de agua se puede descargar a la atmosfera por lo que la presión al interior del mismo es mayor que la del exterior. Por lo tanto existe diferencia de potencial o de presión. La válvula es como el interruptor eléctrico. Al permitir que fluya agua realizaremos un trabajo que esta determinado por la presión (E) multiplicado por el caudal (Q). Análogamente:
Trabajo w(joules) = agua Q (coulombs) E presión (volts).
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Deduciendo del ejemplo sabemos que para que se realice un trabajo tiene que haber necesariamente una deferencia de presión o diferencia de potencial. Lo que permitirá que la carga Q se mueva y genere trabajo.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Uso en la vida cotidiana
La energía es la multiplicación de la potencia por el tiempo, así que los julios (o energía térmica) que desprende una resistencia es el producto de la potencia que consume esta por el tiempo que está conectada a una fuente de tensión (a la red eléctrica por ejemplo).
Así una estufa eléctrica de 1000 W conectada durante una hora desprenderá una energía térmica de 1000 julios y se habrá consumido 1000 vatios-hora (vatios-hora es la magnitud de la energía eléctrica consumida, vale decir, potencia por tiempo) de la red eléctrica, pero si sólo hubiéramos conectado la estufa durante media hora (0,5 h), esta hubiera desprendido 500 julios de calor, esto es trabajo, y hubiera consumido 500 vatios-hora de energía eléctrica.
Por tanto la energía térmica desprendida por una resistencia es la cantidad en julios de potencia eléctrica consumida por hora
Trabajo eléctrico y Diferencia de Potencial
Lo que se cobra en el recibo de la compañía, en Santiago, Chilectra, es la energía eléctrica que se consume, me explico: Según el principio de la conservación de la energía, esta dice que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma y la energía eléctrica que llega a nuestra casa la transformamos en otro tipo de energía para nuestro provecho, siendo esta transformación en forma de calor (estufas eléctricas), luminosa (lámparas), cinética(motores) y es este consumo de energía eléctrica transformada la que nos cobran.
Volviendo al ejemplo de la estufa de antes lo que estamos transformando son 1000 vatios eléctricos en 1000 vatios de calor y a ti la compañía eléctrica te cobrará esos 1000 vatios-hora.
Aplicación de trabajo eléctrico
El trabajo eléctrico es potencia eléctrica que consume un aparato eléctrico y que es empleada para realizar un trabajo (valga la redundancia) acordes con su diseño.
En el caso de la estufa esta nos proporcionará un trabajo de 1000 vatios caloríficos para calentar cualquier cosa (en su caso el aire ambiente) y un motor eléctrico ideal de 1000 vatios nos proporcionará en su eje 1000 vatios de potencia mecánica (por ejemplo para mover los engranajes de una máquina). Como se ve el trabajo y la energía son conceptos distintos. Para poner un ejemplo: la potencia que indica una estufa es trabajo eléctrico y los julios que desprende y la electricidad consumida es energía. Espero que se haya entendido según las explicaciones que he expuesto
Aplicación de trabajo eléctrico
El trabajo eléctrico es potencia eléctrica que consume un aparato eléctrico y que es empleada para realizar un trabajo (valga la redundancia) acordes con su diseño. En el caso de la estufa esta nos proporcionará un trabajo de 1000 vatios caloríficos para calentar cualquier cosa (en su caso el aire ambiente) y un motor eléctrico ideal de 1000 vatios nos proporcionará en su eje 1000 vatios de potencia mecánica (por ejemplo para mover los engranajes de una máquina). Como se ve el trabajo y la energía son conceptos distintos. Por ejemplo: La potencia que indica una estufa es trabajo eléctrico y los julios que desprende y la electricidad consumida es energía.
Ejercicios de Aplicación
Ejercicio 1. Realizar un circuito de trabajo adecuado para medir la Energía eléctrica que consume.
Circuito de Trabajo:
El circuito consta de 2 Reóstatos en paralelo de 302 ohm y 303 ohm, alimentados por una fuente de 235(V) alternos. Calcular la Energía que consume a partir de la lectura en el Medidor de Energía.
El medidor cuanta con una constante que es la cantidad en watt/hora que equivale a una vuela del eje, es decir, cuando el medidor da una vuelta la carga a consumido el valor de la constante, que en este caso es de 3,6(W/ hr).
Entonces dividimos el total del consumo en una hora por la constante para saber la cantidad de vueltas que da en 1 hora:
Ahora que tenemos el numero de vuelta por hora, lo dividimos por los segundos que existen en 1 hora para obtener el tiempo que tarda en dar una vuelta el Medidor de Energía:
También podemos realizar este calculo a partir de la lectura en el medidor de Energía de el tiempo que tarda en dar una vuelta:
Tiempo que tarda: + 35,5(seg).
El tiempo dado anteriormente es un tiempo aproximado ya que puede tener algunos decimales de error.
Ahora dividimos los segundos que tiene una hora por el tiempo que tarda en dar una vuelta, para obtener el numero de vuelta por hora:
Ahora, para calcular la potencia en una hora, debemos obtener el producto entre el número de vueltas en una hora, por lo que equivale en potencia una vuelta, es decir, por la constante del medidor de Energía:
La potencia obtenida es la Energía o trabajo que realiza la carga en una hora. Es decir, el Trabajo que calculamos anteriormente. La diferencia entre el resultado anterior, se debe a la falta de precisión en la lectura del Medidor de Energía.
Ejercicios de Aplicación
En la industria
Aplicación en Prevención de Riesgos
Definiciones sobre Electricidad
Baja tensión: se considera baja tensión aquellos sistemas cuya diferencia de potencial es inferior a 1.000v en corriente alterna y 1.500 en corriente continua. Las tensiones usuales son normalmente las de 220 v entre fases y neutro y las de 380 v entre fases.
Consideremos que la tierra, piso, suelo o terreno físico del planeta tiene potencial cero, por lo que siempre entre una fase y este habrá una diferencia de potencial. Aquí es donde radica el principal peligro de energía eléctrica.
Aplicación en Prevención de Riesgos
Lo que causa daño en nuestro organismo es la corriente eléctrica que circula por él.
¿Entonces cual es la importancia de la Diferencia de Potencial en la Prevención de Riesgos eléctricos? .
Para que la corriente eléctrica circule por nuestro cuerpo deben cumplirse ciertos requisitos:
Vencer nuestra resistencia, que es menor o mayor dependiendo de algunas condiciones de cada individuo y de la humedad de la piel.
Que formemos parte del circuito
Explicación práctica
(Gp:) 1
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 0
Piso con potencial cero : Tierra, pasto, hormigón, baldosas
Fig. a
Fig. b
En la figura “a” existe un presión o diferencia de potencial con respecto a tierra, pero la persona esta aislada de tierra, por lo que posee el mismo potencial del deposito “a” (como lo pajaritos que se posan en las líneas eléctricas) . Por lo que no hay diferencia de potencial entre el depósito y la persona, por lo que no se realiza trabajo por ende la carga no se mueve y no circulara corriente por la persona.
En la figura “b” la persona esta en contacto con la superficie de la tierra, por lo que esta sometida a la presión del estanque y si ella fuera como un tubo pasaría por ella el agua hasta llegar a tierra que es el potencial cero. En este caso existe diferencia de potencial, hay trabajo, la carga se mueve, circula corriente por la persona. La persona se electrocuta y puede hasta morir.
Aplicación en Prevención de Riesgos
Mientras más alta sea la diferencia de potencial y menor la dificultad que ponga nuestra piel al paso de la corriente, mayor será el trabajo realizado en nuestro cuerpo, por lo tanto mayor será el daño ocasionado por la corriente eléctrica circulando por el organismo.
¿ Como podemos minimizar o evitar que esto ocurra?.
La normativa eléctrica chilena NCH Elec 4/2003 establece voltaje (diferencia de potencial) de seguridad para locales secos y húmedos.
En ella se establece un valor de 42 o 24 volts. Con una diferencia de potencial baja, la carga no es capaz de moverse por nuestro cuerpo, por lo que no circulará corriente capaz de hacernos daño.
En los casos que no es posible reducir la diferencia de potencial, se usan unos dispositivos detectores de fugas de corriente, llamados protectores diferenciales, estos detectan las fugas e interrumpen el suministro eléctrico antes que la corriente cause efectos dañinos en el cuerpo.
Aplicación en Prevención de Riesgos
También se emplea la técnica de doble aislación, que consiste en “encerrar la diferencia de potencial” de modo que no entre en contacto con las personas.
Otra técnica es el empleo de “Conexiones Equipotenciales”, que consiste en unir mediante un conductor eléctrico, todas las partes metálicas de los equipos, que por accidente, puedan quedar sometidos a un potencial y que nosotros, al tocarlos, cerremos el circuito contactando ese potencial con tierra y creando la diferencia de potencial que mueva la carga y haga circular la dañina corriente eléctrica por nuestro cuerpo.
El sistema más común para evitar que las partes metálicas de los equipos y maquinarias queden con potencial alto y que, con respecto a tierra, se cree una diferencia de potencial, es aterrizar las partes metálicas de los equipos. Esto consiste en darles potencial cero mediante un conductor de cobre de color verde el que se canaliza junto a los conductores que traen el potencial eléctrico o voltaje.
Este conductor, como es de potencial cero, si un conductor con potencial alto lo toca se producirá un corto circuito. Este corto circuito hará operar unos sistemas de protección evitando que la parte metálica quede a una potencial elevado y que se establezca con respecto a tierra una diferencia de potencial.
Un sistema para evitar las diferencias de potenciales dañinas para el ser humano es el empleo de transformadores de aislación. En estos la diferencia de potencial peligrosa ingresa en a un lado del transformador que se llama primario, luego este induce líneas de fuerza en el otro lado, llamado secundario, creando una diferencia de potencial entre los conductores del secundario. Como la transmisión de energía se hace sin contacto físico entre la diferencia de potencial del primario y la del secundario. La diferencia de potencial del secundario solo se establece entre los conductores de este, por lo que la diferencia de potencial con respeto a tierra no existe.
Aplicación en Prevención de Riesgos
LAS LENTESConceptos-Física
Por definición, una lente es un “medio” transparente, de vidrio, de cristal, etc., generalmente de contorno circular, limitado por caras curvas o, por una plana y otra curva.
Las caras curvas de una lente, pueden ser esféricas, cilíndricas,
Parabólicas, analizaremos aquellas lentes que tienen caras esféricas.
Si partimos de la base que la superficie esférica que limita una lente puede ser convexa o cóncava e, incluso, una de las caras puede ser plana, podemos clasificar las lentes de la siguiente manera:
biconvexa.
plana convexa.
menisco convergente.
bicóncava.
plana cóncava.
menisco divergente.
LENTES CONVERGENTES:
Estas lentes reciben este nombre porque al ser atravesadas por un haz de rayos paralelos los hacen “converger” en un punto determinado y dan una imagen “real”, excepto el caso en que el objeto se encuentre entre el foco y la lente.
La imagen aumentada de un objeto que se ve utilizando una lente corriente de aumento es siempre “virtual”, porque el objeto esta ubicado detrás de la lente y de su foco, no obstante ello nosotros podemos verlo gracias a que el cristalino de nuestro ojo la convierte en imagen “real” en nuestra retina.
En toda lente convergente concurren los siguientes elementos
Eje principal: Es la recta que une los centros de las superficies esféricas a las cuales pertenecen las caras de la lente.
Centro óptico: Es un punto perteneciente al eje principal y que tiene como propiedad que todo rayo de luz que pasa por el no se desvía al atravesar la lente.
Eje secundario: Es toda recta que pasa por el centro óptico, siendo distinta del eje principal.
Foco principal: Es el punto, perteneciente al eje principal, por donde pasan todos los rayos refractados que inciden en la lente en forma paralela al eje principal.
Teniendo en cuenta que toda lente es transparente, se concluye que los rayos de luz pueden incidir sobre ella por cualquiera de las dos caras y, entonces, resulta que toda lente tiene dos focos principales. Uno de ellos es el “foco objeto” y el otro el “foco imagen” de acuerdo al paso, por ellos, de rayos incidentes o refractados, respectivamente.
Para toda lente convergente se cumple que ambos focos son reales.
Plano principal: Es el plano perpendicular al eje principal que pasa por el centro óptico.
Planos focales: Son planos, también perpendiculares al eje principal pero que pasan por cada uno de los focos de la lente
En cuanto al aspecto, a simple vista, que presenta una lente convergente es de notar la diferencia de espesor entre el centro y los bordes, siendo el mayor el del centro.
Trayectoria de los rayos de luz en una lente convergente:
1°) Todos los rayos que sean paralelos al eje principal se refractan pasando por el foco imagen. La distancia entre la lente y el foco es la llamada distancia focal.
2°) Cualquier rayo que pase por el foco objeto, al atravesar la lente refracta paralelamente al eje principal.
3°) Los rayos de luz que pasan por el centro óptico, al atravesar la lente, no se desvían.
Las imágenes que se forman cuando la luz atraviesa una lente,
Pueden clasificarse en: (a) imágenes reales; (b) imágenes virtuales.
Las “reales” son aquellas imágenes que pueden ser recibidas en una pantalla ubicada de manera tal que la lente quede entre el objeto y dicha pantalla. Estas imágenes “reales” aparecen en la pantalla en forma invertida.
Las “virtuales” no pueden ser recibidas sobre una pantalla porque se forman con la prolongación de los rayos refractados.
“Fuerza” o “Potencia” de una lente convergente
La potencia de una lente convergente es inversamente proporcional a su distancia focal. Esto, simplemente, significa que una lente es más potente cuanto menor es su distancia focal y, se ha establecido -por convención- que a una distancia focal de 1 metro se le asigna una potencia de 1 “dioptría” (unidad utilizada internacionalmente para determinar la potencia de una lente).
LENTES DIVERGENTES:
Estas lentes se caracterizan porque al ser atravesadas por un haz de rayos luminosos, provocan que el haz se disperse -los rayos se separan entre sí-. Por este motivo, tanto las imágenes que se obtienen como los focos de las lentes son virtuales.
El hecho de generar focos virtuales hace que las lentes divergentes sean también conocidas como “lentes negativas”.
Trayectoria de los rayos en las lentes divergentes
La trayectoria, esta sujeta a las siguientes condiciones: (a) Cualquier rayo que sea paralelo al eje principal refracta de manera tal que sus prolongaciones pasan por el foco. (b) Todo rayo con dirección hacia el foco objeto se refractara en forma paralela al eje principal. (c) Los rayos que pasan por el centro óptico, no se desvían.
En el caso de las lentes divergentes, las imágenes resultan siempre “virtuales”, menores que el objeto, de igual sentido que este y situadas entre la lente y el objeto.
“Potencia” de una lente divergente:
En forma similar a lo que hemos establecido para las lentes convergentes, la potencia de una lente divergente es inversamente proporcional a la distancia focal medida en metros. Teniendo en cuenta que la distancia focal siempre es negativa (para lentes divergentes) resulta que la potencia de una lente divergente toma siempre valores negativos.
Las aplicaciones y usos de las lentes son innumerables, pero, en general podemos decir que se utilizan, fundamentalmente, para formar imágenes de objetos, a veces aumentadas y a veces disminuidas.
No obstante ello, las lentes que se usan para los “anteojos” humanos, mas que a formar imágenes, están destinadas a corregirlas y a procurar que sean nítidas y precisas las imágenes formadas por nuestro cristalino.
ALGUNAS LENTES:
El ojo humano
Es el órgano de la visión.
El ojo propiamente dicho, incluye también elementos protectores (párpados, cejas, etc.). Nos interesa, básicamente, el aspecto óptico del ojo humano. En este aspecto, el “globo ocular” esta formado por membranas que encierran medios transparentes: las “lentes” naturales del hombre. La retina es la membrana mas interna del ojo y se la reconoce como una prolongación del nervio óptico, esta formada por fibras nerviosas que la hacen sensible a la luz. Las terminaciones nerviosas de la retina son los “conos” y “bastoncillos” que, junto con la púrpura retiniana, reciben y transmiten al nervio óptico la sensación luminosa que este lleva al cerebro. La cornea es, también, una membrana transparente, de espesor variable y con un índice de refracción de 1,376. El cristalino es una verdadera lente convergente con un índice de refracción de 1,4085 y la capacidad de cambiar de forma según los estímulos exteriores que recibe. El iris, actúa como diafragma regulando la cantidad de luz que penetra en el ojo.
La lupa (lente de aumento)
Es una sencilla lente convergente biconvexa o plana convexa, generalmente montada sobre una armadura que permite sostenerla en la mano o en un pie especial. Comúnmente se utiliza para examinar detalles de objetos, para leer impresos con caracteres de letra muy pequeños, etc. La imagen lograda con una lupa es virtual, mayor y de igual sentido que el objeto observado. En la lupa simple, disminuye la distancia focal y, por lo tanto, la amplificación aumenta, pero también aumentan las aberraciones (distorsiones) esféricas, por lo cual siempre debe restringirse el campo.
El microscopio
Es un instrumento óptico formado básicamente por dos lentes convergentes: el ocular y el objetivo. El objetivo tiene distancia focal pequeña y esta ubicado próximo al objeto que se observa.
El ocular tiene mayor distancia focal y esta ubicado al lado del ojo del observador. Las dos lentes están ubicadas de forma que sus ejes coincidan.
La imagen que se obtiene con un microscopio es virtual, mayor y de sentido contrario al objeto observado.
En la actualidad existen muy diversos tipos de microscopios, cada uno de ellos con distintas tecnologías de avanzada y que incluyen las ultimas mejoras que, día a día, los científicos van descubriendo.
Podemos observar en los gráficos y dibujos siguientes, la descripción de un microscopio y de que forma trabajan las lentes que lo componen:
El anteojo de Galileo (telescopio simple)
Este fue el primer instrumento para realizar observaciones a distancia. En forma similar al microscopio, también consta de dos lentes pero, en este caso, una es divergente (el ocular) y la otra es convergente (el objetivo). La imagen que se obtiene, es virtual.
El vocablo “anteojos”, acepta varios significados, que van desde los que se utilizan delante del ojo humano, hasta los comunes “larga vistas”. Sin embargo, todos ellos tienen por finalidad contribuir de una u otra manera a mejorar la calidad de la visión que el ser humano puede tener sobre el mundo que lo rodea, ya sea por corrección de las imágenes, por aproximación de ellas o por amplificación.
Ley de Gauss
Carl Friedrich Gauss (1777-1855)
Ley de Gauss
Relación entre el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada y la carga eléctrica encerrada en esta superficie.
De esta misma forma, también relaciona la divergencia del campo eléctrico con la densidad de carga
Introducción
Carga eléctrica: es una propiedad de algunas partículas subatómicas (pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas.
Superficies esfericas Gaussianas
a) carga puntual positiva
Flujo Positivo
a) carga puntual negativa
Flujo Negativo
Flujo eléctrico
El flujo eléctrico se representa por medio del número de líneas de campo eléctrico que penetran alguna superficie. No mide nada material, sin embargo, se puede imaginar que se mide el flujo de un 'fluido eléctrico' es decir, una manera de cuantificar la cantidad de fluido que sale o entra por una determinada superficie.
El número de líneas que penetra una superficie es proporcional a EA. Al producto de la intensidad del campo E por el área de la superficie perpendicular A se le llama flujo eléctrico F.
F = EA
Área A
E
La ley de Gauss
La ley de Gauss constituye una de las leyes fundamentales de la Teoría Electromagnética.
Se trata de una relación entre la carga encerrada en una superficie y el flujo de su campo eléctrico, a través de la misma.
Constituye un medio para obtener expresiones de campos eléctricos, con suficientes condiciones de simetría.
la ley de Gauss te permite conocer el flujo que pasa por figuras muy complejas y esta ley establece que (?=E(ds. El fuljo eléctrico sobre una superficie gausiana es el campo por el área. "se entiende como superficie gausiana a un cuerpo cerrado que divide el espacio en dos zonas del cual no se puede pasar de una zona a otra sin atravesar la superficie" ejemplo: una esfera, un cubo…otros. Se establece también que E=Q/E0 el campo es igual a la carga sobre exilum sub. cero. "constante". Ejemplo:el fuljo eléctrico que pasa por la cara de cubo de 10 m de largo dicho campo es generado por un plano infinito 8 N/c. aplicas gauss (?=E(ds. E= 8 N/C * el área del cuadrado que es una cara de un cubo 10*10 entonces el fuljo eléctrico en igual a 800. La ley de gauss te sirve para calcular el flujo eléctrico en figuras extrañas imagínate que alumbras con una lámpara la cara sobre la cual te piden el flujo la sombra que veas en la pared es el área que metes en la formula. Por eso para la cara de un cubo es el área de un cuadrado L*L. vez.
Ley de Gauss
r
E
dA
q
Considere una carga puntual q. El flujo en una esfera de radio r será:
La ley de Gauss establece que el flujo eléctrico neto a través de una superficie cerrada es igual a la carga neta dentro de la superficie dividida por e0.
Enunciado
El flujo de campo eléctrico a través de cualesquier superficie cerrada (gaussiana), es igual a la carga neta encerrada, por la misma, entre la constante e0.
Ley de Gauss – ¿Cuándo se usa?
Sólo es útil para situaciones donde hay mucha simetría.
Hay que usar la simetría para saber dónde E es constante y cuál es su dirección.
Hay que seleccionar una superficie cerrada en la cual E sea constante o donde el flujo sea cero (E perpendicular a la superficie).
Como siempre, la solución al problema particular se reduce a determinar la carga dentro de la superficie. En este caso resulta ser ?h donde ? es la densidad lineal de carga. Así que la ecuación de la ley de Gauss se convierte en este problema en y resolviendo por E obtenemos o sea el campo disminuye con la primera potencia de r no con la segunda. Esto quizás no debe extrañarnos ya que tenemos una carga mucho más grande que una carga puntiforme.
Para el caso de una linea de longitud L con carga total Q, entonces ? = Q / L y nuestro resultado es correcto sólo para puntos donde r < < L y que quedan lejos de los extremos de la linea.
Ejemplo de aplicación de la ley de Gauss
Una Linea Recta e Infinita de Carga
Lo de infinita es importante porque es lo que nos permite decir que todos los puntos en los lados de nuestra superficie Gaussiana cilíndrica (en amarillo) tienen la misma magnitud de E. En la práctica, por supuesto, no existen lineas infinitas pero el resultado que obtengamos será una buena aproximación al caso de puntos que quedan cerca de una linea de carga finita.
En una situación como esta con un punto y una linea, la única dirección definida por la realidad física es la dirección radial (coordenadas cilíndricas). E tiene que ser en esa dirección.
Nuestra superficie Gaussiana tiene lados y dos tapas. En las tapas E no es constante pero es perpendicular a E así que la integral sobre las tapas es cero y la integral sobre los lados es
Ese resultado es siempre igual para toda simetría cilíndrica.
Aplicación de la Ley de Gauss Simetría Plana
La única dirección especificada por la situación física es la dirección perpendicular al plano. Por tanto, ésta tiene que ser la dirección de E.
Puntos que quedan en planos paralelos están equidistantes al plano y tienen un campo E de la misma magnitud
La superficie Gaussiana que usamos tiene tapas que son dos de esos planos paralelos. El flujo a través de la superficie Gaussiana es cero. Los flujos a través de las dos tapas son iguales.
Aplicación de la Ley de Gauss – Simetría Esférica –
Concha esférica de R .
E tiene dirección radial,
La magnitud de E es constante en la superficie de cualquier superficie esférica concéntrica con la carga. Es obvio que debe tomarse la superficie Gaussiana como esfera.
Por tanto E y da apuntan en la misma direccion y la integral del lado izquierdo de la ley de Gauss resulta:
Para cada situación de simetría esférica lo que cambia es el lado derecho de la ley de Gauss. De hecho, esta es diferente aún para diferentes regiones en una misma situación. Así que resolver uno de estos problemas es determinar cuánta carga hay dentro de la suprerficie gaussiana, qN.
Tomemos el ejemplo de un cascarón esférico de carga q y radio R. (Ver dibujo.) Debemos considerar dos regiones: I) fuera del cascarón y II) dentro del cascarón. Siempre llamamos r a la distancia entre el punto donde queremos calcular E y el centro de simetría. Matemáticamente las regiones se definen como I) r>R y II) r< R. Por supuesto, la esfera Gaussiana tiene radio r.
Para la región I, se toma la esfera Gaussiana S2 . Es obvio que qN = q ya que esa es la carga adentro de la esfera S2 . En esta región la carga se comporta como si fuese puntiforme.
Para la región II, tomamos la esfera Gaussiana S1. Ahora qN = 0 y no hay E dentro de la carga.