Prof : Christian A. Quiroz Ravanal
El sonido 1º Medio
I.
Vibraciones y sonido Los sonidos siempre se originan en un cuerpo que vibra (sólido, líquido o gas) y transmite esta vibración a los objetos con los que está haciendo contacto. Particularmente, si golpeamos la superficie de una mesa, esta vibrará y trasmitirá la vibración al aire y al suelo. Las vibraciones que se transmiten por el aire hacen vibrar nuestros
tímpanos, estos transmiten el movimiento a la cadena de huesecillos, etc., produciendo finalmente la sensación sonora.
Podemos clasificar los objetos que vibran en: cuerdas, láminas y cavidades, aun cuando muchas veces los sonidos que escuchamos provienen simultáneamente de estas tres fuentes.
Según los músicos, las principales características de los sonidos son tres: la
altura, la intensidad y el timbre. Físicamente, la altura (o tono) corresponde a la frecuencia de la vibración; la intensidad es proporcional a su amplitud y el timbre se debe a la forma de la vibración.
La frecuencia la podemos expresar como , o hertz.
Es importante notar que el tiempo que tarda en producirse una vibración completa es lo que denominamos período. Si designamos por T a este tiempo y por f a la frecuencia, entonces . La nota La de un diapasón corresponde a 440 hertz. Nuestros oídos perciben vibraciones comprendidas aproximadamente entre los 16 hertz, que se asocia a sonidos muy graves, hasta los 20.000 hertz, para los sonidos muy agudos. Este intervalo varía de una persona a otra. Se denominan infrasonidos a las vibraciones acústicas que están por debajo de los 16 hertz y ultrasonidos a las que están por encima de los 20.000 hertz. Hay animales que perciben un espectro sonoro más amplio.
La intensidad del sonido está relacionada con la amplitud de la vibración. La unidad en que la expresamos es el decibel (dB). En el cuadro siguiente te mostramos la intensidad en dB de algunos sonidos.
Sonido dB
Umbral de audición (sonido de menor intensidad perceptible) 0
Interior de un teatro vacío 20
Interior de una oficina 40
Conversación frente a frente 70
Orquesta sinfónica 90
Umbral de dolor 130
Avión a chorro 140
El timbre de un sonido es aquello que nos permite distinguir la voz de dos personas que cantan una misma canción o los diferentes instrumentos que emiten una misma nota musical. Por ejemplo, dos sonidos de igual frecuencia, 440 Hz, pero emitidos por un diapasón y una flauta se diferencian por su forma según se ilustra en la figura siguiente:
Hay varios fenómenos del sonido que verificamos a diario. Entre ellos tenemos:
Transmisión del sonido. El sonido se transmite a través de cualquier medio material: aire, agua, petróleo, madera, concreto, acero, etc. y lo hace con distintas velocidades. Así por ejemplo, en el aire, esta rapidez es de unos 340 m/s, independientemente del sonido de que se trate. También es importante tener presente que mientras más denso es el medio, más rápido se propaga el sonido. En efecto, en el agua (a unos 20 °C) lo hace a unos 1500 m/s y en el acero aproximadamente a 5050 m/s. También es importante comprender que en el vacío, como no hay entidad material que pueda vibrar, el sonido no se propaga.
Reflexión y absorción. El sonido se refleja. Un caso por todos conocido es el eco. Esta reflexión se produce cuando el sonido que viaja por el aire llega a un material muy denso. Por ejemplo, una roca o un muro de concreto, los que absorben muy mal el sonido, contrariamente a lo que ocurre cuando éste llega a la tela de una cortina o a un muro tapizado de corcho, materiales que absorben muy bien el sonido.
Pulsaciones. Si en dos guitarras próximas entre sí, una bien afinada y la otra no, haces vibrar la misma cuerda percibirás un sonido especial cuya característica es la de cambiar periódicamente de intensidad. A este fenómeno lo denominamos pulsaciones. También se pueden percibir al hacer sonar dos diapasones ligeramente distintos. Esta es la clave para entender la técnica que emplean los especialistas que afinan instrumentos musicales.
Efecto Doppler. Cuando una fuente emisora de sonido se mueve respecto de nosotros (ambulancia tocando la sirena, automóvil o tren) percibimos una frecuencia más alta (agudo) cuando se aproxima a nosotros y más baja (grave) cuando se aleja. Esto es lo que denominamos efecto Doppler en honor a su descubridor: Christian Doppler (1803 – 1853). El efecto Doppler ocurre con cualquier tipo de onda, inclusive con la luz. De hecho, es gracias a él que los astrónomos pueden medir la velocidad con que se acercan o alejan estrellas y galaxias y es por ello que hoy sabemos que el universo se expande.
Resonancia. Si enfrentas las cavidades de dos guitarras bien afinadas podrás constatar, visual y auditivamente, que al hacer vibrar una cuerda en una de ellas, en la otra empezará a vibrar la cuerda correspondiente.
Este es un ejemplo de lo que denominamos resonancia. Lo interesante desde el punto de vista de la física es que cada objeto posee una frecuencia natural de vibración. Ahora, si un objeto vibra y cerca de él hay otro que posee la misma frecuencia natural, también empezará a vibrar. Es muy posible que esta sea la explicación de varios hechos popularmente conocidos: hay cantantes de ópera que son capaces de romper copas de cristal, los puentes pueden oscilar y caer cuando los soldados marchan sobre ellos, muchos edificios se desmoronan en los terremotos. Un ejemplo espectacular es el de la caída del puente colgante de Tacoma Narrows en Estados Unidos.
Conexión con la biología: A modo de ejercicio, te invitamos a investigar cuáles son las partes principales de nuestro oído y cual es su funcionamiento.
II. Ondas y sonidos
Para muchos, hoy en día, resulta conocido lo que denominamos efecto dominó, porque recuerda a lo que sucede cuando en una serie de fichas alineadas y dispuestas a una distancia adecuada derribamos la primera y observamos que las demás también van cayendo. En este caso, la acción desencadenada viaja desde la primera a la última ficha y, a pesar de que no es la misma situación, el efecto final es similar al que obtendríamos al derribar la última de las fichas disparando una bolita sobre ella.
Lo que sucede es que en ambos casos viaja energía de A hasta B. Ahora bien, la diferencia radica en que en el primer caso no hay masa que se mueva entre estos dos puntos. Cuando ocurre lo de los dominós decimos que estamos en presencia de un fenómeno ondulatorio. Si hay masa que se mueve desde A hasta B, hablaremos de un fenómeno no ondulatorio o corpuscular. Evidentemente el sonido cae en la categoría de fenómeno ondulatorio.
Para entender de mejor forma este fenómeno, es importante analizar lo que ocurre en una cuerda o resorte largo cuando agitamos uno de sus extremos. Una onda viaja aquí a lo largo de la cuerda y resulta obvio que no es materia lo que viaja de un extremo de la cuerda al otro.
En este caso hablaremos de pulso, a diferencia de lo que se produce cuando agitamos regularmente la mano, en que hablaremos de tren de ondas, onda periódica o simplemente onda.
Es importante observar que en estos ejemplos las partículas de la cuerda o resorte oscilan perpendicularmente a la dirección en que viaja la onda. Por esta razón, a este tipo de ondas se las denomina transversales. Por el contrario, si experimentamos con un resorte largo y de espiras separadas podemos mover uno de sus extremos en la misma dirección en que está dispuesto el resorte y lo que se generará es una onda longitudinal.
Los sonidos que oímos corresponden a ondas longitudinales.
En la figura siguiente se ilustra un pulso de forma arbitraria en el que las pequeñas flechas indican cómo se está moviendo, en un instante dado, cada una de las partes del medio por donde viaja la onda.
Una onda periódica posee un período de oscilación (T) una frecuencia (f), una velocidad (V), una amplitud (A) y una longitud de onda (). Estas dos últimas magnitudes se representan en la figura.
La relación que existe entre la frecuencia, la longitud de onda y la velocidad de la onda, para todo tipo de ondas, es V = f.
Reflexión de una onda. ¿Qué pasa cuando un pulso llega al extremo de la cuerda por donde viaja? Como consecuencia de la ley de conservación de la energía, la onda no puede desaparecer, lo que explica muy bien que se refleje, ya que dicha energía no se transfiere como calor a la cuerda o al aire. Esta reflexión depende de si el extremo de la cuerda está fijo o libre.
III. Composición del sonido
Para entender cómo ocurren muchos de los fenómenos acústicos es necesario comprender el principio de superposición, esto es, lo que ocurre cuando se encuentran dos ondas generadas en diferentes lugares. Para referirse a esto se emplea también el término interferencia.
En otras palabras, a diferencia de los objetos, las ondas no chocan. Ellas se superponen o interfieren. Para entender esta idea analicemos el caso que se ilustra en la figura siguiente: ¿Qué ocurre con los pulsos A y B generados en los extremos de una cuerda o de un resorte largo?
Lo primero que hay que entender es que, después de superponerse o interferir, cada onda sigue propagándose igual que antes, como si nada hubiese ocurrido.
Lo que ocurre durante el proceso de superposición o interferencia se explica en la figura siguiente.
Cuando los pulsos son de igual forma pero están invertidos, el principio de superposición nos conduce a las siguientes conclusiones: antes, durante y después de la superposición hay un punto de la cuerda que permanece inmóvil y que equidista de los pulsos que viajan. Este tipo de puntos se denominan nodos o puntos estacionarios.
La cuerda vibrante y las ondas estacionarias
¿Qué ocurre cuando una onda periódica llega al extremo fijo de la cuerda por donde viaja?
Evidentemente se refleja; pero la onda que se refleja interfiere con la incidente y, como ambas poseen la misma forma y están invertidas se originan puntos estacionarios, del modo que se indica en la figura.
Nota que si cada onda posee la longitud de onda y la amplitud A, entonces la distancia entre dos nodos consecutivos es /2 y la amplitud de la onda estacionaria es 2A. Además, el extremo de la cuerda también es un nodo.
Las ondas estacionarias se producen en las cuerdas de los instrumentos musicales y son fáciles de observar en una guitarra.
Cuando los dos extremos de la cuerda están fijos, como en el caso de una guitarra, los nodos naturalmente se ubican en los extremos, razón por la cual la longitud de onda de este modo de vibración es igual al doble de la longitud de la cuerda. Decimos que ésta vibra en su modo fundamental. Pero también la podemos hacer vibrar de otras maneras dando origen a los armónicos. La figura siguiente ilustra el modo fundamental y los primeros armónicos que se pueden producir en una cuerda tensa con los extremos fijos.
La luz
De todos los fenómenos físicos, los relacionados con la luz son posiblemente los más fascinantes e intrigantes. Las preguntas como ¿qué es la luz?, ¿cómo es posible la visión?, ¿qué son los colores?, ¿cómo se forman los arco iris?, etc., han preocupado al ser humano desde siempre y la historia del esfuerzo por responderlas constituye un aspecto central de las ciencias físicas.
I. Propagación de la luz
La rapidez de la luz
Según las referencias históricas, quien primero intentó medir la rapidez de la luz fue Galileo Galilei (1564-1642). Los primeros en lograrlo fueron, en 1675, el astrónomo danés Olaf Römer (1644–1710), en 1849 Hippolyte Fizeau (1819–1896) y en 1880 el físico estadounidense Albert Michelson (1852-1931). Hoy se define la rapidez de la luz, en el vacío, como 299.792.456 m/s y se la designa con la letra “c”. Para efectos de cálculo, emplearemos la aproximación c = 3 x 108 m/s.
La reflexión de la luz y los espejos
La luz se refleja prácticamente en todas las superficies a las que llega. Gracias a esta reflexión podemos ver la mayoría de las cosas que nos rodean: los árboles, las montañas, los muebles y las personas. Sin embargo, no todos los objetos reflejan la luz de la misma forma. Algunos la reflejan más ordenadamente que otros, dependiendo de lo lisos o rugosos que sean. En la figura siguiente, el caso (a) ilustra la reflexión especular y (b) la reflexión difusa.
La superficie de los metales puede pulirse para que se comporten como espejos. De hecho, en los espejos domésticos, el espejo propiamente tal es una delgada película de plata.
La ley de reflexión establece que los ángulos de incidencia ( i) y de reflexión ( r), medidos en relación con una recta perpendicular a la superficie del espejo (normal), son siempre iguales; es decir: i = r
Imágenes en espejos planos
En la figura se ilustra la formación en un espejo plano de la imagen (I) de un objeto (O). Este tipo de imagen se denomina virtual, en contraposición a las que se forman, por ejemplo, en un telón al proyectar una diapositiva, las que denominaremos reales, por estar conformadas por luz. Otras características de estas imágenes: a) la distancia ente el objeto O y el espejo, es igual a la distancia entre la imagen I y el espejo; b) el tamaño de la imagen es igual al tamaño del objeto y c) la posición de la imagen es derecha en relación con el objeto, es decir, si la cabeza de la persona está arriba, la cabeza de la imagen también está arriba.
Imágenes en espejos curvos
El tipo de espejo curvo más importante es el parabólico. Esta es la forma que apreciamos en muchas antenas de radio, televisión, radiotelescopios. Estos espejos pueden ser cóncavos o convexos. En ellos hay que reconocer un eje óptico, un vértice (V) y un foco (F), los cuales se ilustran en los esquemas siguientes. Si a cualquiera de estos espejos se envía un conjunto de rayos de luz paralelos al eje óptico podemos observar que, en el espejo cóncavo (figura a), por una parte, los rayos se reflejan de modo que convergen en un punto, el cual corresponde a un foco real (F); por la otra parte, en el convexo (figura b), estos rayos divergen como si procedieran de un punto que está detrás del espejo. Sabemos que a través de este no pasan los rayos de luz y por esta razón es que denominamos a tal punto foco virtual (F). La distancia entre el vértice y el foco es la distancia focal y la designaremos con f.
Las figuras siguientes ilustran el trazado de rayos que explica la formación de las imágenes en dos casos particulares. ¿Qué pasa con la imagen de la flecha si el objeto se aproxima al espejo?
La refracción y las lentes
Refracció n en superficies planas
Por refracción entenderemos el paso de un rayo de luz de un medio a otro. Por ejemplo, cuando ella pasa a través del vidrio de una ventana, se produce una refracción en ambas caras del vidrio. Primero cuando pasa del aire al vidrio y, después, cuando pasa del vidrio al aire. La refracción generalmente va acompañada de un cambio en la rapidez de la luz y de la dirección en que se propaga.
La figura ilustra, en una primera aproximación, este fenómeno para el caso en que el límite de separación entre los medios sea una superficie plana. En relación a la normal a esta superficie, en el punto en que incide un rayo de luz, tiene sentido hablar de ángulo de incidencia ( i) y de refracción ( r). Notemos que estos ángulos no son iguales, excepto cuando i = 0, en que r = 0.
Esta es la razón por la que un lápiz introducido en un vaso con agua se observa como si estuviese quebrado, y por la que al estar depositado en el fondo de un recipiente con agua lo vemos más arriba de su posición real.
Un hecho curioso que se desprende del análisis de la figura anterior es que, cuando miramos a través del vidrio de una ventana, los objetos que vemos no están exactamente allí donde los vemos. Lo mismo ocurre con los astros. Tampoco su luz procede exactamente de donde parece venir, pues, como lo ilustra la figura siguiente, la luz de una estrella se refracta al ingresar a la atmósfera terrestre.
Las lentes
Hay distintos tipos de lentes según lo indican los cortes que se ilustra en la figura. Aquellas que poseen mayor espesor en el centro que en los bordes se denominan convergentes y divergentes aquellas en que ocurre al revés.
La figura siguiente muestra la diferencia fundamental entre estos dos tipos de lentes.
El trazado de rayos que hay que hacer para explicar las imágenes que forman estas lentes es análoga a la que se hizo para el caso de los espejos curvos.
La ó ptica del ojo
El cristalino corresponde a una lente convergente y se encarga de formar en la retina una imagen real e invertida de todas las cosas que miramos. Es importante darse cuenta de que podemos ver cosas distantes y cercanas. Esto significa que, para que la imagen quede correctamente enfocada, el cristalino debe cambiar su distancia focal, lo que consigue cambiando su curvatura.
Al ojo lo afectan muchas enfermedades, pero las más frecuentes consisten en la dificultad para enfocar correctamente las imágenes en la retina. Dos casos importantes (miopía e hipermetropía), así como su corrección por medio de lentes se explican en la figura.
II. Naturaleza de la luz
Los colores
¿Qué son los colores? ¿Cuántos existen? ¿Son una característica de los objetos o depende del color de la luz con que se los ilumine? Aquí trataremos de responder preguntas como estas.
Fue Newton quien descubrió que, al hacer girar rápidamente un disco pintado con diferentes colores, se veía blanco. Tú puedes hacer el experimento. El disco de Newton nos prueba que el blanco no es un color, pues corresponde a la sensación visual que se produce cuando se superponen muchos colores distintos.
Lo mismo se puede comprobar si haces incidir sobre una cartulina blanca la luz de tres focos verde, rojo y azul, según se muestra en la figura siguiente. La zona donde llegan los tres colores se ve blanca.
El negro tampoco es un color, corresponde a la ausencia de luz.
Los colores que percibimos en los objetos dependen tanto de la naturaleza de estos como del color de la luz con que se los ilumina. El color con que vemos los objetos, al iluminarlos con luz blanca, corresponde al color que más reflejan. Por lo tanto, si vemos un objeto negro, se debe a que absorbe todos los colores; uno blanco, en cambio, los refleja todos y, uno verde, los absorbe todos menos el verde que refleja.
La dispersión cromática
En la refracción, la luz blanca se separa en diferentes colores. Este fenómeno se denomina dispersión cromática. El efecto es pequeño, pero puede ser amplificado por medio de un prisma triangular, tal como lo hiciera Isaac Newton, a quien se atribuye su descubrimiento. Nótese el orden en que se distribuyen los colores, puesto que el conjunto de estos obtenido así se denomina espectro óptico.
Donde la dispersión cromática se muestra en todo su esplendor y belleza es en los arco iris. La luz del sol se dispersa en las gotas de lluvia, que actúan como pequeños prismas a la vez que la reflejan, por reflexión total interna, del modo que se ilustra en la figura.
En un día de sol, en un jardín, puedes producir arco iris artificiales y estudiar desde qué ángulos, en relación al sol, se pueden observar.
Espectroscopia
Uno de los descubrimientos más importantes y sorprendentes de la física se lo debemos a Joseph Fraunhofer (1787–1826). Él miró con mucho aumento la luz dispersada por un prisma y descubrió que el espectro no era continuo. El instrumento que construyó se denomina espectroscopio de prisma y se ilustra en la figura. La parte inferior de la figura da una idea de lo que Fraunhofer vio al examinar el espectro del Sol. Pudo distinguir más de 500 líneas oscuras, denominadas líneas de absorción. También observó con su instrumento otras fuentes de luz emitidas por diversas lámparas y encontró líneas diferentes.
El análisis de estas líneas permite determinar los elementos químicos presentes en el cuerpo que emite luz, su abundancia relativa, la temperatura que poseen y muchas otras cosas.
Por otra parte, debido al efecto Doppler –que también ocurre para la luz–, estas líneas espectrales se encuentran desplazadas hacia el extremo rojo del espectro cuando una estrella o galaxia se aleja de nosotros y, hacia el azul, cuando se aproxima.
Difracción
Este es otro fenómeno con que nos sorprende la luz. Para ponerlo en evidencia basta mirar una fuente de luz a través de un pequeño orificio o ranura.
Si dispones de un puntero láser puedes hacer el experimento que se describe en la figura anterior. Como puedes ver, la luz se comporta en este caso de un modo similar al sonido. La difracción del sonido nos resulta bastante natural, pero en la luz es sorprendente.
Interferencia
¿Sabías que un sonido más otro puede, en algunos casos, producir silencio? Esto sucede cuando dos ondas de sonido se superponen destructivamente, igual como se observa en las zonas nodales de una cuerda en vibración. ¿Será posible que, en algún caso, luz más luz dé oscuridad? La respuesta es afirmativa.
Thomas Young (1773-1829) lo demostró en 1803, en un famoso experimento. Éste consistió en hacer llegar simultáneamente un haz de luz a dos rendijas muy delgadas y muy cercanas, según se ilustra en el esquema anterior.
Modelos sobre la luz
Isaac Newton desarrolló en su obra Opticks (1704) una teoría que explica los fenómenos de la luz, suponiendo que está constituida por minúsculas partículas que, como verdaderos proyectiles, viajan con gran rapidez y en línea recta. Si bien este modelo es bastante coherente, encuentra algunas dificultades para explicar algunos fenómenos, particularmente la interferencia. Por estas razones, actualmente ha renacido un modelo ondulatorio para la luz, que había sido propuesto por el gran físico, matemático y astrónomo holandés Cristian Huygens (1629–1695). El resto de la historia de lo que se ha pensado sobre la luz lo veremos en otros módulos.
La electricidad
Esta unidad se divide en dos capítulos estrechamente vinculados: “Carga y corriente eléctrica” y “Magnetismo y fuerza magnética”
I. Carga y corriente eléctrica
El impacto cultural de la electricidad. Pensemos en los artefactos eléctricos y electrónicos con que interactuamos a diario. Pensemos también cómo funcionan hoy las industrias, los medios de comunicación y los de transporte. Toda nuestra civilización depende de la electricidad. Hace poco más de cien años nada de lo descrito existía y la vida de las personas era muy distinta.
La “luz eléctrica”, la radio, la televisión, etc. son invenciones del ser humano, pero la esencia en base a la cual funcionan, la electricidad, ha existido desde el origen del universo. La electricidad, como veremos, está en la materia y lo que hacemos es solo utilizarla.
Qué entender por electricidad. Ella es una propiedad general de la materia. Los objetos están constituidos por átomos que poseen cargas eléctricas. Los átomos se encuentran normalmente en estado neutro, o sea, tienen igual cantidad de cargas eléctricas positivas (+) o protones, y negativas (–) o electrones. Ahora bien, distintas circunstancias permiten modificar este equilibrio. Cuando ello ocurre decimos que los cuerpos están electrizados y adquieren la capacidad de ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros cuerpos.
Conductores y aisladores
Entre los materiales que nos rodean algunos son mejores conductores que otros. En situaciones ordinarias ellos pueden ordenarse del modo que se ilustra en la figura siguiente: desde aisladores (o malos conductores) hasta muy buenos conductores, pasando por un grupo de materiales denominados semiconductores.
Algunos materiales, considerados tradicionalmente aisladores, pueden no serlo tanto. Un caso emblemático es el del agua. Si por agua entendemos la que sale de las llaves, la de ríos y mares, entonces estamos en presencia de un muy buen conductor eléctrico, pero ello es debido a las sales minerales que posee, pues destilada o pura es muy mala conductora. Lo mismo ocurre con el aire que respiramos. Normalmente, cuando se trata de instalaciones eléctricas, el aire es un muy buen aislador, pero en ciertas circunstancias se hace conductor. Esto es lo que sucede cuando se produce una chispa eléctrica o un rayo en una tormenta, que no es otra cosa que una gran chispa.
Interacciones eléctricas
Los cuerpos que poseen cargas del mismo signo se repelen, los que poseen cargas de signos opuestos se atraen y, los cuerpos electrizados (con cualquier signo) se atraen con los eléctricamente neutros. Esto último es válido para objetos y no para partículas subatómicas. Los protones y electrones no interactúan eléctricamente con los neutrones.
Los métodos de electrización y algo más sobre la electricidad
Existen varias formas de electrizar un cuerpo. Aquí veremos dos:
1) Electrización por frotación: al frotar dos cuerpos de distinto material, estos se traspasan cargas eléctricas (electrones) del uno al otro.
En la antigua Grecia observaban este fenómeno al frotar con pieles una resina de color ámbar que llamaban elektron. Hay muchas situaciones de la vida diaria en que observamos electrización producida por frotación. ¿Qué ejemplos conoces tú?
Una convención importante. Al frotar VIDRIO con SEDA (inicialmente neutros), se define la electricidad que adquiere el vidrio como POSITIVA y, la que adquiere la seda como NEGATIVA. Como consecuencia de esta definición arbitraria, el electrón es eléctricamente negativo y el protón positivo.
2) Electrización por contacto: si un cuerpo conductor es electrizado, las cargas se repelen entre sí, distribuyéndose en la periferia del cuerpo. Si A y B son dos cuerpos conductores, A electrizado y B neutro, al ponerlos en contacto y luego separarlos, ambos quedan electrizados con cargas del mismo signo, según se indica en la figura siguiente.
La conexión a tierra. Si el cuerpo B es muy grande en relación al tamaño de A, al hacer contacto éste queda neutro y B, el grande, lo denominamos TIERRA y se simboliza así:
El borne central de los enchufes de la red eléctrica domiciliaria es una conexión local a tierra. Dispositivos con caja exterior metálica, como lavadoras, refrigeradores, planchas, etc., deben tener dicha caja conectada a tierra, por razones de seguridad.
El pararrayos, inventado por Benjamín Franklin, es básicamente una conexión a tierra cuya finalidad es proteger los edificios durante las tormentas eléctricas. Se trata de un conductor en que un extremo se encuentra enterrado en el suelo y el otro por encima de la construcción.
Las unidades importantes en electricidad
En el Sistema Internacional (SI) de unidades, se utiliza el metro (m) como unidad de longitud, el kilogramo (kg) como unidad de masa y el segundo (s) como unidad de tiempo, aunque hay otras importante unidades que debes conocer. Ellas son, el newton (N) para la fuerza, el joule (J) para la energía y el watt (W) para la potencia. La unidad de carga eléctrica es el coulomb (C), en honor a Charles Agustín Coulomb, notable físico francés que abordó el estudio de la electricidad desde el punto de vista cuantitativo. Un cuerpo posee una carga de 1 coulomb (1 C) cuando se encuentra en un medio vacío y a 1 metro de distancia de otra idéntica, y ambas se repelen con una fuerza de 9 x 109 newton.
El electrón. Hasta donde sabemos, ésta es una partícula elemental que forma parte de todos los átomos. Podríamos decir que los electrones lo rodean como una especie de nube. El electrón desempeña un papel central en el apasionante tema que nos ocupa. En efecto, el electrón es el responsable de la corriente eléctrica con que funcionan radios, televisores, etc. Se trata de una partícula muy pequeña que posee una masa de apenas 9,1 x 10-31 kg y una carga eléctrica de 1,6 x 10-19 C. En otras palabras, un cuerpo que posea una carga negativa de 1 C debe tener un exceso de 6,25 x 1018 electrones.
Fuentes de potencial eléctrico o voltaje
Existe una serie de dispositivos (pilas eléctricas, baterías, dínamos, celdas solares, las conexiones de la red eléctrica domiciliaria, etc.) que proporcionan una diferencia de potencial eléctrico o voltaje y que suministran energía eléctrica. La unidad en que se mide el voltaje en el SI es el volt, en honor a Alejandro Volta, inventor de la pila eléctrica.
En las pilas, el voltaje que se proporciona entre sus contactos es normalmente de 1,5 volts, en una batería (o conjunto de pilas) pueden ser 9 volts, 12 volts, etc., y, en Chile, en los enchufes de la red eléctrica, 220 volts.
Representaremos estas fuentes de voltaje con los símbolos que se indican en el cuadro anterior.
La otra diferencia entre estos dispositivos es que algunos de ellos proporcionan un voltaje estable en el tiempo (pilas y baterías) y otros un voltaje que varía con cierta frecuencia. El primer caso corresponde a los que generan corriente continua (CC), y el segundo a los de corriente alterna (CA).
Pero, ¿qué significa, por ejemplo, que entre los contactos de una batería exista un voltaje de 12 volts? Esto se puede comprender de dos maneras:
1) Si conectamos un artefacto a dicha batería, por ejemplo una ampolleta, la batería entregará una energía (E) de 12 joule por cada coulomb de carga (q) que pase por la ampolleta.
2) El fabricante de la batería debió almacenar en ella una energía de 12 joules por cada coulomb de carga que trasladó entre sus contactos. Esto puede expresarse así: o bien, si se simboliza el voltaje con V, .
Corriente eléctrica
Cuando entre dos puntos de un conductor se aplica un voltaje, entonces en dicho conductor se establece una corriente eléctrica. En los sólidos, los responsables de esta corriente son los electrones libres.
La figura siguiente ilustra un alambre de cobre entre cuyos extremos se ha establecido un voltaje V. Como en el cobre hay una gran cantidad de electrones libres, aceleran en el sentido de – a +, estableciéndose en el alambre una corriente eléctrica. Por convenio se define el sentido de la corriente eléctrica de + a –.
Un modo de comprender la corriente eléctrica es hacer un paralelismo con el movimiento del agua que fluye de un recipiente a otro a través de una cañería. Las cargas eléctricas corresponden al agua y la diferencia de potencial eléctrico (o voltaje) al desnivel entre los recipientes. Cuando disminuye el desnivel, el flujo de agua decrece hasta detenerse por completo cuando el agua ocupa el mismo nivel en ambos recipientes.
Intensidad de corriente eléctrica
Se define la intensidad de corriente eléctrica (i) como la razón entre la cantidad de carga (q) que atraviesa una sección del conductor y el tiempo (t) que ella tarda en atravesarlo; es decir: . Su unidad en el SI será o , la cual se denomina ampere (A) en honor del físico André Ampére.
Este concepto es comparable al de intensidad de tráfico (iT), aplicable a las calles. En efecto, si , entonces al pasar 100 automóviles por una calle en 2 horas, la intensidad de tráfico en ella será de 50 . De forma análoga, que una corriente eléctrica en un conductor sea, por ejemplo, de 10 amperes, significa que por su sección pasan 10 coulomb por cada segundo.
Instrumentos para realizar medidas eléctricas
Dos son los más importantes: el voltímetro mide directamente el voltaje que se le aplica. El amperímetro mide la intensidad de corriente eléctrica que pasa por él. Si bien su aspecto y símbolo son similares al de un voltímetro, se emplea de un modo muy distinto: debe intercalarse en el circuito en que se quiere medir la corriente y el dispositivo debe estar funcionando.
En ambos instrumentos, si se trata de CC, hay que respetar la polaridad, y asegurarse que la corriente no sea mayor que su escala de medición.
La resistencia eléctrica y la ley de Ohm
Como ya lo hemos mencionado, existen materiales que resultan mejores conductores de la electricidad que otros. Esta propiedad se cuantifica a través de los conceptos de resistencia eléctrica (R) y resistividad (r).
Considera el experimento que se ilustra en la figura siguiente. Por medio de pilas se hace circular una corriente por un trozo de grafito obtenido de un lápiz a mina. Con un amperímetro se mide la intensidad de corriente que se produce con una, dos, tres,... n pilas conectadas en serie.
Las mediciones experimentales poseen siempre una incerteza que se especifica después del signo ± y que en el gráfico corresponde a un rectángulo. Lo más importante es notar que por estos rectángulos se puede trazar una recta que pasa por el origen. Esto significa que, con bastante seguridad, las dos magnitudes medidas son directamente proporcionales y, por lo tanto, podemos escribir: Constante.
Esta expresión se denomina ley de Ohm. Los conductores en que esto se cumple se dice que son ohmmicos y la constante se denomina resistencia eléctrica y se designa con la letra R, razón por la cual la ley de Ohm suele expresarse así: .
En el sistema internacional de unidades (SI) V se mide en volts, e i en amperes, por lo tanto la resistencia eléctrica R resulta expresada en , unidad que se denomina Ohm y que se simboliza con la letra griega omega mayúscula ().
¿Aproximadamente qué resistencia eléctrica posee, entre sus extremos, el grafito empleado en el experimento antes descrito?
Los dispositivos eléctricos y electrónicos son conductores que poseen una determinada resistencia eléctrica. A todos ellos los representaremos con uno de los dos símbolos que se indican en la figura siguiente.
¿De qué depende la resistencia eléctrica de un conductor? ¡Cuidado! No depende de V ni de i como parece indicarlo la expresión de la ley de Ohm. En realidad depende de factores como los siguientes:
1) De la geometría del conductor; es decir, de su forma en relación a los puntos en que se aplica el voltaje. Para un conductor cilíndrico de largo L y sección transversal de área A, la resistencia R resulta: .
2) Del material. La constante de proporcionalidad r que aparece en la relación anterior refleja bien esta dependencia; pues es una característica de cada material. Se la denomina resistividad. Su unidad en el SI es: ohm x metro = m. En la tabla siguiente se dan valores aproximados de la resistividad de algunos materiales, cuando están a 20°C.
Material Resistividad
()
m
Plata 1,59 x 10–8
Cobre 1,7 x 10–8
Oro 2,44 x 10–8
Aluminio 2,82 x 10–8
Tungsteno 5,6 x 10–8
Carbón 3,5 x 10–5
Germanio 0,46
Silicio 640
Vidrio 1012
Caucho (goma) 75 x 1016
3) De la temperatura a que se encuentre el material.
La ampolleta
Este extraordinario invento de Thomas Alva Edison que cambió la vida nocturna de la humanidad, a pesar de su simpleza, merece un poco de atención. Encerrado herméticamente en un bulbo de vidrio se halla un fino filamento de tungsteno (o volframio). Al circular corriente por él, debido al aumento de temperatura que experimenta, emite luz por incandescencia y no se quema porque dentro del bulbo no hay oxígeno.
El fusible
El propósito general de los fusibles, que se encuentran en una gran variedad de formas y tamaños, es proteger los circuitos eléctricos de corrientes eléctricas que los puedan dañar. Básicamente es un conductor cuyo material y dimensiones están calculados para que se quemen, abriendo así el circuito e interrumpiendo el paso de la corriente, cuando ella sobrepasa cierta cantidad de amperes.
Circuitos eléctricos
El circuito simple: Un ejemplo es el que se ilustra en la figura. Se ha representado también pero por medio de símbolos.
El circuito en serie: Los elementos (R1, R2, etc.) se disponen del modo que se indica en el segundo diagrama: uno a continuación del otro. Este circuito se caracteriza porque, a través de todos los elementos, circula la misma intensidad de corriente. Un buen ejemplo de este tipo de circuito es el de las guirnaldas navideñas simples. Si deja de circular corriente por una ampolleta, se apagan todas.
El circuito en paralelo: En este circuito eléctrico los elementos (R1, R2, etc.) se disponen como se muestra en la tercera figura. Este tipo de circuito se caracteriza porque todos sus elementos están conectados al mismo voltaje. Un ejemplo importante de este tipo de circuito es el de las instalaciones eléctricas domiciliarias. A todos los artefactos y enchufes llega el mismo voltaje de 220 volts.
El circuito mixto: Es el circuito en que algunas partes están conectadas en serie y otras en paralelo.
II. Magnetismo y fuerza magnética
Magnetismo natural. El fenómeno magnético, al igual que el eléctrico, está estrechamente ligado a los átomos y es también una propiedad general de la materia. Veremos, a continuación, las características de este fascinante fenómeno.
El magnetismo fue conocido en la Grecia antigua, gracias a la piedra imán o magnetita, que es un complejo óxido de hierro. La figura ilustra el aspecto de la magnetita y sus polos magnéticos.
Así se denominan las zonas que atraen con mayor fuerza a otros materiales magnéticos. Estos polos pueden ser varios, pero como mínimo se observan dos. De aquí en adelante, a este tipo de materiales magnéticos los denominaremos imanes y estudiaremos los más simples: aquellos que presentan solo dos polos.
La experiencia cotidiana nos muestra que los imanes atraen solamente a ciertos materiales, particularmente a los que contienen hierro y no al papel, la madera, aluminio, bronce, vidrio, etc.
Quizá la característica más sorprendente de los imanes es que se orientan geográficamente según se muestra en la figura. Se trata del principio de la brújula. Por lo tanto, llamaremos polo norte del imán al que apunta hacia el norte geográfico y polo sur del imán al que apunta hacia el sur.
Si pones durante unos minutos junto a un imán un trozo de acero, que inicialmente no manifiesta propiedades magnéticas (una aguja de coser, una tijera), podrás verificar que él se convertirá también en un imán.
Interacción entre imanes y el magnetismo terrestre
Si colgamos dos imanes con sus polos debidamente marcadas, veremos que los polos del mismo nombre se repelen y los de distinto se atraen. Si consideramos la brújula, entonces debemos concluir que nuestro planeta Tierra es un gran imán que, en su polo norte geográfico posee un polo sur magnético y en el polo sur geográfico un polo norte magnético.
Otras propiedades de los imanes
¿Cómo se logra que un imán pierda sus propiedades magnéticas? Hay básicamente dos maneras: una es golpeándolo y otra calentándolo.
¿Qué ocurre si cortamos un imán por la mitad o de alguna otra manera? Si hacemos los cortes sin elevar demasiado su temperatura, lo que obtenemos son nuevos imanes completos; es decir, es imposible obtener un polo aislado.
Imanes permanentes y momentáneos
Al magnetizar un trozo de acero éste conserva sus propiedades magnéticas por mucho tiempo. Posiblemente, por cientos de años, será un imán permanente. Sin embargo, otros materiales, como el hierro dulce, manifiestan propiedades magnéticas solo mientras se encuentran en las proximidades de un imán.
Modelo magnético de la materia
Para comprender los fenómenos magnéticos cotidianos es de gran utilidad un modelo simple. Éste supone que la materia está conformada por minúsculos imanes. Los átomos deben ser imanes. La diferencia entre un material que se comporta como imán se debería a que tales imanes atómicos están ordenados. La figura siguiente ilustra esta idea.
Mientras que en los imanes permanentes este orden se conserva, en los imanes momentáneos se produce solo cuando un imán próximo los ordena. Esto permite explicar por qué, al cortar un imán, se obtienen nuevos imanes y por qué, al golpearlo o calentarlo, estos pierden sus propiedades magnéticas.
¿Se enfriará un material en presencia de un imán?
Visualizando el campo magnético
Con el término campo magnético expresamos la idea de que el espacio que rodea a un imán tiene propiedades magnéticas. Este campo se puede visualizar en algunos experimentos sencillos. Si exploramos el espacio que rodea a un imán con una pequeña aguja magnética que pueda rotar libremente, veremos que en cada punto la aguja adquiere una dirección específica. Diremos que la dirección que señala el norte de este imán de prueba es la del campo magnético en cada punto, que anotaremos con la letra B.
Efectos magnéticos de la corriente eléctrica (experimento de Oersted)
Hans. C. Oersted descubrió que alrededor de un conductor que porta corriente se origina un campo magnético. Una manera simple de reproducirlo se ilustra en la figura siguiente.
A continuación se muestra la orientación que adopta la aguja de la brújula cuando por el conductor: a) no circula corriente, b) cuando circula hacia el sur y c) cuando circula hacia el norte.
El campo magnético producido alrededor de un conductor que porta corriente también puede visualizarse empleando limaduras de hierro.
El electroimán. Como muestra la figura siguiente, si alrededor de un clavo enrollamos algunos metros de alambre recubierto de aislante, al hacer circular corriente eléctrica por él observaremos que se convierte en un imán. Esto es lo que se conoce con el nombre de electroimán y posee numerosas aplicaciones prácticas.
Fuerza magnética sobre cargas eléctricas en movimiento
Otra relación notable entre magnetismo y corriente eléctrica consiste, como lo indica la segunda figura, en la aparición de una fuerza sobre un conductor que porta corriente cuando está inmerso en un campo magnético. Si haces el experimento verás cómo el cable flexible oscila como un columpio al conectar y desconectar la batería.
Este es el principio bajo el cual funciona el motor eléctrico.
