jueves, 31 de mayo de 2012

Lectura 24: Electroimanes

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica a través de una bobina. Si dentro de la bobina hay un núcleo de hierro, el campo magnético será notablemente reforzado.

Los electroimanes han reemplazado en la mayoría de las aplicaciones a los imanes naturales y artificiales por las siguientes razones:

Los imanes naturales y artificiales tienen campos magnéticos reducidos, constantes e incontrolables mientras que los electroimanes pueden generar campos magnéticos muy grandes, estos campos se pueden variar al cambiar las características de las bobinas o al cambiar la intensidad de la corriente que fluye por ellas y son controlables al suspender o activar dicha corriente.

Aplicaciones:

Para entender las aplicaciones de los electroimanes es necesario recodar dos características del electromagnetismo:

  1. Un campo magnético es capaz de generar una corriente eléctrica. Este fenómeno es visible, cuando un dinamo enciende las luces de una bicicleta o cuando el alternador del carro recarga la batería.
  2. Una corriente eléctrica es capaz de generar un campo magnético. Esta característica es notoria cuando se conecta un motor: la corriente genera el campo magnético que hace girar el rotor.

La principal aplicación de la primera característica está relacionada con la generación de corriente eléctrica. Una forma de energía mecánica obtenida bien sea del agua, del viento o del vapor de agua, se usa para mover un imán dentro de una bobina. Dicho movimiento genera una corriente eléctrica que se transporta y almacena generalmente en otras bobinas (transformadores) para ser utilizada posteriormente.

Las aplicaciones de la segunda característica son múltiples. Los motores, los timbres y los relevadores o relés, están entre los más notables. Los relés, por ejemplo, se usan como válvulas electrónicas para abrir y cerrar puertas, llaves de agua en las lavadoras, controlar circuitos eléctricos y electrónicos, como interruptores automáticos y como temporizadores, entre otras funciones.

Ejemplo de una aplicación: El timbre.

Para estudiar el modo como funciona, veamos de qué se compone, según lo ilustra el esquema. En el centro tenemos un electroimán con su bobina, la cual está alimentada con dos pilas en serie, el martillo, la campanilla y un pulsador.

Funcionamiento:

Para que un circuito eléctrico funcione, este debe estar cerrado, de manera que la corriente salga de las pilas, recorra los elementos del circuito y regrese a las pilas.

En su posición normal, el martillo está en contacto con el tornillo. Al oprimir el pulsador, el circuito se cierra y la corriente circula por la bobina. Entonces el electroimán se activa y atrae el martillo, el cual golpea la campanilla. Pero al mismo tiempo, el martillo se separa del tornillo abriendo el circuito, con lo cual el electroimán se desactiva y el martillo vuelve a su posición inicial. Si se mantiene oprimido el pulsador, el ciclo se reiniciará haciendo que el martillo golpee una y otra vez generando así, el sonido propio del timbre.

Términos clave:

  • Alternador: generador de corriente alterna
  • Bobina: componente electrónico constituido por un alambre de cobre esmaltado enrollado a manera de espiral sobre un núcleo que puede ser de hierro.
  • Campo magnético: representa una región del espacio en la que una carga eléctrica se desplaza a cierta velocidad, bajo el efecto de una fuerza.
  • Dinamo: pequeño generador eléctrico que transforma energía mecánica en electricidad.
  • Pulsador: Elemento que permite el paso o interrupción de la corriente mientras se mantiene accionado.
  • Relé o relevador: es un dispositivo electromecánico que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico y que acciona uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.
  • Transformador: Se denomina transformador a un componente eléctrico, formado por dos o más bobinas, que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.

Taller de lectura 24

  1. ¿Qué es un electroimán?
  2. Escriba las razones por las cuales los electroimanes han reemplazado a los imanes naturales y artificiales en la mayoría de las aplicaciones
  3. Escriba las dos características del electromagnetismo
  4. Describa la manera como se genera la corriente eléctrica
  5. Dé 3 ejemplos de las aplicaciones de la segunda característica del electromagnetismo
  6. Escriba 5 ejemplos de uso de los relés o relevadores
  7. Escriba los 6 componentes del timbre representado en el esquema
  8. Escriba la descripción de la manera como funciona un timbre
  9. Dibuje el esquema del timbre con sus componentes
  10. Escriba el significado de los 7 términos definidos en la lectura

miércoles, 30 de mayo de 2012

Lectura 23. Magnetismo

Desde el siglo VI a. C. ya se conocía que el óxido ferroso-férrico, al que los antiguos llamaron magnetita, poseía la propiedad de atraer partículas de hierro. Hoy en día la magnetita se conoce como imán natural y a la propiedad que tiene de atraer los metales se le denomina “magnetismo”.

Los chinos fueron los primeros en descubrir que cuando se le permitía a un trozo de magnetita girar libremente, ésta señalaba siempre a una misma dirección; sin embargo, hasta mucho tiempo después esa característica no se aprovechó como medio de orientación. Los primeros que le dieron uso práctico a la magnetita en función de brújula para orientarse durante la navegación fueron los árabes.

Como todos sabemos, la Tierra constituye un gigantesco imán natural; por tanto, la magnetita o cualquier otro tipo de imán o elemento magnético que gire libremente sobre un plano paralelo a su superficie, tal como lo hace una brújula, apuntará siempre al polo norte magnético. Como aclaración hay que diferenciar el polo norte magnético de la Tierra del Polo Norte geográfico. El Polo Norte geográfico es el punto donde coinciden todos los meridianos que dividen la Tierra, al igual que ocurre con el Polo Sur.

Sin embargo, el polo norte magnético se encuentra situado a 1 200 kilómetros de distancia del norte geográfico, en las coordenadas 78º 50´ N (latitud Norte) y 104º 40´ W (longitud Oeste), aproximadamente sobre la isla Amund Ringness, lugar hacia donde apunta siempre la aguja de la brújula y no hacia el norte geográfico, como algunas personas erróneamente creen.

IMANES PERMANENTES

Cualquier tipo de imán, ya sea natural o artificial, posee dos polos perfectamente diferenciados: uno denominado polo norte y el otro denominado polo sur.

Las características principales que distinguen a los imanes son la fuerza de atracción o repulsión que ejercen sobre otros imanes y sobre algunos metales, y las líneas de fuerza que se forman entre sus polos.

Cuando enfrentamos dos o más imanes independientes y acercamos cada uno de ellos por sus extremos, si los polos que se enfrentan tienen diferente polaridad se atraen (por ejemplo, polo norte con polo sur), pero si las polaridades son las mismas (polo norte con norte, o polo sur con sur), se rechazan.

Cuando aproximamos los polos de dos imanes, de inmediato se establecen un determinado número de líneas de fuerza magnéticas de atracción o de repulsión, que actúan directamente sobre los polos enfrentados.

Las líneas de fuerza de atracción o repulsión que se establecen entre esos polos son invisibles, pero su existencia se puede comprobar visualmente si espolvoreamos limallas de hierro sobre un papel o cartulina y la colocamos encima de uno o más imanes.

INDUCCIÓN MAGNÉTICA

Si cogemos un alambre de cobre o conductor de cobre, ya sea con forro aislante o sin éste, y lo movemos de un lado a otro entre los polos diferentes de dos imanes, de forma tal que atraviese y corte sus líneas de fuerza magnéticas, en dicho alambre se generará por inducción una pequeña fuerza electromotriz (FEM), que es posible medir con un galvanómetro, instrumento semejante a un voltímetro, que se utiliza para detectar pequeñas tensiones o voltajes.

Este fenómeno físico, conocido como "inducción magnética" se origina cuando el conductor corta las líneas de fuerza magnéticas del imán, lo que provoca que las cargas eléctricas contenidas en el metal del alambre de cobre (que hasta ese momento se encontraban en reposo), se pongan en movimiento creando un flujo de corriente eléctrica. Es preciso aclarar que el fenómeno de inducción magnética sólo se produce cada vez que movemos el conductor a través de las líneas de fuerza magnética. Sin embargo, si mantenemos sin mover el alambre dentro del campo magnético procedente de los polos de los dos imanes, no se inducirá corriente alguna.

En esa propiedad de inducir corriente eléctrica cuando se mueve un conductor dentro de un campo magnético, se basa el principio de funcionamiento de los generadores de corriente eléctrica.

Ahora bien, si en vez de moverlo colocáramos el mismo conductor de cobre dentro del campo magnético de los dos imanes y aplicamos una diferencia de potencial, tensión o voltaje en sus extremos, como una batería, por ejemplo, el campo magnético que produce la corriente eléctrica alrededor del conductor al circular a través del mismo, provocará que las líneas de fuerza o campo magnético de los imanes lo rechacen. De esa forma el conductor se moverá hacia un lado o hacia otro, en dependencia del sentido de circulación que tenga la corriente, provocando que rechace el campo magnético y trate de alejarse de su influencia.

El campo magnético que se crea alrededor del alambre de cobre o conductor cuando fluye la corriente eléctrica, hace que éste se comporte también como si fuera un imán y en esa propiedad se basa el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.

En la actualidad la magnetita no se emplea como imán, pues se pueden fabricar imanes permanentes artificiales de forma industrial a menor costo.

Ahora se fabrican imanes permanentes artificiales, para su empleo, por ejemplo, en la fabricación de altavoces para equipos de audio, dinamos para el alumbrado en las bicicletas, pequeños motores para uso en juguetes o en equipos electrónicos, en la junta hermética de la puerta de los frigoríficos y, por supuesto, en la fabricación de brújulas.

Taller de lectura 23

  1. ¿De qué sustancia está formada la magnetita?
  2. ¿Qué es magnetismo?
  3. ¿Cuál fue la primera aplicación útil o práctica del magnetismo?
  4. ¿Cuál es la diferencia entre el polo norte geográfico y el polo norte magnético de la Tierra?
  5. ¿Cuáles son las características principales que distinguen a los imanes?
  6. ¿Cómo puede comprobarse visualmente la existencia de líneas de fuerza entre los polos de un imán?
  7. Describa la manera como es posible generar una fuerza electromotriz en un alambre de cobre y cómo es posible medirla
  8. ¿Cuándo se origina la inducción magnética y qué se crea con ella?
  9. ¿En qué se basa el principio de funcionamiento de los generadores de corriente eléctrica?
  10. Describa lo que sucede si colocamos un conductor de cobre dentro del campo magnético de dos imanes y aplicamos una diferencia de potencial, tensión o voltaje en sus extremos.
  11. ¿En qué propiedad se basa el principio de funcionamiento de los motores eléctricos?
  12. Cite 7 ejemplos en los que se emplean en la actualidad imanes permanentes artificiales
  13. Copie, con las descripciones, las figuras 2, 3, 4 y 5

martes, 29 de mayo de 2012

Lectura 22: Ley Ohm, ley de Watt y efecto Joule

Conceptos preliminares:

Conductor: se le llama conductor a cualquier material que transporte electricidad o calor. Un conductor eléctrico, puede ser metal, grafito o cristal líquido entre toros. Un material que no transporta o permite el paso de calor o electricidad es llamado aislante. Madera, caucho y porcelana son aislantes eléctricos.

Carga: es una propiedad intrínseca de partículas subatómicas como los protones de carga positiva, y los electrones de carga negativa. Se manifiesta mediante atracciones y repulsiones cuando estas partículas interactúan. La unidad fundamental es el culombio (C).

Circuito: dispositivo formado por baterías, conductores y resistores o cargas que forman un lazo cerrado y ejecutan un trabajo manifestado en forma de luz, calor, sonido, movimiento, Etc.

Corriente: es el flujo de carga por unidad de tiempo que pasa a través de un conductor. Se debe al movimiento de electrones dentro del conductor. La unidad fundamental es el amperio (I) y el instrumento con el cual se mide, es el amperímetro.

Electricidad: fenómeno físico que corresponde al flujo de electrones a través de un conductor y cuya energía se manifiesta por medio de otros fenómenos como luz, calor, movimiento, Etc.

Potencia: Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. La cantidad de energía transferida a un circuito por unidad de tiempo, se denomina potencia. Su unidad fundamental es el vatio o watt.

Resistencia: la resistencia eléctrica de un material, es la medida de su oposición al paso de corriente. Los materiales que oponen poca resistencia al paso de corriente, son conductores. La unidad fundamental de resistencia es el ohmio (Ω) y el instrumento para medirla es el ohmímetro.

Vatio: es la unidad de potencia

Voltaje: se le llama también potencial eléctrico. Es la medida del trabajo realizado por un campo eléctrico para mover una partícula cargada des un punto a otro. Su unidad es el voltio (v) y el instrumento para medirlo es el voltímetro.

Ley de Ohm:

La figura 1, muestra un circuito eléctrico formado por una pila con un potencial (v) de 1.5 voltios, una resistencia (R) y una corriente (I) que fluye a través de los conductores (alambres).

La ley se Ohm se enuncia de la siguiente manera: la corriente (I) en amperios que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje e inversamente proporcional a la resistencia en ohmios. Esto quiere decir que la corriente aumenta, al aumentar el voltaje, pero disminuye, al aumentar la resistencia.

La ley de Ohm se expresa mediante la fórmula: I = v/R

La tabla 1, muestra las fórmulas que se derivan de la ley de Ohm.

Tabla 1. Fórmulas de la ley de Ohm
Fórmula Utilidad
Permite calcular la corriente (I), dividiendo el voltaje (v), entre la resistencia (R)
Permite calcular el voltaje (v), multiplicando la corriente (I), por la resistencia (R)
Permite calcular la resistencia (R), dividiendo el voltaje (v), entre la corriente (I)

Ley de Joule o Efecto Joule

Toda corriente eléctrica, al recorrer un conductor de cualquier clase, genera un aumento de temperatura. A este fenómeno se le conoce como efecto Joule.

El efecto Joule es útil y aplicable en la construcción de estufas, hornos, secadores de pelo, planchas, calentadores, equipos de aire acondicionado y cualquier otro aparato eléctrico cuya utilidad sea liberar calor. Sin embargo, el efecto Joule es inconveniente en componentes electrónicos, como los procesadores de los computadores, algunos circuitos integrados y transistores, donde es necesario colocar piezas de metal llamadas disipadores acompañadas, en algunos casos, de ventiladores, con el fin de dispersar el calor liberado.

La cantidad de calor liberado por un circuito eléctrico, es la medida del trabajo realizado por dicho circuito. El trabajo se representa con la letra W, y se mide julios. El efecto Joule o ley de Joule, se enuncia de la siguiente manera: “El trabajo (W), realizado por un circuito es proporcional al cuadrado de la corriente (I2), a la resistencia (R) y al tiempo (t), que dura conectado el circuito”. Y se expresa mediante la fórmula: W = I2×R×t

Con base en la ley de Ohm, se obtienen las fórmulas relacionadas en la tabla 2.

Tabla 2. Fórmulas de la ley de Joule
Fórmula Utilidad
Permite calcular el trabajo (W), elevando la corriente (I) al cuadrado y multiplicándola por la resistencia y el tiempo (t)
Permite calcular el trabajo (W), elevando el voltaje (v) al cuadrado, multiplicándolo por al tiempo (t)y dividiendo entre la resistencia (R)
Permite calcular el trabajo (W), multiplicando la corriente (I) por al voltaje (v) y el tiempo (t).

Como las unidades de trabajo y las unidades de energía son las mismas, entonces estas fórmulas son útiles para calcular la energía o el trabajo de un circuito eléctrico.

Ley de Watt

Permite calcular la potencia (P) de un circuito eléctrico. La potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. Se mide en watt o vatios. La fórmula de la potencia es: P = W/t. Donde W, es el trabajo y t, es el tiempo. La unidad de potencia es el watt o vatio. Con base el la ley de Ohm, se obtienen las fórmulas para la potencia que se relacionan en la tabla 3.

En un aparato electrónico, la potencia indica el trabajo realizado por hora o la cantidad de energía transformada por hora. Una lámpara de 100Watt, por ejemplo, transforma 100 julios de energía cada hora o realiza un trabajo de 100 julios cada hora.

Tabla 3. Fórmulas de la ley de Watt
Fórmula Utilidad
Permite calcular la potencia (P), dividiendo el trabajo (W), entre el tiempo (t)
Permite calcular la potencia (P), elevando la corriente (I) al cuadrado y multiplicándola por la resistencia (R)
Permite calcular la potencia (P), elevando el voltaje (v) al cuadrado y dividiendo entre la resistencia (R)
Permite calcular la potencia (P), multiplicando la corriente (I) por el voltaje (v)

Taller de lectura 22

  1. Escriba la definición de los 9 conceptos preliminares
  2. Copie y complete la siguiente tabla:
    Concepto Unidad en que se mide Instrumento con que se mide
    Carga ..
    Corriente ..
    Potencia ..
    Resistencia ..
    Voltaje ..
    trabajo ..
  3. Dibuje la figura 1 y ubique la pila o batería, la resistencia y los conductores. ¿Qué indican las flechas en la figura?
  4. Escriba el enunciado de la ley de Ohm
  5. Copie la tabla 1.
  6. De acuerdo con la información suministrada en la tabla 1, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. Un circuito conectado a una fuente de 110 voltios tiene una resistencia interna de 2015 ohmios. ¿Cuál es la corriente que circula a través de él?
    2. A través de un circuito circula una corriente de 0.75 amperios. Si la resistencia del circuito es de 450 ohmios ¿Cuál es el voltaje de la fuente a la cual está conectado?
    3. A través de un equipo de radio conectado a una fuente de 220 voltios, circula una corriente de 4 amperios. ¿Cuál es la resistencia del equipo?
  7. ¿Qué se conoce como efecto Joule?
  8. Escriba 5 ejemplos de aplicación del efecto Joule
  9. Escriba 3 ejemplos donde el efecto Joule es inconveniente
  10. ¿Cómo se enuncia la ley de Joule?
  11. Copie la tabla 2.
  12. De acuerdo con la información suministrada en la tabla 2, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. ¿Cuál es el trabajo realizado por un circuito eléctrico cuya resistencia es de 785 ohmios, si a través de él circula una corriente de 10 amperios y se mantiene conectado durante 0.5 horas?
    2. La resistencia de una ducha eléctrica es de 8 ohmios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios durante 0.166 horas, ¿Cuál es el valor del trabajo realizado?
    3. A través del cargador de un teléfono celular circula una corriente de 0.5 amperios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios durante 4 horas ¿Cuál es el valor del trabajo realizado al cargar la batería?
  13. ¿Por qué las fórmulas de la ley de Joule son útiles para calcular tanto la energía como el trabajo en un circuito eléctrico?
  14. ¿Qué permite calcular la ley de Watt?
  15. ¿Cuáles son las unidades de potencia?
  16. ¿Cuánta energía transforma cada hora cada uno de los siguientes aparatos?
    1. Una plancha de 3000Watt
    2. Un secador de pelo de 1250 Watt
    3. Una lámpara de 7Watt
  17. Copie la tabla 3
  18. De acuerdo con la información suministrada en la tabla 3, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. ¿Cuál es la potencia de un motor que realiza un trabajo de 400 Julios en 2 horas?
    2. ¿Cuál es la potencia de un circuito eléctrico cuya resistencia es de 450 ohmios, si a través de él circula una corriente de .075 amperios?
    3. ¿Cuál es la potencia de un horno eléctrico que tiene una resistencia de 10 ohmios y está conectado a una fuente de 110 voltios?
    4. A través del circuito de un televisor, circula una corriente de 4 amperios. Si este se conecta a una fuente de 110 voltios ¿Cuál es la potencia del aparato?
  19. Copie y complete la siguiente tabla:
    Variable Letra que la representa
    vVoltaje
    I .
    . resistencia
    W.
    . potencia
    t.
Lectura 21: Circuitos

Circuito: Lazo cerrado formado por un conjunto de elementos o dispositivos eléctricos, alimentados por la misma fuente de energía y con las mismas protecciones contra sobre-tensiones y sobre-corrientes. Entre los elementos de un circuito están resistores, condensadores, bobinas, circuitos integrados, transistores, etc. Los elementos más comunes son los resistores (mal llamados resistencias).

Circuito en serie: Los elementos de un circuito están conectados en serie cuando sólo hay un camino posible para la corriente que circula a través de ellos. Si un elemento se desconecta, todo el circuito deja de funcionar.

En la figura 1, las líneas quebradas representan los resistores, observe que están numerados y se indican sus valores. S1 es el interruptor que acciona o detiene el funcionamiento del circuito y el símbolo a la izquierda indica que la fuente de energía es una batería de 25 voltios. Para que el circuito funcione, la corriente debe salir de la batería, recorrer los elementos y volver a ella. En este caso, si se retira un resistor, el recorrido no puede completarse. En un circuito en serie, la resistencia total, es la suma de todas las resistencias
RTotal = R1 + R2 + R3 + R4

Circuito en paralelo: cuando los elementos del circuito están conectados de tal manera que hay varios caminos posibles para la corriente que circula en ellos. Si un elemento se desconecta el resto del circuito, que no depende del elemento desconectado, sigue funcionando.

En la figura 2, los resistores están conectados en paralelo. Observe que si se retira uno de los resistores, la corriente aún tiene dos caminos posibles a través de los resistores restantes. En un circuito en paralelo, el inverso de la resistencia total es la suma de los inversos de todas las resistencias. 1/RTotal =1/ R1 + 1/R2 + 1/R3… Y la resistencia total es:

Circuito mixto: es aquel circuito cuyos elementos están conectados en serie en algunos sectores del circuito y en paralelo en otros (figura 3).

Si en este circuito se retira el resistor R4 o el resistor R5, el circuito deja de funcionar. Por tanto, estos 2 resistores están conectados en serie. Pero si se retira uno de los resistores R1, R2 o R3, el circuito sigue funcionando a través de los otros dos resistores. Estos tres resistores están conectados en paralelo. Habiendo resistores en serie y en paralelo en el mismo circuito, hace que este circuito sea mixto.

Para hallar la resistencia total en un circuito mixto, se halla el total de las resistencias en serie y el total de las resistencias en paralelo y luego se suman los resultados. En el circuito de la figura 3, la resistencia total es:

Taller de lectura 21

  1. ¿Qué es un circuito eléctrico?
  2. ¿Cuáles son los elementos de un circuito?
  3. ¿Qué es un circuito en serie?
  4. ¿Qué sucede si se desconecta un elemento de un circuito en serie?
  5. Escriba la fórmula para calcular la resistencia total en un circuito en serie
  6. Dibuje el circuito en serie y responda:
    1. ¿Cual es el potencial de la batería en el circuito?
    2. ¿Cuál es la resistencia de cada uno de los resistores?
    3. Calcule la resistencia total del circuito
  7. ¿Qué es un circuito en paralelo?
  8. ¿Qué sucede si se desconecta un elemento de un circuito en paralelo?
  9. Escriba la fórmula para calcular la resistencia total en un circuito en paralelo
  10. Dibuje el circuito en paralelo y responda:
    1. ¿Cual es el potencial de la batería en el circuito?
    2. ¿Cuál es la resistencia de cada uno de los resistores?
    3. Calcule la resistencia total del circuito
  11. ¿Qué es un circuito mixto?
  12. ¿Qué sucede si se desconecta un elemento de un circuito mixto?
  13. Escriba la fórmula para calcular la resistencia total en un circuito mixto
  14. Dibuje el circuito mixto y responda:
    1. ¿Cual es el potencial de la batería en el circuito?
    2. ¿Cuál es la resistencia de cada uno de los resistores?
    3. Calcule la resistencia total del circuito
Lectura 20: Carga elemental y ley de Coulomb

En la actividad anterior vimos que la carga eléctrica es una propiedad que tienen los cuerpos electrizados, que puede ser positiva o negativa según el exceso o escasez de electrones y que puede dar origen a fuerzas de atracción o repulsión según el signo delas cargas que interactúan.

En 1785, el físico francés Charles Coulomb hizo cuidadosos experimentos para calcular la fuerza de atracción y repulsión entre dos cuerpos cargados y encontró que dicha fuerza es proporcional a la carga de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Esta fuerza (f) se puede expresar mediante la fórmula Donde Q y q son las cargas de los cuerpos, K es la constante de proporcionalidad equivalente a 9×109 unidades internacionales y r es la distancia entre las cargas. Al enunciado anterior se le conoce como ley de Coulomb. Y la unidad de carga eléctrica tiene este nombre y se representa con C (mayúscula)

Recuerde que:En el sistema internacional, la fuerza se mide en Newton, la carga eléctrica en coulombios, y la distancia en metros

Entre 1906 y 1911, se hicieron esfuerzos por determinar las características de los electrones, en especial su carga eléctrica. Millikan, determinó que la carga de un electrón es −1.67×10-19C. A esta cifra se le conoce como carga elemental. De aquí se puede determinar que 1 Coulomb equivale a 6.25×1018 cargas elementales.

Cálculos sencillos: De la fórmula de fuerza se pueden deducir fórmulas para calcular las cargas y la distancia entre ellas:

Aplicando esta fórmula, puede calcular la fuerza entre las cargas
Utilice esta fórmula cuando le pidan calcular una de las cargas
Es ta fórmula le permite calcular la distancia entre las cargas

Ejemplo: Dos esferas con cargas puntuales de 5.5C y −2.5C, se encuentran separadas 0.35m. ¿Cual es la magnitud de la fuerza entre ellas? ¿La fuerza es repulsiva o atractiva? Dibuje el esquema de la situación.
Solución:

F = ?
Q = 5.5C
q = -2.5C
k = 9×109
r = 0.35m
Como las cargas son de diferente signo, la fuerza es atractiva (observe el signo negativo en el resultado)

Taller de lectura 20

  1. ¿Qué es la carga eléctrica?
  2. ¿Qué signos puede tener las cargas?
  3. ¿A qué da origen la interacción entre cargas eléctricas?
  4. Enuncie la ley de Coulomb y escriba la fórmula que la representa
  5. ¿Cuál es el valor de la constante de proporcionalidad (k)?
  6. ¿Cuál es la carga eléctrica de un electrón?
  7. ¿Cuál es y a que corresponde la carga elemental?
  8. ¿En qué unidades se mide: la fuerza, las cargas y la distancia entre las cargas?
  9. ¿a cuántas cargas elementales equivale un Coulomb?
  10. Copie la tabla con las fórmulas que se derivan de la ley de Coulomb
  11. Copie el ejemplo con el procedimiento y el esquema
  12. Realice los siguientes ejercicios y diga si la fuerza es repulsiva o atractiva y dibuje los esquemas
    1. Dos cargas puntuales de 1.35C y 5.32C se hallan separadas 0.20m. ¿Cuál es la fuerza entre ellas?
    2. Dos cargas puntuales de -0.95C y 4.5C están separadas 0.75m. Halle la fuerza entre ellas.
    3. Entre dos cargas existe una fuerza de 2.3×1015N. si están separadas 0.9m y una de las cargas es de 2.6C. ¿Cuál es el valor de la otra carga?
    4. Una carga de -1.2C se halla separada de otra 1.2m. Si la fuerza entre ellas es de 4×1012N, ¿Cuál es el valor de la otra carga?
    5. Entre dos cargas, una de 5C y otra de -4.25C, existe una fuerza de -6.25×1012N. ¿Cuál es la distancia que las separa?

lunes, 28 de mayo de 2012

Lectura 19: La electricidad

Un hombre mayor volando una cometa bajo una tormenta, no pudo haber pasado inadvertido. Ese hombre era Benjamín Franklin, en 1752 estaba dirigiendo un experimento científico con electricidad.

Conectó un pedazo de alambre a la cometa y ligó una llave de metal con un moño de seda a la cuerda de la cometa. Franklin se ubicó debajo de un refugio, el cual los mantuvo secos, a él y a la llave. Un rayo golpeó el alambre, pasó por debajo de la cuerda de la cometa y produjo una chispa en la llave.

Franklin tuvo la fortuna de no morir; sin embargo mostró que el rayo era electricidad.

En los dos siglos posteriores al experimento de Franklin con la cometa, los científicos han aprendido que la electricidad proviene del movimiento de pequeñas partículas llamadas átomos. Estos son los componentes de todo lo que nos rodea: La tierra, el agua, el aire, los edificios y todos los seres vivientes. Los átomos están compuestos por partículas más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva, los electrones carga negativa y los neutrones no tienen carga. Los átomos individuales tienen el mismo número de protones y electrones. Como resultado de esto, las cargas de protones y electrones se equilibran formando un átomo de carga neutra.

Electricidad estática

En los comienzos del estudio de la electricidad, los científicos notaron que al frotar un borrador con la piel de un animal, se creaba una atracción entre el borrador y la piel. También notaron un efecto similar cuando frotaron una vara de vidrio con seda. Un fenómeno similar sucede cuando las personas se cepillan el cabello, éste se pega al cepillo. Este fenómeno se denomina electricidad estática.

La electricidad estática se produce porque ciertos materiales transfieren a otros, algunos de sus electrones. Cuando esto sucede, el material que cede los electrones queda con carga positiva mientras que el que los recibe se carga negativamente. Cuando un borrador se frota con la piel de un animal, el borrador acepta los electrones de la piel, como el borrador tiene más electrones que protones se carga negativamente. La piel tiene menos electrones que protones, por lo tanto queda con carga positiva.

De la misma manera, cuando una barra de vidrio se frota con seda, ésta cede sus electrones a la seda. El vidrio tiene menos electrones que protones y queda cargado positivamente. Como la seda recibe más electrones queda cargada negativamente. Debido a que las cargas opuestas se atraen, se crea una atracción entre la felpa y la barra de caucho y entre la barra de vidrio y la seda. Objetos con la misma carga se repelen, por lo tanto, la barra de caucho y la seda, ambos con carga negativa se repelen.

El siguiente experimento mostrará el efecto de las cargas eléctricas sobre los objetos.

Experimento
Problema:
¿Qué les sucede a las bolas de resina cuando están cargadas?
Objetivo:
En este experimento observará el efecto de las cargas al frotar las barras de vidrio y caucho sobre las bolas de resina
Materiales:
Necesita dos bolas de resina, dos soportes, hilo, una barra de caucho, un pedazo de felpa, una barra de vidrio y un pedazo de seda.
Procedimiento
  1. Cuelgue las bolas de resina en el soporte, tal como lo muestra la figura 1
  1. Acerque los soportes, de tal manera que las bolas queden a 8 cm. de distancia una de la otra, como se observa en la figura 2.
  2. Frote la barra de caucho con la felpa, luego toque cada bola con la barra de caucho; tome nota de lo que sucede.
  3. Sostenga cada bola de resina entre el dedo pulgar y el índice para quitar la carga.
  4. Frote el vidrio con la seda, luego toque cada bola con el vidrio y tome nota de lo que sucede.
Observaciones y conclusiones
En los pasos 3 y 5 las bolas de resina se repelen una a otra; ya que el mismo material las tocó a ambas, éstas debieron quedar con la misma carga, lo que demuestra que cargas iguales se repelen.

Corriente eléctrica

La clase de electricidad de la cual dependen las personas para la luz y el calor no es electricidad estática, sino que proviene de electrones que fluyen a través de alambres para formar la corriente eléctrica. Esta corriente necesita un conductor que es un material capaz de transportarla. El material es por lo general un alambre de metal. Para poder circular, los electrones necesitan una trayectoria cerrada para moverse a lo largo de ella, y es conocido como circuito. Un circuito eléctrico consta de una fuente de electricidad, un conductor y un mecanismo que utiliza la energía eléctrica. La electricidad no puede pasar por un circuito interrumpido o incompleto.

La figura 3 muestra un bombillo, una pila y un interruptor conectados por medio de un alambre. Cuando el interruptor está cerrado, el circuito está completo y los electrones fluyen hacia el bombillo haciéndolo brillar. Con el circuito completo, los electrones fluyen a través de la luz y regresan a la pila.

Los mismos electrones pueden recorrer el circuito una y otra vez. Cuando el interruptor está abierto, los electrones se detienen en el lado de la pila que está conectado con el interruptor y no se produce luz.

En su forma más simple, una pila está hecha de 2 barras una con carga negativa y otra con carga positiva, las cuales están suspendidas en una solución química. Cuando se unen las dos barras con un alambre, la corriente eléctrica fluye de la barra o polo positivo al polo negativo. Los electrones regresan del polo positivo al negativo a través de la solución que hay dentro de la pila. Las pilas no duran para siempre puesto que los polos se disuelven gradualmente en la solución. Cuando los polos desaparecen la pila deja de generar corriente, si no hay corriente, los electrones no fluyen.

El circuito de la figura 3 es un circuito simple, pero también existen circuitos más complejos. En la figura 4, observe cómo las tres luces están conectadas. La corriente pasa a través de los tres bombillos, los cuales están en la misma trayectoria, llamada un circuito en serie.

Ahora compare la figura 4 con la figura 5, que muestra tres bombillos en un circuito en paralelo. En la figura 5, cada bombillo está separado en su propio circuito con la pila. Si uno de los bombillos de este circuito se funde, los otros siguen prendidos. Esta clase de circuito es utilizado en las casas.

La cantidad de corriente eléctrica que se necesita para iluminar una casa o un edificio es muy grande para ser producida por una pila o cientos de ellas. En lugar de esto, la electricidad es generada por una planta de grandes máquinas llamadas generadores. Estos generadores funcionan bajo el principio de que los imanes producen una corriente eléctrica en un alambre, siempre y cuando el imán o el alambre se muevan. Este fenómeno se denomina inducción electromagnética.

Un generador simple contiene muchos metros de alambre girando entre imanes y generando corriente eléctrica, que es llevada por cables a los centros de consumo.

Taller de lectura 19

Comprensión de los hechos:

  1. ¿Cuáles son las partículas que forman un átomo?
  2. ¿Qué le ocurre a una barra de caucho cuando se frota con un pedazo de felpa?
  3. ¿Qué le ocurre a la barra de vidrio cuando se frota con un pedazo de seda?
  4. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen. Explique ¿por qué sucede esto?
  5. ¿Qué le ocurre a la luz de la figura 3, cuando el interruptor está cerrado y por qué?
  6. ¿Qué es corriente eléctrica?
  7. ¿Qué es un circuito en serie?
  8. ¿Qué es un circuito en paralelo?
  9. ¿Qué es una inducción electromagnética?
  10. Complete cada frase utilizando las siguientes palabras.
    suspender            disolver             generar
    1. El azúcar se ________ en el café caliente.
    2. La bandera estaba __________ en el arco del puente.
    3. Un molino de viento puede ser utilizado para _______ energía.

Interpretación de los hechos

  1. ¿Qué ocurre cuando un interruptor entre la pila y el primer bombillo, en un circuito en paralelo de tres bombillos está abierto?
  2. Si una casa se alumbrara con un circuito en serie, ¿qué le sucedería a un televisor que está prendido, si un bombillo se fundiera?
  3. Cuando usted acaricia a un perro o a un gato, posiblemente siente un pequeño corrientazo. ¿Por qué sucede esto?
  4. Cuando la piel de un animal y un pedazo de seda se frotan con una barra de caucho y una de vidrio respectivamente, ¿qué hacen la seda y la piel?
  5. Tres máquinas trabajan conjuntamente en una línea de ensamblaje. Si una de las tres máquinas se detiene, el producto se daña, a menos que las otras dos máquinas también se detengan. ¿Cómo se deben conectar estas tres máquinas?

Aplicar la habilidad: Seguir Instrucciones

  1. Haga un resumen con sus propias palabras del experimento descrito arriba.
  2. El siguiente experimento muestra el efecto que producen dos bolas de resina con cargas opuestas. Utilice los mismos materiales del experimento de la página 93. En cada una de las líneas que aparecen a continuación, y empleando ese experimento como modelo, escriba las instrucciones para realizarlo. No olvide enumerar los pasos y hacer un diagrama que muestre cómo se hace el experimento en las líneas que siguen.

    Experimento

    Problema
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    Objetivos
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    Materiales
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    Procedimiento
    1. _____________________________________________
    2. _____________________________________________
    3. _____________________________________________
    4. _____________________________________________
    Observaciones o conclusions
    _____________________________________________
    _____________________________________________
    _____________________________________________

Lectura 18: Carga eléctrica

Aunque no tengamos muy claro el significado de términos como carga eléctrica, electricidad, corriente eléctrica y electrización, si somos conscientes de lo que estos fenómenos significan en la vida de hoy. Sabemos que las comunicaciones (radios, teléfonos, computadores, televisores), medios de transporte y muchas otras cosas, dependen de ellos.

En este texto, haremos una pequeña introducción a este tema.

Podemos generar fuerzas de atracción o repulsión entre ciertos objetos. Por ejemplo, si frotamos un peine en el cabello, con él podemos atraer pequeños pedazos de papel; o si frotamos una barra de vidrio con seda o con la piel humana, podemos generar movimiento en pequeñas esferas de ebonita (caucho) o polipropileno. En los dos casos se observa que no es necesario el contacto físico entre los cuerpos para generar el movimiento. ¿Cuál es la fuerza invisible que obliga a estos cuerpos a interactuar? Esa fuerza invisible procede y está determinada por las cargas eléctricas. ¿De dónde proceden esas cargas?

Sabemos que la materia está formada por átomos, y que estos a su vez, están formados básicamente por protones, electrones y neutrones. Los electrones y los protones son responsables de la carga eléctrica.

Recuerde que Los protones son partículas de carga positiva que hacen parte del núcleo atómico

Los electrones son partículas de carga negativa que se mueven fuera del núcleo del átomo. Los electrones pueden transferirse de un átomo a otro durante la formación de enlaces y pueden desplazarse a través de materiales conductores como los metales. Este movimiento facilita la electrización.

Cuando un cuerpo tiene la misma cantidad de partículas, positivas y negativas, distribuidas de manera homogénea, se dice que el cuerpo es neutro y sus características eléctricas no se pueden percibir con facilidad. Pero si esas partículas se distribuyen de manera que las partículas del mismo signo de agrupen en una región del cuerpo, se dice que el cuerpo está cargado o electrizado.

Cuando dos cuerpos cargados o electrizados interactúan, dicha interacción cumple la ley de las fuerzas electromagnéticas. Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen

Tipos de electrización: Un cuerpo puede ser electrizado de diversas maneras:

  1. Por Contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro cuerpo previamente cargado. En este caso, si se toca un cuerpo neutro con uno cargado positivamente, el cuerpo adquiere carga positiva y si se toca con uno cargado negativamente, entonces el cuerpo adquiere carga negativa. Esto se debe a que habrá una transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción.

  2. Por Frotamiento: al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (cantidad de electrones = cantidad de protones) ambos se cargan. Uno con carga negativa y el otro con carga positiva. Por ejemplo, si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay traspaso de electrones de vidrio a la seda; la seda adquiere carga negativa y el vidrio queda con carga positiva.

  3. Por Inducción: la inducción es un proceso de carga de un cuerpo sin contacto directo. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción electromagnética entre las cargas de los cuerpos, provocando el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro.

  4. Por Efecto Fotoeléctrico: Este fenómeno consiste en generar electricidad al iluminar una superficie metálica cuyos electrones se liberen en presencia de luz. Su aplicación más común, es la celda fotoeléctrica de los paneles solares, que permiten obtener electricidad a partir de energía solar.

  5. Por Electrólisis: la mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos, se ionizan al fundirse o cuando son disueltos en agua u otros líquidos. Sus moléculas se disocia generando especies químicas cargadas positiva o negativamente. Si se coloca un par de electrodos (barras de metal) en una de estas soluciones y se conecta una resistencia entre ellos, los electrones se moverán produciendo una corriente eléctrica. Las baterías de los autos son un buen ejemplo de electrólisis: En una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) se colocan electrodos: uno de plomo (Pb) y uno de óxido de plomo II (PbO), a través de los cuales fluye una corriente, al conectar cualquiera de los dispositivos eléctricos del automóvil.

  6. Por Efecto Termoeléctrico: es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales metálicos diferentes. Al calentar la unión, surge una tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre los extremos caliente y frío. A este tipo de circuito se le llama termopar.

Taller de lectura 18

  1. ¿Qué fenómenos de la vida de hoy dependen de la electricidad?
  2. ¿Cómo está formada la materia?
  3. ¿Qué son protones?
  4. ¿Qué son electrones y como participan en la formación de enlaces y en la electrización?
  5. ¿Qué partículas del átomo son responsables de la carga eléctrica?
  6. ¿Cuál es la diferencia entre un cuerpo neutro y un cuerpo electrizado?
  7. Copie la figura 1, con la descripción.
  8. ¿Qué ley se cumple cuando interactúan dos cuerpos electrizados y que dice dicha ley?
  9. Defina cada uno de los tipos de electrización.
  10. Cuando frota un globo con su cabello para luego atraer el cabello de otra persona sin tocarlo físicamente ¿Qué tipo de electrización sufre el globo? ¿Qué tipo de electrización sufre el cabello de la otra persona?
  11. ¿Cómo se aplica la electrización por efecto fotoeléctrico?
  12. ¿Qué tipo de electrización hay en la batería de un automóvil?
  13. Describa como funciona la batería de un automóvil.
Lectura 17: La energía

“Energía es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo”. Energía es todo aquello que puede ser transformado en movimiento o todo aquello en lo cual el movimiento se transforma.

La energía no es importante solo por su utilidad para el hombre y su tecnología. La energía es fundamental en la conservación de la vida en el planeta. Fenómenos como el ciclo del agua, los ciclos de muchos elementos, el viento, el efecto invernadero, la fotosíntesis y hasta el origen de la vida pueden ser explicados con base en las características de la energía.

La energía tiene como principales características que se transforma, se transfiere, se acumula, se conserva y se degrada.

La energía se transforma: la energía se puede presentar en diversas formas. En casa por ejemplo, usamos energía térmica en duchas, hornos, estufas y planchas; usamos energía mecánica en licuadoras y lavadoras; usamos energía lumínica en lámparas etc., pero todas estas formas de energía llegan en forma de energía eléctrica. En otras palabras, la energía eléctrica se transforma en cada una de las formas de energía citadas.

Otra forma importante de energía, es la energía química que se encuentra en combustibles, alimentos y baterías. La energía de los combustibles de transforma en energía térmica; la energía de los alimentos se transforma en calor, movimiento y otros trabajos metabólicos; la energía de las baterías se transforma en calor, movimiento, luz, etc. Según el aparato que se conecte a ella.

La luz solar, fuente casi inagotable de energía lumínica, puede transformarse en calor y electricidad. La energía eólica (energía mecánica del viento), puede ser transformada en electricidad.

La energía se transfiere: La energía pasa de un sistema a otro. Por ejemplo, las energías lumínica y térmica del sol viajan a través del espacio y llegan hasta la tierra.

La energía se acumula: esto ocurre cuando la energía es almacenada en un sistema, y luego liberada como luz calor o movimiento. Es decir que está escondida en el sistema y nos damos cuenta de ello cuando la extraemos. Las baterías, embalses, los resortes comprimidos, los combustibles y los alimentos mantienen energía acumulada o almacenada.

La energía se conserva: Una de las leyes fundamentales de la física, afirma que la energía no puede ser creada ni destruida. La cantidad de energía en un sistema es constante.

La energía se degrada: La energía tiende a circular en un solo sentido en un sistema físico. La energía de movimiento tiende a transformarse en energía térmica; la energía térmica fluye de los cuerpos más calientes a los cueros más fríos, etc. La energía de movimiento, la energía eléctrica y ciertas formas de energía química, son más preciadas por cuanto se transforman de manera espontánea. Es decir, son más útiles, son más fáciles de utilizar.

Clases de energía

Energía cinética: es la que posee un cuerpo en movimiento. Matemáticamente, se expresa con la fórmula Donde m es la masa del cuerpo y v es la velocidad.

Energía potencial: Es la energía almacenada en un cuerpo en virtud de su posición. Puede ser gravitacional si su magnitud varía con la masa del cuerpo y con la altura a la cual se encuentra; o elástica, si se almacena en un resorte comprimido o alongado más allá de su longitud normal. La fórmula para expresar la energía potencial gravitacional (Epg) es: Epg = mgh donde m es la masa del cuerpo, g es la aceleración de gravedad de la tierra (9.8 m/seg2), y h es la altura en metros.

La energía potencial elástica (Epe), se expresa por la fórmula donde x es la elongación (cambio de longitud del resorte), medida en metros y k es la constante de elasticidad medida en Newton por metro (N/m).

Al calcular la energía de un sistema, nos encontramos las magnitudes Kg×m2/seg2. A esta combinación de magnitudes se les denomina Julios. En otras palabras, el julio es una unidad de energía y se representa con una J.

La siguiente tabla resume las fórmulas que se pueden deducir de cada clase de energía:

Energía Cinética Energía Potencial Gravitacional Energía Potencial Elástica
Fórmula inicial
Masa .
Velocidad ..
Altura . .
Elongación ..
Constante de elasticidad ..

Uso de las fórmulas: para usar una fórmula se reemplazan los valores dados en el ejercicio y se realizan las operaciones correspondientes.

Ejemplo 1: un martillo de 1.5 Kg choca contra un clavo a una velocidad de 40 m/seg. ¿Cuál es la energía cinética en el momento del impacto?

Solución: los datos son:

  • masa m = 1.5 Kg
  • velocidad V = 40 m/seg
  • energía cinética Ec =? es la cantidad que se debe calcular

La fórmula para calcular la energía cinética es Se reemplazan los valores y se hacen las operaciones indicadas

Respuesta: la energía cinética en el momento del impacto es de 1200 julios.

Taller de lectura 17

  1. Escriba las definiciones de energía
  2. ¿En qué radica la importancia de la energía?
  3. Cite los fenómenos naturales que pueden ser explicados con base en las características de la energía
  4. Defina cada una de las características de la energía y dé ejemplos.
  5. ¿Qué es energía eólica?
  6. Complete la siguiente tabla:
    Fuente de energía Forma de energía que contiene Forma de energía en que se transforma
    combustibles ..
    Alimentos ..
    Baterías ..
    Luz solar ..
    viento ..
  7. De 3 ejemplos de acumulación y transferencia de energía
  8. ¿Que es energía cinética?
  9. ¿Qué es energía potencial?
  10. ¿Qué diferencia hay entre energía potencial gravitacional y energía potencial elástica?
  11. ¿Qué significa la palabra elongación?
  12. ¿Cuál es la aceleración de gravedad en la Tierra?
  13. ¿En qué unidades se mide la energía y cómo se representan?
  14. copie la tabla que resume las fórmulas que se pueden deducir de cada clase de energía.
  15. ¿Cómo se procede para usar una fórmula?
  16. Copie el ejemplo 1, con la respectiva solución.
  17. Utilice las fórmulas dadas en la lectura, para desarrollar los siguientes ejercicios:
    1. Un camión cuya masa es de 10000 kilogramos choca con un edificio a una velocidad de 16.66 metros por segundo. Calcule la energía cinética del impacto
    2. Un resorte cuya constante de elasticidad es 9.13 N/m, se ubica horizontalmente y se comprime reduciendo su longitud en 0.03 m. Calcule la energía potencial elástica del resorte en esa posición.
    3. La energía cinética de un objeto en movimiento, es de 53500 julios a una velocidad de 20 m/seg en un momento dado. ¿Cuál es la masa del objeto?
    4. ¿A que altura se debe colocar un objeto de 50 kilogramos para que al caer libere una energía de 23000 julios?

miércoles, 16 de mayo de 2012

Lectura 16: ¿Qué es y cómo funciona la Ecografía?

La importancia del conocimiento radica en su utilidad. Hemos estudiado algunos conceptos relacionados con el sonido. Veamos ahora una de sus aplicaciones.

La Ecografía:

También conocida comúnmente como ultrasonido, la Ecografía es un procedimiento para diagnóstico; que utiliza las ondas ultrasónicas para producir imágenes de estructuras internas del cuerpo humano o del producto en desarrollo dentro de la madre.

Las ondas sonoras son emitidas por máquinas hacia el interior del cuerpo que al chocar con los órganos, rebotan en forma de eco, el cual es analizado por medio de computadoras. El medio idóneo de propagación de las ondas es precisamente cualquier estructura con alto contenido de agua. Es por ello que no se utiliza para estudiar tejido óseo u órganos con elevado contenido aéreo (cavidades con aire), porque los ultrasonidos en tal caso no hacen eco y siguen su camino sin retorno.

El resto de las estructuras blandas pueden ser bien exploradas. Se usa para la visualización de hígado, vesícula biliar, riñones, vejiga, páncreas, bazo, corazón y estructuras vasculares. Su aplicación más importante se da en Gineco-obstetricia, pues permite diagnosticar un embarazo, sin producir daño ni a la madre, ni al producto. Las imágenes del feto suelen ser tan fidedignas, que usualmente permiten conocer su sexo, así como cualquier alteración del desarrollo normal.

La información que proporcionan las ecografías también ayuda a que los médicos puedan manejar mejor y más rápidamente los procedimientos de biopsia (cuando se toman muestras de tejido vivo), aspiración y drenaje de abscesos, hematomas, etcétera.

Funcionamiento

Los equipos de ultrasonido producen un haz ultrasónico, las estructuras que son atravesadas por estas ondas oponen resistencia al paso del sonido (impedancia sónica), de manera parecida al comportamiento de la luz ante un espejo, provocando la producción de reflexiones (ecos) que son detectados, registrados y analizados por computadoras y para obtener la imagen en pantalla, vídeo o papel. El médico puede congelar la imagen producida en un momento determinado.

¿Qué es el ultrasonido?

Los ultrasonidos son ondas sonoras de naturaleza mecánica y su característica principal es que son imperceptibles al oído humano, ya que tienen una frecuencia superior a los 18 mil Hz (Hertzios o Hertz).

La frecuencia es el número de ondas o ciclos en un segundo y un Hz es la unidad de frecuencia igual a un período por segundo.

Las bandas de frecuencias que nos permiten situar a los sonidos son:

  • Infrasonidos: menos de 16 Hz.
  • Audición normal humana: de 16 Hz a 20 mil Hz.
  • Ultrasonidos: de 18 Hz a 100 MHz
  • Hipersonidos: más de 100 MHz
(El término kilohertz (KHz) significa 1000 Hertz y megahertz (MHz) significa 106 hertz.)

¿Qué partes tienen los equipos de ultrasonido?

TRANSDUCTOR (traducer o cabezal) Es el sitio donde se encuentran los cristales que se mueven para emitir las ondas ultrasónicas. Estos transductores también reciben los ecos, para transformarlos en energía eléctrica.

RECEPTOR Capta las señales eléctricas y las envía al amplificador.

AMPLIFICADOR Amplifica las ondas eléctricas.

SELECCIONADOR Selecciona las ondas eléctricas que son relevantes para el estudio.

TRANSMISOR Transforma estas corrientes en representaciones gráficas para verlas en pantalla, guardarlas en disquete, vídeo; o imprimirlas en papel.

CALIBRADORES (calipers) Son controles que permiten hacer mediciones, poseen botones y teclas para aumentar o disminuir ecos, de acuerdo a la claridad con la que se reciba la señal.

TECLADO Permite introducir comandos y los datos de paciente, así como los indicadores de la sesión, incluyendo fecha del estudio.

IMPRESORA Para imprimir las imágenes en papel.

¿Cómo se emplean los ultrasonidos en la medicina?

Los ultrasonidos se utilizan en dos campos fundamentalmente:

  1. Diagnóstico:El ultrasonido sirve para conocer las condiciones de los órganos del cuerpo humano (algunos de los más modernos equipos describen el flujo sanguíneo o el funcionamiento de las vísceras), más que para modificar las condiciones de salud del paciente. La principal aplicación del ultrasonido diagnóstico es en el campo de la Gineco-obstetricia porque permite monitorear al feto a lo largo de la gestación con posibilidades muy amplias de exploración, sin riesgo alguno.

  2. Terapéutico: Los ultrasonidos son ondas de naturaleza mecánica que producen tres efectos principales:

    • Mecánico. Permite que las células o moléculas se muevan (éste es el principio de la eliminación de placa dentobacteriana por ultrasonido).

    • Térmico. Las ondas sonoras pueden producir calor.

    • Químico. El ultrasonido también puede modificar las propiedades de la materia. Estos efectos son utilizados fundamentalmente en traumatología y ortodoncia, aunque las dosis e intensidades son diferentes a los casos en los que el ultrasonido es empleado como método diagnóstico.

Principales beneficios del ultrasonido

  • Inocuidad: El sistema no afecta las condiciones de salud del paciente porque no emplea métodos invasivos (cirugía), productos químicos o radiaciones. Esto permite repetir las exploraciones cuantas veces sea necesario, sin perjudicar al paciente, ni siquiera en casos de embarazo, porque tampoco afecta al producto. El ultrasonido posee esta gran ventaja respecto a otros métodos diagnósticos como los rayos X o la utilización de medios de contraste.
  • Comodidad: No requiere posiciones incómodas o compresiones para el paciente.
  • Confiabilidad: Es muy alta, rango de certeza de cerca de 100 por ciento.

Descubrimiento y evolución

En 1794, Spallanzani, y en 1798, Junine, descubrieron los ultrasonidos al observar que tapando las orejas de los murciélagos, éstos perdían su capacidad de orientación.

En 1880, los esposos Curie produjeron por primera vez, los ultrasonidos en el laboratorio, mediante el fenómeno piezoeléctrico. Éste fue el punto de partida para el desarrollo de equipos cada vez con más alta resolución.

En 1912, después del hundimiento del Titanic, Maxium y Richardson iniciaron el uso de los ultrasonidos para la detección de Icebergs y en la I Guerra Mundial, Languevin los utiliza para detectar submarinos enemigos.

Pasan muchos años hasta que un médico austríaco, Dussik, en 1942, inicia su uso en medicina para diagnosticar procesos expansivos intracraneales. Para ello, utilizaba tinas de baño donde se sumergía a los pacientes y en este medio se inducían ondas ultrasónicas. Por un lado de la tina se colocaba un transductor que producía ecos y, por el otro, un transductor que las captaba.

Con este procedimiento, por medio de un oscilógrafo (aparato que registra las ondas u ondulaciones sonoras) se obtenían registros unidimensionales trazos parecidos a los de un electrocardiograma o encefalograma. En aquel tiempo, los equipos eran más grandes y mucho más pesados que los que se utilizan actualmente.

A partir de la década de los cuarenta, médicos de diferentes especialidades inician el uso del ultrasonido.

En 1958, Donald, Mc. Vicar y Brown en la especialidad de Ginecología y Obstetricia, desarrollan el primer aparato de contacto, eliminando el uso de la tina de baño y, en su lugar la vejiga distendida por orina como ventana sónica, permitiendo el estudio de los órganos pélvicos. Anteriormente, no era sencillo estudiar esta área porque hay intestinos que contienen gases, los cuales dispersan el sonido y distorsionan la imagen. La vejiga, llena de líquido, empuja a los intestinos y los compresiona para evitar pérdidas en la información proporcionada por los ultrasonidos. Este aparato permitió obtener una imagen bidimensional representada por puntos de mayor o menor intensidad, dependiendo de la densidad del tejido analizado, y presentaba los resultados en una pantalla. Con este procedimiento también comenzaron a hacerse ecocardiogramas, pero, gracias a la cercanía del corazón a la parte externa del pecho, no se requería de ventanas sónicas adicionales.

En la década de los ochenta, con la incorporación de la computadora en los aparatos de ultrasonido, se revolucionó intensamente el procedimiento, ya que permitió procesar las ondas directamente y obtener imágenes en movimiento en tiempo real. También se permitió la posibilidad de imprimir las imágenes que el especialista considerara importantes y conocer, con un 100 porciento de precisión, las medidas de los órganos.

Las computadoras en el proceso de ecografía permiten obtener imágenes digitalizadas, las cuales pueden ser almacenadas, impresas o enviadas a otros lugares por medio de redes de cómputo convencionales.

En 1972, se introduce la posibilidad de producir escalas de grises en los equipos de ultrasonido, con lo cual se incrementa la resolución de las imágenes.

Los primeros equipos producían imágenes en blanco y negro. Actualmente, en los equipos Doppler se utiliza la escala de color y la imagen obtenida es tridimensional.

La introducción del procesamiento digital ha proporcionado comodidad, flexibilidad, estabilidad y economía de la señal. Ahora, es posible recabar la mayor parte de los ultrasonidos en su retorno, con gran precisión y mostrando la mínima pérdida de la información, para su mejor análisis mediante sistemas de cómputo

Taller de lectura 16

  1. ¿Qué es una ecografía?
  2. ¿Por qué no es útil una ecografía en el estudio del tejido óseo?
  3. ¿Cuál es el medio idóneo para la propagación de ondas ultrasónicas?
  4. Nombre 5 órganos que se puedan visualizar a través de una ecografía.
  5. ¿Qué significado tiene la palabra biopsia?
  6. ¿A qué se llama impedancia sónica?
  7. ¿Por qué se dice, que el eco es un comportamiento del sonido similar al comportamiento de la luz ante un espejo?
  8. ¿Qué es ultrasonido?
  9. ¿Cuáles con las bandas de frecuencia que nos permiten clasificar a los sonidos?
  10. Sabemos que un Hertz se representa por Hz y equivale a un ciclo por segundo. ¿Qué significan los símbolos KHz y MHz? ¿Cuál es su equivalencia con el Hertz?
  11. Cite las partes, con su función, de un equipo de ultrasonido.
  12. ¿En qué consiste el uso de los ultrasonidos como método de diagnóstico, terapéutico, mecánico, térmico y químico?
  13. ¿Qué significa la palabra inocuidad?
  14. Además de la medicina, ¿En qué otros campos de la ciencia se aplican los ultrasonidos?
  15. Que aportes hicieron al descubrimiento y aplicación de los ultrasonidos:
    1. Spallanzani y Junine
    2. Loa esposos Curie
    3. Maxium y Richardson
    4. Languevin
    5. Dissik
Lectura 15: El sonido

¿Qué produce el sonido? Coloque sus dedos en la garganta mientras habla o mire las cuerdas de una guitarra cuando la están tocando. Cuando usted habla, siente un movimiento en la garganta; cuando se pulsan las cuerdas de una guitarra, éstas se mueven de un lado a otro rápidamente. Estos movimientos llamados vibraciones producen el sonido.

El aire está hecho de pequeñas partículas llamadas moléculas, las cuales pueden vibrar. La vibración de una cuerda origina ondas de sonido en el aire; cuando la cuerda se mueve hacia la derecha, empuja las moléculas que están cerca de ella; cuando regresa y se mueve hacia la izquierda deja un área con menos moléculas de aire. Un área de compresión y un área de rarefacción forman cada onda de sonido.

Sin embargo, ¿cómo viaja el sonido a través de una habitación? Las moléculas de aire, pasan sus vibraciones a través de otras moléculas de aire. Por medio de este movimiento el sonido llega de su fuente vibrante al receptor. A medida que las moléculas se comprimen, las compresiones se mueven hacia afuera del medio, que en este caso es el aire. Un medio es cualquier sustancia sólida, líquida o gaseosa que transporte el sonido.

A medida que las compresiones se mueven hacia afuera, cada capa de moléculas empuja a la siguiente. Las rarefacciones también se mueven hacia afuera capa por capa; esta serie de compresiones y rarefacciones forman las ondas que transmiten la energía de sonido a través del medio.

Un resorte en forma de espiral es una imagen que sirve para visualizar el movimiento de una onda. Imagínese usted estirando ese resorte horizontalmente en un piso liso. Luego suponga que hala varias espirales del mismo resorte estirado, produciendo una compresión de éstas; cuando usted suelta el resorte, una agitación o pulso se produce a lo largo del resorte; aunque cada espiral no se mueve mucho, la energía de la agitación se mueve a lo largo de todo el resorte. Esta agitación en el resorte hace que algunas espirales estén más separadas que aquellas en donde está la agitación; por lo tanto, cada agitación va seguida de una rarefacción, tal como lo muestra la figura 1.

El sonido no viaja en el vacío, el cual es un espacio sin nada adentro, ni siquiera aire. Las ondas de sonido requieren de un medio.

Tono y frecuencia

Los sonidos pueden ser "altos" o "bajos". El tono es qué tan alto o bajo es un sonido; se determina por la rapidez con que vibre la fuente del sonido. La cuerda de una guitarra que vibre lentamente produce menos ondas de sonido por segundo y un tono más bajo que el de la cuerda que vibra más rápido. Así, el tono depende de la frecuencia, que es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se mide calculando el número de ondas que pasan en un segundo por un punto específico ubicado a cierta distancia del lugar de origen del sonido. Este número de ondas se expresa en Hertz. Un Hertz equivale a una onda por segundo. Si un sonido es de tono bajo pasarán menos ondas por el punto específico por segundo que si el sonido es de tono alto.

La frecuencia está relacionada con la longitud de una onda de sonido.

Fíjese en los puntos X y Y de cada conjunto de ondas que aparecen en la figura 2. La distancia que hay entre esos dos puntos se denomina longitud de onda. Como puede observar, las ondas de los sonidos bajos tienen mayor longitud que las de los sonidos altos. La figura 3 muestra el rango de frecuencia del oído humano, el cual es mucho mayor que el rango de frecuencia que puede producir la voz humana.

Instrumentos Musicales

En los instrumentos de cuerda, la vibración de éstas produce el sonido; en los instrumentos de viento, como las trompetas y los trombones, una columna de aire que se ubica por dentro del instrumento, vibra para producir el sonido. La longitud de la columna de aire determina el tono del sonido. El músico varía el tono, al abrir y cerrar las válvulas de la trompeta o al deslizar la barra del trombón. Producir sonidos de esta manera es similar a producirlos soplando unas botellas con diferentes niveles de agua.

Los clarinetes y saxofones son instrumentos de viento que tienen una lengüeta que vibra y forma la columna de aire dentro del instrumento para que vibre. Los músicos producen distintas tonalidades en estos instrumentos al abrir y cerrar los pistones. Los tambores, los platillos y las campanas producen sonido cuando parte de ellos vibra; la cabeza del tambor vibra cuando se golpea y lo mismo sucede con el metal de los platillos y las campanas.

La amplitud

Al aumentar la frecuencia de las ondas de sonido aumenta el tono, pero esto no afecta el hecho que un sonido sea fuerte o suave. El volumen del sonido está relacionado con la cantidad de energía que hay en una onda sonora. Se puede efectuar una evaluación simple de energía en una onda sonora de la siguiente manera: doble en forma de V un pedazo de papel y colóquelo sobre una cuerda de la guitarra o el piano; cuando usted pulsa suavemente la cuerda, el papel vibra sólo un poco, cuando la pulsa con más fuerza el papel vibra mucho más. La figura 4 muestra ondas sonoras de la misma frecuencia, la primera de las cuales es de un sonido suave y, la segunda es de un sonido fuerte. La diferencia que hay entre las dos figuras es la amplitud o tono de las ondas, los sonidos fuertes tienen mayor amplitud que los suaves.

El volumen de un sonido se mide en decibeles. Un silbido muy suave registra de 10 a 15 decibeles y una música muy fuerte puede registrar cerca de 100 decibeles. Ruidos muy fuertes pueden ocasionar la pérdida de la audición momentáneamente.

La velocidad

¿Ha calculado alguna vez qué tan lejos está una tormenta, contando los segundos desde el momento en que se ve el rayo y el tiempo en que oye el trueno? El rayo y el trueno se producen simultáneamente. La luz viaja tan rápido, que usted ve el rayo en el momento en que ocurrió. En cambio, el sonido viaja más lentamente. La velocidad del sonido es aproximadamente de 340 metros por segundo, con una temperatura del aire de 10° C. Sin embargo, la velocidad del sonido depende del medio a través del cual viajan las ondas sonoras y la temperatura del mismo.

El sonido viaja más rápido a través de la tierra o un metal que a través del aire y viaja más rápido a temperaturas cálidas que frías. Por ejemplo, el sonido viaja a 331 metros por segundo en el aire a 0o C y viaja a 343 metros por segundo en el aire a 20° C. En el agua del mar a 25° C, el sonido viaja a 1531 m/seg y a través de la madera a 3850 m/seg.

Reflexión del sonido

Otra característica de las ondas sonoras es que rebotan en superficies duras y lisas. En algunas superficies las ondas rebotan de tal manera que el sonido reflectado es casi igual al original aunque hay un lapso de tiempo entre el sonido original y el reflectado. Este fenómeno se conoce con el nombre de eco. Los murciélagos utilizan ecos para ubicar comida. Ellos envían ondas sonoras de alta frecuencia que rebotan en insectos y otros objetos y que son reflectados hacia sus oídos.

Los científicos e ingenieros están interesados en conocer cómo las ondas sonoras se reflectan, puesto que la reflexión de los sonidos afecta la capacidad de escucha en las personas cuando están en lugares como un teatro o un salón de clases. El estudio del sonido se denomina acústica. Una plataforma con concha acústica tiene una forma diseñada para reflectar el sonido hacia el público. En teatros y auditorios las paredes y pisos están forrados con cortinas gruesas y alfombras. La suave e irregular superficie de estos materiales está llena de pequeños orificios que absorben las ondas sonoras de tal manera que no rebotan; de esta manera, estas superficies suaves eliminan los ecos y otras interferencias y permiten escuchar mejor.

El estudio de la reflexión y recorrido de las ondas sonoras ha producido aplicaciones importantes del sonido.

El sonar, o alcance de sonidos en la navegación, está basado en el hecho de enviar ondas sonoras bajo el agua y escuchar sus ecos. Las embarcaciones utilizan el sonar para detectar obstáculos que estén bajo el agua y sean difíciles de visualizar; de esta manera previenen colisiones y pueden localizar embarcaciones hundidas.

Actualmente el sonido se utiliza en procesos médicos llamados ultrasonidos, con los que los médicos y futuros padres pueden observar al bebé que está en el vientre de la madre. Un pequeño aparato que genera ondas sonoras se coloca sobre el abdomen de la madre y envía ondas hacia el cuerpo del bebé. Como las ondas se reflejan, durante este proceso se conviertan en señales de televisión que pueden ser observadas en un monitor; esta imagen se denomina sonograma y es borrosa pero da una visión del desarrollo del bebé como ningún otro aparato lo había hecho antes.

Los sonogramas son útiles en varios campos. Con ellos, los médicos pueden determinar el tamaño del bebé y en algunos casos, su estado de salud; pueden confirmar la presencia de gemelos y el sexo de ellos. En el futuro, nuevos usos del ultrasonido a nivel médico serán perfeccionados.

Taller de lectura 15

Comprensión de los hechos

  1. ¿Para producir sonido, qué debe hacer la fuente del mismo?
  2. ¿Cuáles son las dos partes de una onda sonora?
  3. ¿Cuál es la frecuencia de un sonido?
  4. ¿Cuál es el rango de frecuencias sonoras que pueden escuchar los humanos?
  5. A qué es igual un Hertz?
  6. ¿En qué se diferencia un sonido con una fre¬cuencia de 10.000 Hertz a uno con 5.000 Hertz?
  7. ¿Qué produce el sonido de un trombón?
  8. ¿Si dos sonidos son diferentes sólo en su volu¬men, en qué se diferencian sus ondas sonoras?
  9. ¿Como se mide el volumen de un sonido?
  10. Generalmente ¿cuál es la velocidad de un sonido en el aire?
  11. ¿Qué condiciones afectan la velocidad del sonido?
  12. ¿Cómo se produce el eco?
  13. ¿Qué es la acústica?
  14. ¿Cómo se controla la reflexión del sonido en los teatros y auditorios?
  15. ¿Cómo funciona el sonar?
  16. Diga una de las formas en que se utiliza el ultrasonido en medicina
  17. Con una línea relacione de manera lógica las dos columnas que aparecen a continuación:
    Compresión Área en donde las moléculas están juntas
    Rarefacción Tono de la onda sonora o volumen
    Amplitud Área en donde las moléculas están separadas

Comprensión de los hechos.
Marque con x la respuesta correcta

  1. Una campana de vacío es un aparato del cual se puede remover todo el aire. Si un timbre se coloca en una campana de vacío y se saca el aire de ésta, ¿qué sucede?
    1. Se puede escuchar el sonido del timbre.
    2. No se puede escuchar el sonido del timbre.
    3. El sonido del timbre desaparece y luego vuelve a aparecer.
  2. Algunas películas del oeste, muestran a los scouts colocando el oído en la tierra para saber si los están persiguiendo o no. ¿Según lo que usted sabe acerca del sonido, esta acción tiene algún sentido?
    1. No, porque el sonido viaja más rápido por el aire que por la tierra.
    2. Sí, porque el sonido viaja más rápido por la tierra que por el aire.
    3. No importa, de todos modos el sonido viaja a la misma velocidad por el aire que por la tierra.
  3. Un sonido con frecuencia de 20.000 Hertz:
    1. Produce 20.000 ondas por segundo.
    2. Se mueve muy despacio a temperaturas altas.
    3. Tiene poco tono
  4. ¿Cuándo los ruidos son más fuertes?
    1. En un día frío.
    2. En un día cálido.
    3. Son iguales en un día cálido o frío.
  5. Los sonidos ultrasónicos:
    1. Están lejos del rango de frecuencia del oído humano.
    2. Son más fuertes que un estallido sónico
    3. No son producidos por vibraciones.

Aplicar la habilidad: Diagramas

  1. Explique con sus propias palabras la figura 1.
  2. Explique con sus propias palabras la figura 2.
  3. Utilice la figura 3 para responder las siguientes dos preguntas:
    1. ¿Se puede escuchar un sonido de 22.000 Hertz? Explique.
    2. Una persona puede cantar una nota que registre 800 Hertz. Explique.
  4. Decida cuál de los siguientes tres diagramas corresponde a las siguientes preguntas. Escriba la letra del diagrama correcto sobre la línea.
    _____ ¿Qué onda sonora tiene mayor tono?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene el sonido más suave?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene el sonido más fuerte?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene un tono moderado?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene la menor longitud?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene el menor tono?