Secundaria Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

[alexpglez]

Hola, buenas, quería comentaros lo frustrado que me siento al oír definiciones como éstas, que usa este libro para explicar los conceptos de intensidad de corriente, tension, voltaje o diferencia de potencial y resistencia. Supongo y espero que este libro sea excepcional y que en otros venga bien explicado.
Por si acaso no se ve muy bien:
"Intensidad de corriente. Es la cantidad de electrones que circulan por un cable en un tiempo determinado. Su unidad de medida es el amperio (A).

Tensión o voltaje (o diferencia de potencial). Es la diferencia de nivel de carga que existe entre dos puntos (polo positivo y polo negativo), que hace que los electrones se muevan. Cuando conectamos una pila en un circuito, entre los extremos de la pila existe una diferencia de tensión (diferencia de cargas) tal, que hace que los electrones se desplacen. Su unidad en el Sistema Internacional es el voltio (V).

Resistencia. Es la oposición al paso de la corriente eléctrica. Cuanto más estrecho y más largo sea el cable, más trabajo les costará a los electrones atravesarlo. Su unidad es el ohmio ($\Omega$)."

La resistencia está quizá bastante correcta y exacta. Intensidad de corriente, yo cambiaría "en un tiempo determinado", por "por unidad de tiempo", tampoco tiene por qué ser electrones, podría ser iones en el agua, "cantidad de carga" sería más correcto, pero puede ser pasable.
Lo que sí que no es pasable es la diferencia de potencial. El "nivel de carga" (la negrita y el subrayado es mío), concepto que jamás he escuchado en mi vida. Con esta definición se podría entender que un resistor (o dos cables no conectados entre sí, etc.) en un circuito eléctrico sometido a una diferencia de potencial, se convierte en un dipolo eléctrico. Entiendo que tenga su símil con la pila, pero es errónea.

Esto está ahora mismo estudiando mi hermana y sus compañeros de 1º de la eso. Supongo que su profesor lo habrá conseguido explicar mejor en clase, pero me parece a mí fatal que a día de hoy se hagan estas definiciones (barbaridades) en los libros de texto. Por otra parte, siempre me ha dado la impresión de que los libros de texto están diseñados para y por el sistema educativo, donde no se trata de explicar un tema o varios, con bastante exactitud y cuidado en su terminología y detallarlos lo máximo posible, si no para seguir contar lo mismo y un "poquito" más en libros de cursos superiores (no sé si es una estrategia para engañar a padres y alumnos a costa forrarse las editoriales y los que redactan estos libros).

También, con respecto a los conceptos físicos de diferencia de potencial, corriente eléctrica, etc. Si soy sincero creo que yo tampoco los entendía del todo hasta el año pasado quizá, en el instituto siempre nos daban recetas de suma en serie o paralelo y ley de ohm, pero no nos decían por qué. Y creo que también sería complicado para alumnos de la eso, decir que la diferencia de potencial es la diferencia de energía potencial por unidad de carga.

¿Qué opináis vosotros?

Saludos.

[arivasm]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Pues no veas el trabajo que nos da a los profes que después tenemos que desarmar esas cosas, sobre todo la del voltaje. Alguno llega a 2º de bachillerato con ese discurso incrustado. Y si encima se lo explica alguien que no sabe una palabra de Física...

[Julián]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Yo pienso que ese libro es de un bajo nivel, es decir para estudiantes escolares que recién ven algo de físca eléctrica. Imagina la primera vez que vez algo de física eléctrica y te encuentras con:

$\dst I = \int \int \vec{J}(\vec{r}) . d \vec{S}$ tal que [Error LaTeX: Compilación LaTeX fallida]

$\dst V = {\int}_{a}^{b} \vec{E}(\vec{r}). d \hat{r}$ tal que $\dst \vec{E}(\vec{r}) = - \frac{\partial \vec{A}(\vec{r})}{dt} - \nabla V(\vec{r})$

tomemos la definición anterior de corriente: $\dst I = \int \int \vec{J}(\vec{r}) . d \vec{S}$ si lo explicamos en palabras, es que la corriente es la integración en una superficie de la carga que por unidad de tiempo fluye a través de la superficie S. Pues sigue siendo complicado esto para un escolar, asi que cambiemos carga por electrones y dejamos de lado los iones, protones. Y cambiemos superficie por las superficies que se encontrarán en la cotidianidad, así que digamos en vez de superficie "cable" y ahí obtenemos:

"Intensidad de corriente. Es la cantidad de electrones que circulan por un cable en un tiempo determinado. Su unidad de medida es el amperio (A).

ya que la definición $\dst \vec{E}(\vec{r}) = - \frac{\partial \vec{A}(\vec{r})}{dt} - \nabla V(\vec{r})$ el término $\nabla V$ no aporta nada en definición ya que ya se realizó $\dst V = {\int}_{a}^{b} -\nabla V(\vec{r}). d \hat{r}$ y el termino del vector potencial magnético ya es algo bastante complicado, de esta manera el campo eléctrico es en esta reducción:

$\dst \vec{E} = - \nabla V$
y

$\dst \nabla .\vec{E} = \frac{Q}{\varepsilon} \Rightarrow \vec{E}(Q (\vec{r})) = - \nabla V \Rightarrow V = {\int}_{a}^{b} \vec{E}(Q(\vec{r})) . d\hat {r}$

$\rho$ es la densidad de carga volumétrica y si no se tiene en cuenta la causa vectorial del campo eléctrico solo queda su causa escalar, la carga y que guarda relación directa con la diferencia de potencial.

Tensión o voltaje (o diferencia de potencial). Es la diferencia de nivel de carga que existe entre dos puntos (polo positivo y polo negativo)

Ateniendo que esa definición de voltaje solo aplica para pilas- baterias. La tensión en las redes de distribución eléctricas tiene como causa la variación de un flujo magnético en los generadores pero al conectar una carga resistiva al tomacorriente domiciliario en dicha resistencia aparecerá una diferencia de cargas debido a la discontinuidad en la conductividad del cobre y del material resistivo y de allí el efecto capacitivo parásito que existe en cualquier resistencia (dejando de lado el efecto de autoinductancia debido al campo generado por la corriente)

Luego aprenderán que la carga eléctrica es fuente escalar del campo eléctrico y que la variación del flujo magnético es la causa vectorial, tal que es posible definir una magnitud escalar que cuantifique el trabajo del campo eléctrico desde un punto de referencia hasta el cuestión. Y que la ley de ohm junto con toda la teoría de circuito es una simplificación de las ecuaciones de maxwell pero hasta que decidan que carrera elijirán creo que con esa definición les basta.

[arivasm]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Jamás entenderé por qué no se define, desde el principio, el voltaje como energía por unidad de carga. No es tan distinto de "precio = coste por unidad de algo".

Con respecto a la intensidad las tragaderas que hacen falta para decir "electrones por unidad de tiempo" no es muy diferente de la que hace falta para "carga por unidad de tiempo".

El problema de aprender cosas tan incorrectas, sobre todo eso de la diferencia del nivel de carga, es que después hay que pasar un esfuerzo doble: desaprender lo aprendido mal y aprender lo correcto.

[ignorante]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Hola a todos. A mí me ha llamado la atención lo que dice el recuadro amarillo en la esquina superior: “La corriente circulará siempre que haya diferencia de nivel de carga, es decir, siempre que tengamos una zona cargada positivamente y otra cargada negativamente. Cuando se gasta una pila, podemos decir que hay igual número de electrones en ambos polos”. ¿Esto es correcto?

[arivasm]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Qué va! Podría valer para el caso de una célula fotoeléctrica, pero no para una pila electroquímica ni para una fem originada por inducción en un circuito cerrado.

[angel relativamente]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Entonces, ¿cómo se le tendría que explicar a un alumno de 1º ESO lo que es el voltaje? Energía por unidad de carga está bien, ¿pero por qué eso es "responsable" de que los electrones se muevan en un circuito?
¿O quizá sería mejor no explicarlo antes que explicar algo incorrecto?

[arivasm]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

¿pero por qué eso es "responsable" de que los electrones se muevan en un circuito?

A ese nivel, algo parecido a lo que te hace caer por un tobogán: las fuerzas que actúan en el sentido de disminuir la energía. De hecho, creo que el niño pequeñito bajando por un tobogán, que su papá o mamá lo toman en brazos en la parte inferior y lo vuelven a situar en la parte alta, es una analogía magnífica del funcionamiento de un sistema pila-resistencia (papá-tobogán).

[Julián]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Si bien como desarrollé anteriormente la causa de una diferencia de potencial puede tener 2 causas, la fuerza electromotriz producidad por una variación de flujo magnético o densidades de carga no neta. Pero si se está adentrando en los primeros pasos es complicado decirle a un alumno de escuela la ley de faraday por lo que a mi parecer lo correcto es mencionar que el voltaje es debido a una densidad de carga no nula y se deja de lado el término debido a la ley de faraday.

Qué va! Podría valer para el caso de una célula fotoeléctrica, pero no para una pila electroquímica ni para una fem originada por inducción en un circuito cerrado.

Pués si, pero ahí estamos hablando de sus causas. SI la fem debida a la variación de un flujo magnético donde la superficie es delimitada por conductores, tal cual los generadores dicho campo eléctrico es aplicado directamente a la carga ya que ante el análisis de un conductor perfecto no hay caida de tensión. Y dicha diferencia de potencial en la carga es aplicada en forma de diferencia de densidades de carga en sus extremos, ya que el campo produce una acumulación de cargas positivas en la terminal positiva de la carga y una carencia de cargas positivas en el extremo negativo (porque las cargas se desplazan en los conductores de manera de anular el campo eléctrico). Hay acumulación de cargas debido a que los materiales resistivos no presentan la misma cantidad de carga libre.

En si el análsis correcto sería:

$\dst V = - \frac{d }{dt} {\int}_{s} \vec{B} . d \vec{S} = - \frac{d }{dt} {\int}_{s} (\mu I) . d \vec{S} + I R + \frac{1}{C} \int I d t + L \frac{d I}{dt}$

Si dejamos de lado la fuerza contraelectromotriz $\dst \frac{d }{dt} {\int}_{s} (\mu I) . d \vec{S}$ y la autoinductancia en la carga $\dst L \frac{d I}{dt}$ que son efectos de los campos magnéticos.

tenemos que:

$\dst V = IR + \frac{1}{C} \int I d t$ y ambas caidas de tensión (analisadas desde la carga) son debidas a diferencia de densidades de carga, es decir, como dice el texto "nivel de carga" Es una definición muy básica. Y creo que el concepto de energía para la escuela es muy complicado porque se piensa a tomar a la energía como algo que es y no una propiedad del sistema.

Es decir, observen que puse $\dst V = IR + \frac{1}{C} \int I d t$ y no $\dst \frac{d }{dt} {\int}_{s} \vec{B} . d \vec{S} = IR + \frac{1}{C} \int I d t$ ya que analizamos desde la carga y para una escuela técnica que recién inicia lo importante es lo que se obtiene desde el tomacorrientes y no lo que hay del otro lado. A su vez, fijarse pues que todos pensarán que la ley de kirchoff de tensiones es correcta y que la suma de tensiones en una malla cerrada es cero y eso no es así ya que no se tiene en cuenta la fuerza electromotriz producida por la variación del flujo magnético que es generado por la corriente y donde dicho flujo magnético es limitado por la superficie de los conductores. Ahora bien dicho efecto no es apreciado en bajo niveles de corriente y frecuencia pero al trabajar con RF ahí cambia la cosa.

[alexpglez]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Es verdad que si que hay diferencias de las cargas, también por ejemplo en una pila electroquímica, por las reacciones internas salen electrones de un electrodo a otro. Pero esto no es la diferencia de potencial, quiero decir, muchas veces podemos hablar de que la diferencia de potencial o bien "se produce por" o "produce" diferencias de carga, pero esto no significa que sea la diferencia de nivel de carga.

Por lo que recuerdo de dar en tecnologia en la ESO, era más práctica que conceptual. Pienso que la ley de ohm, era más una excusa para practicar a resolver ecuaciones de primer grado y practicar a hacer cálculos y problemas de serie paralelo, que para entender lo que realmente pasa. Por tanto, es cierto que definirlo bien es lo de menos. Algo así como en física de 1º o 2º de bacillerato derivar e integrar para resolver problemas sencillos de velocidad a partir de posición o de potencial a partir del campo, sin saber realmente lo que es derivar o integrar. (Hecho que todavía me parece peor)

Pero como dice Arivasm, no cuesta nada dar la definición de "energía por unidad de carga", mucho más correcta, cinco palabras. Además, un día en mi clase de lengua castellana y literatura, analizando un texto de Asimov nos dijo el profesor que la "energía" no era un tecnicismo. Quizá se entendería (por cualquier persona) mejor energía por unidad de carga que nivel de carga. Además nivel de carga, si nos fijamos en los fenómenos de las cargas, mejor diríamos diferencia de cantidad de carga...

[Julián]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

La diferencia de potencial en una pila es producida efectivamente por las densidades de carga en los electrodos. Densidad de carga positiva en el ánodo y densidad de carga negativa en el cátodo.

$\dst \nabla. \vec{E} = \frac{\rho}{\varepsilon}$

De esta manera los campos en cada electródo dependerá de la carga y de la geometría de estos.

En cualquier caso hay un desvalanceo de cargas, de tal modo que la diferencia de potencial es la energía en llevar esas cargas a la situación de equilibrio.

$\dst W = -q {\int}_{anodo}^{catodo} \vec{E} . d \vec{l}$ donde $\dst \vec{E} = {\vec{E}}_{anodo} + {\vec{E}}_{catodo}$

Cómo se produce ese desvalanceo de cargas es otra cosa. Puede ser por una reacción electroquímica o por una fuerzaelectromotriz.

alexpglez[/COLOR]]Pero como dice Arivasm, no cuesta nada dar la definición de "energía por unidad de carga", mucho más correcta, cinco palabras.

¿qué es la energía? En este caso es el trabajo en llevar dichas cargas a una situación de equilibrio, así que ¿por qué hay energía? por las densidades de carga (en el caso más simple, dejando de lado a los campos magnéticos). Y algún agente hizo trabajo en desequilibrarlas pero ahora el sistema tiene la capacidad de producir trabajo para equilibrarlas. Así que la energía está en el desequilibrio de cargas o dicho en otras palabras desnivel(que efetivamente no es el adecuado pero ante una función de cargas existen curbas de nivel como la que habrá en los electrodos.)

[arivasm]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

La diferencia de potencial en una pila es producida efectivamente por las densidades de carga en los electrodos.

No.

Pensemos en una pila electroquímica cualquiera, por ejemplo la pila Daniell. Cuando se conectan ambos electrodos, es decir, cuando se cierra el circuito se producen dos semirreacciones, $\rm Zn(s) \to Zn^{2+}(aq) + 2 e^-$ y $\rm Cu^{2+}(aq) <br /> + 2 e^- \to Cu (s)$. Ahora bien, ¿qué sucede si no cerramos el circuito? No habrá reacción alguna, no habrá transferencia alguna de electrones. Los dos electrodos tienen la misma carga neta: ninguna.

¿Significa eso que no existe diferencia de potencial entre los electrodos? Claro que existe diferencia de potencial! Concretamente, si las concentraciones de las disoluciones son 1 M habrá una diferencia de potencial de 1,10 V.

¿Qué expresa esa diferencia de potencial? Pues como se ha dicho, la energía por unidad de carga que se producirá si se transfiere carga desde un electrodo hacia el otro.

No es diferente de lo que significa el potencial gravitatorio: en las inmediaciones de la superficie de la Tierra entre dos puntos situados a alturas que se diferencian en 10 m la diferencia de potencial gravitatorio es de 98 J/kg. ¿Qué significa eso? que si se lleva materia desde el superior hacia el inferior su peso trabajará 98 J por cada kg del objeto. No expresa que exista una diferencia en las densidades de masa, que sería el equivalente gravitatorio de lo expresado en el texto que comento.

Quizá pueda señalarse que hay una diferencia entre un generador y la diferencia de potencial gravitatorio. Es verdad. Volviendo al simil circuito con generador / tobogán con padre, el voltaje de un generador es el equivalente del aumento en potencial gravitatorio que aplicará el padre cada vez que tome a un niño, es decir, el trabajo por unidad de masa que realizará en contra del peso del niño. Pero esto no cambia nada el significado de lo que es el voltaje (J/C) de un generador.

[Julián]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

¿Por qué hay diferencia de potencial? Porque en la oxidación - reducción cada polo produce un exceso de carga positiva y en el cátodo un exceso de carga negativa. La energía anteriormente está en la composición química pero pasa a ser energía eléctrica ante esa reacción redox que produce densidades de cargas.

Yo nunca he visto en las ecuaciones de maxwell .

Si he visto la ley de gauss y la ley de faraday. Y sí conozco que el trabajo del campo eléctrico es la diferencia de potencial. Por lo tanto para que exista diferencia de potencial debe existir campo eléctrico y por lo tanto cargas o flujo magnético variable.

¿cuando habrá diferencia de potencial? cuando se cierre el circuito. Y ¿por qué hay diferencia de potencial? por el exceso de carga.

[arivasm]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

¿Por qué hay diferencia de potencial? Porque en la oxidación - reducción cada polo produce un exceso de carga positiva y en el cátodo un exceso de carga negativa.

Con mis respetos, Julián. Ése es el tipo de errores de concepto que originan las malas explicaciones como las que motivan este hilo. ¿qué exceso se origina si no hay reacción? (repito: piensa en la pila sin conectar los electrodos entre sí -y no me refiero al puente salino-).

Yo nunca he visto en las ecuaciones de maxwell .

No es una cuestión de electromagnetismo, sino de Termodinámica

¿cuando habrá diferencia de potencial? cuando se cierre el circuito.

Entonces, ¿por qué al conectar un voltímetro a una pila, sin cerrar el circuito, señala una diferencia de potencial? ¿Crees que entre los polos de una pila electroquímica la diferencia de potencial es cero si no se cierra el circuito?

[Julián]

Re: Definiciones de magnitudes eléctricas en libros para 1º de la eso

Entonces, ¿por qué al conectar un voltímetro a una pila, sin cerrar el circuito, señala una diferencia de potencial? ¿Crees que entre los polos de una pila electroquímica la diferencia de potencial es cero si no se cierra el circuito?

Efectivamente cualquier voltimetro cierra el circuito. Un voltimetro convencional tiene una resistencia de aproximadamente 10 MOhms. Ya sea por voltimetro con galvametro o digitales en ambos hay una circulación de corriente. De tal manera que al tener una resistencia interna grande el voltimetro no afecta demasiado la medición pero sin lugar a dudas existe una circulación de corriente. https://es.wikipedia.org/wiki/Volt%C3%ADmetro

Un voltimetro analógico detecta una diferencia de potencial debido a la corriente por el galvámetro donde se calibra dicho instrumento con el patrón, de manera tal que la corriente que circula es la caida de tensión entre las terminales sobre la resitencia interna del voltimetro que es una suma de una resitencia en serie con la resistencia del galvametro. Un voltimetro digital hace una comparación de la tensión con una tensión patrón o se hace una conversión analógica digital.

En ambos casos la forma de medir la diferencia de potencial es con los parámetros eléctricos. ¿cómo puede circular una corriente por el galvámetro si no hay una densidad de carga o fuerza electromotriz en los extremos del voltimetros? Entiendo que la causa de una pila es química pero eso se traduce en una densidad de carga no neta entre los electrodos de las mismas en la conversión de energías. Y si al conectar o cerrar un circuito los elementos resisitivos aumenta la temperatura sin lugar a dudas la causa es energía de un campo eléctrico o un campo magnético (el vector de poynting indica la intensidad y dirección de la energía)
$<br /> \dst \vec{S} = \vec{E} \times \vec{B}$ que para el caso de un régimen continuo $\dst \left\vert{} \vec{S} \right\vert{} = V I$

Si dejamos de lado la parte magnética el campo eléctrico solo tiene su fuente escalar que es la carga. Pero como estamos haciendo un análisis simple partimos desde la carga y no de los fenómenos físicos anteriores como lo es una reacción química o fuerza electromotriz ya que los estudiantes recién comienzan.