CAPÍTULO 4 / TEMA 3

Formas de energía

La energía es la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, ya sea transferida o transformada de un tipo a otro.

ENERGÍA MECÁNICA

Es la energía almacenada y relacionada con la posición y el movimiento de los cuerpos. Asimismo, es producto de la suma de otras dos formar de energía: la cinética y la potencial.

¿Sabías qué?
En física, el trabajo es un principio de la mecánica que comprende una fuerza y un desplazamiento; el trabajo (W) lo usamos para describir cuantitativamente lo que se obtiene cuando una fuerza hace mover a un cuerpo a lo largo de una distancia.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía con un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética.

La energía potencial se puede presentar como:

Energía potencial gravitatoria

Es la que poseen los cuerpos debido a la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra.

Energía potencial elástica

Es la energía acumulada en un cuerpo elástico, es decir, aquellos que tienen la capacidad de deformarse y luego recuperar su forma original.

Energía potencial química

Es aquella que se transforma en energía cinética a partir de un proceso de combustión interna.

Energía cinética

Significa “movimiento”, cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

El valor de esta forma de energía depende de la masa (m) y de la velocidad (v) del cuerpo.

Cuando se lanza una pelota, gana energía cinética progresivamente.
Justo en el punto más elevado de la montaña rusa, toda la energía del vagón sería energía potencial, y al comenzar a descender, la energía potencial se transforma en energía cinética.

ENERGÍA QUÍMICA

La energía química es aquella que posee la materia debido a su estructura interna, este tipo de energía se puede aprovechar de las reacciones químicas, ya que se origina en las uniones entre átomos y moléculas. Esta energía puede ser liberada o absorbida durante la reacción, por lo tanto también puede liberar o absorber calor.

Las reacciones químicas pueden ser:
Exotérmicas si liberan calor Endotérmicas si absorben calor

Respiración de los seres vivos.

 

Combustión de compuestos orgánicos.

Fotosíntesis.

 

Descomposición de proteínas.

¿Qué es la biomasa?

Es material orgánico que proviene de plantas y animales, y es una fuente de energía renovable. Cuando se quema el material se libera calor que puede ser aprovechado, es decir, se transforma la energía química contenida en energía térmica.

 

La combustión es una de las reacciones más comunes. En estas reacciones el oxígeno del aire reacciona con un combustible y libera energía en forma de calor. Esta transformación se puede representar de la siguiente forma:

 

Donde:

Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder, es decir, la energía que puede obtenerse de un kilogramo de combustible.

m = masa del cuerpo que se quema (en kg).

V = volumen del cuerpo que se quema (en m3).

ENERGÍA TÉRMICA

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, por lo tanto es una energía en “paso o de tránsito”, que se transfiere de un cuerpo a otro. Se debe al movimiento de las partículas que forman la materia. Cuando ese movimiento se acelera, aumenta la temperatura y por consiguiente hay más energía térmica.

Así, cuando un cuerpo esté a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. De este modo, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

El calor puede transferirse de distintas formas:

Conducción

Es la transferencia de energía térmica que se produce a través de un medio material sin que se manifieste transporte de materia.

Convección

Es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, como aire o agua. En esta forma de propagación sí hay transporte de materia.

Radiación

Es la transmisión del calor por ondas electromagnéticas, a diferencia de la conducción y convección, no necesita de un medio material para propagarse.

Se debe saber que a causa del intercambio de calor, un cuerpo puede variar su temperatura o cambiar su estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Si se quiere calcular la cantidad de energía intercambiada es posible utilizar la siguiente ecuación:

Donde:

Q = cantidad de energía en forma de calor intercambiada entre los sistemas.

m = masa del sistema.

c = propiedad que depende del material que constituye el cuerpo y se denomina calor específico.

ΔT = variación de temperatura.

ENERGÍA RADIANTE

Este tipo de energía es producida por las ondas electromagnéticas, como las ondas de radio. Se caracteriza principalmente por la capacidad que tiene de propagarse en todas las direcciones en el vacío sin soporte material.

La energía solar es un ejemplo de energía radiante.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas puede propagarse por el vacío, por eso, los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden llegar hasta la superficie de la Tierra.

Ejemplos de energía radiante

 

Rayos X.

 

 

Rayos infrarrojos.

 

 

Rayos ultravioletas.

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Son aquellas que se pueden propagar en el vacío sin necesidad de un medio material. La luz, los rayos x, los rayos láser y otros, son ejemplos de ondas electromagnéticas.

ENERGÍA ELÉCTRICA

Este tipo de energía es causada por el movimiento de las cargas eléctricas o de los electrones que poseen los materiales conductores. Puede generarse a partir de otras energías y, a su vez, puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

Un relámpago es la emisión de luz seguida de la descarga eléctrica del rayo.

La energía eléctrica es aquella que se usa al encender la luz, calentar la comida con el horno de microondas o cargar el teléfono celular. Una forma de obtener energía eléctrica a partir del Sol es mediante la utilización de paneles solares.

La energía eléctrica puede representarse de la siguiente manera:

Donde:

P = potencia expresada en vatio (W).

t = tiempo en segundos.

V = voltaje en voltios (V).

R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).

I = intensidad d corriente en amperios (A).

¿Qué es la electricidad?

El término “electricidad” deriva del griego electron, que significa “ámbar”, y con este nombre se denominan todos los fenómenos físicos relacionados con la atracción de cargas negativas o positivas, y resultantes de la presencia y flujo de una corriente eléctrica.

 

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ENERGÍA MAGNÉTICA

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Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos se encuentran el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

¿Sabías qué?
En año 1819, el danés Hans Christian Orested fue el primero en relacionar los imanes con las corrientes eléctricas para definir lo que hoy se conoce como electromagnetismo.

Teorías del magnetismo

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Para poder comprender el fenómeno del magnetismo se han desarrollado distintas teorías.

Teoría de Weber

Un imán puede dividirse indefinidamente y aun así conservar sus propiedades magnéticas. Los materiales están compuestos de pequeñas moléculas imantadas.

Teoría de Ewing

Los materiales están compuestos por grupos de átomos con momentos magnéticos diferentes que son capaces de reordenarse cuando se les aproxima un material imantado y volverse magnéticos.

Teoría de Ampere

Cuando las corrientes elementales de un material ferromagnético son ordenadas, éste adquiere propiedades magnéticas.

¿Qué es un campo magnético?

Es la región en la cual el imán ejerce sus efectos. Esta zona muchas veces no puede ser observada a simple vista. Para representar el campo magnético se utilizan líneas denominadas líneas de fuerza.

Las brújulas y los imanes representan los ejemplos más comunes de magnetismo.

ENERGÍA NUCLEAR

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Tipos reacciones nucleares

Reacción de fusión

Es un proceso en el que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En el proceso se desprende gran cantidad de energía.

Reacción de fisión

Es un proceso en el que un núcleo de gran tamaño se divide en núcleos más pequeños mientras libera neutrones y gran cantidad de energía.

En estas reacciones nucleares la energía se expresa en relación a la masa:

Donde:

E = energía, se mide en julios (J).

m = masa que desaparece (en kg).

c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s).

Bomba atómica

La bomba atómica adquiere su nombre debido a su funcionamiento, ya que no depende de la combustión de algún material o de la reacción de algunos materiales o elementos químicos, sino que se basan en reacciones nucleares.

 

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “energía de un oscilador mecánico”

Recurso audiovisual que le permitirá resolver problemas sobre energía de un oscilador mecánico.

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Video “Física nuclear: desintegración radiactiva”

Este video explica en detalle en qué consiste el proceso de desintegración de núcleos radiactivos.

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Video “Energía y las reacciones químicas”

Este recurso describe cómo se manifiesta la energía en las reacciones químicas.

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El magnetismo

La atracción y repulsión que hemos observado alguna vez en los imanes es tan sólo el principio de un cautivante mundo regido por principios atómicos y aplicado a un sinfín de posibilidades.

En los imanes se puede diferenciar un polo norte y uno sur.

Pocos fenómenos físicos naturales ofrecen tanta utilidad para el hombre como la que brinda el magnetismo. Su manipulación ha permitido el diseño de multitud de productos tecnológicos, al punto de resultar imprescindible en la actualidad para nuestras vidas cotidianas. El altavoz que nos permite escuchar radio, el micrófono utilizado para realizar una grabación, los motores de los electrodomésticos, el alternador del automóvil, el timbre, la electroválvula y el relé, son tan sólo algunos de los ejemplos que se fundamentan en esta curiosa propiedad presente en ciertos materiales naturales denominados magnéticos.

Sin embargo, a pesar de estar familiarizados con muchos de los productos que se valen de este fenómeno para funcionar, lo cierto es que el común de las personas sabe poco y nada acerca de las causas y efectos que se esconden detrás de él. En este artículo descubriremos todos los secretos sobre el magnetismo para comprender su naturaleza.

Propiedades

Al hablar de magnetismo es frecuente que pensemos en los imanes y en su capacidad de atracción y repulsión con la que alguna vez habremos experimentado. La asociación no es incorrecta, ya que se trata de la fuerza que permite precisamente que se den estos fenómenos; sin embargo, debe tenerse presente que es una cualidad inherente a todos los materiales que conocemos, y no sólo a unos pocos. Esto quiere decir que no existen objetos sin propiedades magnéticas, lo que convierte en especial a los imanes es el hecho de que cuentan con una potencia mucho mayor que los demás. Y siguiendo este razonamiento, un imán sería entonces todo cuerpo con un campo magnético significativo.

Fenómeno de atracción de imanes de polos diferentes.

En este punto arribamos al encuentro de un nuevo término. Denominamos campo magnético a la zona de influencia que se encuentra alrededor de los objetos imantados y que se representa por medio de líneas de fuerza que nos indican la forma de los mismos y su intensidad.

Una segunda característica de los imanes es el hecho de que todos ellos tienen dos polos. Cada uno se encuentra en un extremo diferente y se conocen como Norte y Sur debido a que tienden a orientarse en este sentido según los polos magnéticos de la Tierra (fenómeno que permite el funcionamiento de las brújulas). Recordemos que nuestro planeta también es un gran imán y cuenta con un campo magnético de 36 mil millas en el espacio.

Convencionalmente se dice que las líneas de fuerza son trazos imaginarios que van de polo a polo: de norte a sur por fuera del imán y en sentido contrario por su parte interna. Es posible ver sus efectos, así como su distribución y densidad, disponiendo elementos metálicos de reducidas dimensiones, como limaduras de hierro, en la zona de influencia de un imán. Las líneas de fuerza de un campo magnético son cerradas, y el conjunto de todas ellas constituye el flujo magnético.

Los fenómenos de atracción y repulsión que pueden verse al jugar con dos imanes también están íntimamente relacionados con los polos y sus posiciones: cuando se atraen es porque son opuestos (norte y sur), cuando se repelen es porque son de igual signo (dos norte o dos sur).

Otra característica de los imanes es que si dividimos cualquiera de ellos en dos partes, en el punto de rotura se forman nuevos polos opuestos. Se obtienen así dos nuevos imanes, con idénticas propiedades que la pieza completa original. Este fenómeno se produce porque es imposible obtener un polo magnético aislado debido a que el magnetismo es una curvatura del espacio: el espacio es “comprimido” en una parte y “expandido” en la otra a modo de sistema, no puede existir uno sin el otro.

De la misma manera, al producirse el fenómeno de atracción entre imanes, puede decirse que en lugar de dos pegados obtenemos uno. Piénsese por ejemplo en el conocido experimento que se realiza al acercar un imán a una aguja y luego esta última a otra. Descubriremos que continúan atrayéndose más allá de la cercanía o lejanía del imán: esto quiere decir que el campo magnético se unifica, sólo hay un polo norte y uno sur que atraviesa a todas las piezas pegadas.

Una última propiedad común a todos los imanes es el hecho de que pueden perder su potencia o quedar desmagnetizados completamente si:

1) Se exponen a un campo magnético que está alineado en la dirección opuesta.
2) Se exponen al calor, energía que distorsiona el material y excita las partículas de magneto, causando que los dominios se salgan de la alineación.
3) Son golpeados causando que las partículas cambien de orientación.
4) Se exponen a presiones muy elevadas.

A modo de curiosidad, es interesante destacar que los griegos probablemente conocían el segundo modo de desmagnetizar un imán, ya que el propio término proviene de “adamas”, una palabra que se compone del prefijo de contrariedad o de negación “a”, y de la segunda parte (damaoo) que quiere decir “quemar”.

Tipos de imanes

¿Son iguales todos los imanes? La respuesta es no. De hecho se trata de un descubrimiento tan antiguo que sus usos y formas a lo largo de la historia han ido variando de forma increíble.

Diferentes formatos
de imanes según su uso.

Los primeros fenómenos magnéticos observados de los que se tiene algún registro fueron en Magnesia del Meandro hace más de 2 mil años, ciudad de Asia menor donde se cree que se encontraron por primera vez con imanes naturales a los que denominaron magnetitas. Hoy en día sabemos que se trata de un mineral formado por óxido de hierro.

Sin embargo, la mayor cantidad de imanes utilizados actualmente son artificiales. En la mayoría de los casos se trabaja con aleaciones de acero, níquel y cobalto, mediante las cuales se obtienen materiales que se magnetizan al ser sometidos a la acción de la corriente eléctrica o a la de campos magnéticos intensos.

También pueden clasificarse los imanes según el tiempo de conservación de sus propiedades magnéticas. Hablamos de imanes permanentes cuando el material imantado puede conservar durante años su capacidad de atracción y repulsión, un fenómeno que ocurre por ejemplo con el acero. En cambio, utilizamos la expresión “imán momentáneo” para denominar a aquellos que manifiestan propiedades magnéticas sólo mientras se encuentran en las proximidades de un imán, como por ejemplo, el hierro dulce.

Con respecto a las formas de los imanes hay que tener presente que es totalmente variable. Si bien los formatos clásicos son la barra rectangular y la herradura, dependiendo de la utilidad que se le vaya a dar, los imanes artificiales pueden fabricarse de cualquier configuración y tamaño. De este modo hallamos pequeños imanes, como las agujas magnéticas que se aplican a la detección de campos magnéticos utilizadas en la brújula y en los inclinómetros, y grandes imanes, como los que se disponen en los relés y en los altavoces destinados a la transformación de impulsos eléctricos en ondas acústicas. En los aceleradores de partículas atómicas también pueden encontrarse imanes de dimensiones considerables y gran potencia destinados a crear campos magnéticos constantes.

¿Sabías qué...?
La sustancia más magnética es el boruro de neodimio y hierro. (B Nd2 Fe14)

Lo mismo se puede decir de los materiales. Las aleaciones más comunes son de metales ferromagnéticos como el hierro, el níquel y el cobalto, pero lo cierto es que existen muchas y muy distintas que permiten usos diversos. Por ejemplo, los imanes cerámicos, fabricados a partir de partículas muy finas de óxido de hierro, son muy frágiles y pueden romperse con facilidad. En cambio, los imanes flexibles, realizados con hierro y estroncio, son increíblemente flexibles.

Sin embargo, no todos los materiales pueden formar parte de un campo magnético. Entre los fierros y aceros que pueden ser colocados dentro, deben identificarse tres tipos o clases de acuerdo con sus reacciones:

1) Aquellos que se magnetizan inmediatamente. Dentro de este grupo se encuentran los fierros dulces o blandos, que adquieren las propiedades magnéticas por inducción y los pierden inmediatamente que se saca del campo magnético.
2) Aquellos que se van magnetizando gradualmente y, una vez saturados, conservan la propiedad permanentemente. Entre ellos se encuentran los fierros duros o aceros.
3) Aquellos que actúan como fierros duros o dulces de acuerdo con las circunstancias. A esta clase se la conoce como fierro intermediario y se dice que reciben magnetismo subpermanente.

Electrodinámica

Muy a pesar de lo que se creyó durante mucho tiempo, en la actualidad sabemos que el magnetismo no constituye una esfera de fenómenos independientes, sino que no es más que una manifestación del movimiento de las cargas eléctricas. Por este motivo, la disciplina que se encarga de su estudio es la electrodinámica, rama de la física que trata las acciones dinámicas de las corrientes eléctricas. Esto quiere decir, entonces, que no existe ninguna diferencia esencial entre la atracción magnética que ejerce una bobina recorrida por una corriente eléctrica y la que ejercen los imanes permanentes a los que hemos estado aludiendo.

Algunos de los temas que estudia la electrodinámica son el campo magnético, las propiedades magnéticas de la materia y de la inducción electromagnética, así como otros que ya hemos tocado en este artículo. Pero, además, abarca otros tópicos como las corrientes alternas, los aparatos de medida y las máquinas eléctricas.

La relación entre los diversos fenómenos eléctricos y el magnetismo fue descubierta en la tercera década del s. XIX. Para ello fue fundamental el experimento realizado en 1820 por el físico y químico danés, Hans Christian Orsted (1777-1851), a partir del cuál se pudo deducir que las fuerzas magnéticas son causadas por el movimiento de la electricidad.

André-Marie Ampère, científico francés, fundador de la ciencia electromagnética.

La experiencia consistió en colocar cerca de un conductor recorrido por una corriente una aguja imantada. Esta última tendía a orientarse en dirección perpendicular al conductor y, si posteriormente se invertía el sentido de la corriente, la aguja giraba un ángulo de 180°, es decir, que seguía orientada perpendicularmente al conductor pero con sus polos norte y sur invertidos.

El trascendental experimento fue presenciado en la ciudad de Ginebra por el físico francés François Jean Dominique Arago (1786-1853), quien lo comunicó a la Académie des Sciences de París. De esta manera, llegó a ser conocido por el reconocido científico André-Marie Ampère (1775- 1836), quien formuló en 1827 la teoría del electromagnetismo.

Una bobina realizada con cable por el que circule una corriente eléctrica, produce un campo magnético más intenso que un cable en línea recta. La bobina es un tipo de electroimán llamado solenoide.

Adelantándose a su época (aún no se conocía la existencia del electrón), Ampère supo comprender que las acciones de los imanes se deben a corrientes cerradas existentes en la masa de la sustancia imanada.
A modo de resumen, puede explicarse la hipótesis de Ampère desde la teoría atómica. Todos los imanes están formados por átomos y cada uno era concebido como una espira, esto es, un conductor cerrado por el que circula corriente eléctrica y que tiene la capacidad de aumentar el campo magnético al incrementar su intensidad. Si las espiras atómicas en cada plano se alinean, formarían una espira macroscópica. Como resultado de todas las espiras resultantes se obtendría un solenoide.

En la actualidad, se sabe que los electrones que se encuentran en órbita alrededor del núcleo atómico forman espiras y que su rotación intrínseca también produce un campo similar. Esto se debe a que el electrón no es solamente una partícula con la carga eléctrica minima sino que además es un imán. La intensidad del magnetismo de un electrón es miles de veces mayor que la intensidad del magnetismo del núcleo atómico formado por protones y neutrones, por lo que las propiedades magnéticas de la materia son consecuencia fundamentalmente del magnetismo de estas partículas.
De esta manera, podemos arribar a una conclusión: El proceso de magnetización consiste en el alineamiento de los átomos en una dirección determinada. Cuando por la acción de un campo magnético externo se logran estas condiciones, el material queda magnetizado.

¡Vamos A hacer un experimento!

Manos a la obra, para realizar este experimento necesitas un imán en forma de U, una aguja, cinta adhesiva, un corcho y un recipiente con agua. ¿Descubriremos dónde está el polo norte?

1. Prepara un recipiente con agua.
2. Imanta la aguja frotándola en la misma dirección contra uno de los extremos del imán unas 30 veces.
3. Pega con la cinta adhesiva la aguja al corcho y haz que flote en el recipiente con agua.
¿Qué puedes observar? ¿Cómo se comporta el corcho con la aguja imantada?

Explicación: Seguramente estás observando que la aguja toma siempre la misma dirección, el eje norte – sur. ¡Fabricaste una brújula! Esto es así porque el núcleo de la Tierra, de hierro fundido, da al planeta su propio campo magnético. Los polos norte y sur magnéticos están situados cerca de los polos geográficos. El polo norte de un imán siempre señala al norte magnético. Sin embargo, el campo puede verse afectado por estructuras de hierros que se encuentran presente en las paredes, pisos y demás componentes de edificios y casas.