TEMAS SELECTOS DE FÍSICA II

Bases de la electricidad La electricidad es una forma de energía con efectos térmicos, luminosos, magnéticos o químicos. El ser humano siempre tuvo problemas en entender la naturaleza de la electricidad a pesar de que la energía eléctrica es utilizada de las más diversas formas en máquinas y equipos. Todos utilizamos diariamente de una u otra manera, alguna forma de electricidad o de electrónica al encender una lampara o una radio, al usar una calculadora de bolsillo o un automóvil. Lo importante es disponer de la electricidad dándonos igual si proviene de una batería, de una pila o de una central eléctrica de cualquier tipo. Todo está compuesto de átomos, cada átomo tiene un núcleo alrededor del cual giran electrones. Los átomos son extraordinariamente pequeños, por lo que no los podemos distinguir a simple vista. Su diámetro es aproximadamente 1/100000000 mm. El núcleo, por su parte, tiene un diámetro 10000 veces más pequeño que el diámetro del átomo. El diámetro de un electrón es 1/10 del diámetro del núcleo.

Fig. 1.1

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Los electrones tienen una carga eléctrica negativa. Los electrones giran alrededor del núcleo del átomo en diversas órbitas. El núcleo del átomo esta compuesto de protones y neutrones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones son eléctricamente neutros (no tienen carga eléctrica ). Todos los cuerpos simples son determinados por la cantidad de sus electrones. Un cuerpo simple está conformado por átomos iguales. Juntándose átomos diferentes se obtienen cuerpos de propiedades nuevas; dichos cuerpos son denominados cuerpos compuestos. Si el núcleo del átomo tiene tantos protones como electrones que giran a su alrededor, entonces el átomo es neutro, es decir, no tiene carga eléctrica que actúe hacia fuera. Son neutros, por ejemplo, los átomos de litio, aluminio y sicilio, tal como lo muestran las siguientes gráficas. Esquemas simplificados.

Fig. 1.2

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Si alrededor del núcleo del átomo giran más electrones que la cantidad de protones que tiene el núcleo, el átomo tiene una carga negativa. Si, por lo contrario, giran menos electrones alrededor del núcleo que la cantidad de protones que éste tiene, entonces el átomo tiene una carga positiva. Los átomos que muestran estas características son calificados de iones. Iono (griego)=migrar Dado que los electrones giran en diversas órbitas y a alta velocidad en torno al núcleo, es necesario que actúe una fuerza de atracción para que los electrones se mantengan en sus órbitas. En consecuencia, se aplica el siguiente principio:

Fig. 1.3

Fig. 1.4

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TENSIÓN ELÉCTRICA En un circuito de agua son necesarias una bomba y tuberías. La bomba se encarga de conducir el agua hacia las tuberías mediante presión. Ello significa que para que el agua avance por las tuberías es necesario que exista una presión. La calefacción mediante agua caliente, por ejemplo, es un sistema de esa índole: la bomba transporta el agua siempre en la misma dirección.

Fig. 1.4

Al comparar la presión hidráulica o el circuito de agua con la tensión o el circuito eléctrico, puede constatarse que en el caso del circuito eléctrico también es necesario que actúe una determinada presión. Una batería es un ejemplo para ello. Existen diversas posibilidades para generar una tensión eléctrica. 1. - Generación de tensión por inducción. 2. - Generación de tensión por proceso electro-químico. 3. - Generación de tensión por calor. 4. - Generación de tensión por luz. 5. - Generación de tensión por deformación de cristales (piezo-electricidad).

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Todas las formas de generación de tensión se basan en el principio de la separación de cargas.

Fig. 1.5 La tensión eléctrica (símbolo empleado en las formulas = U) puede medirse con un voltímetro. La unidad de la tensión eléctrica es el voltio (símbolo de la unidad = V). Se le da el nombre de voltio en honor al físico italiano Volta (1745-1827). La magnitud de la tensión generada depende principalmente de cuatro factores: 1. 2. 3. 4.

Velocidad media del conductor. Densidad del flujo magnético. Longitud efectiva del conductor. Cantidad de conductores.

La magnitud de la tensión puede calcularse de la siguiente manera:

Uo = B * L * v * z Donde: Uo = tensión generada (V, volts). B = densidad del flujo magnético Vs/m2 V = velocidad media expresada en m/seg. L = longitud del conductor expresada en m. Z = cantidad de conductores. Ing. Jonathan Quiroga – http://bit.ly/cienciasCSJIC

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Ejemplo: ¿Cuál es la tensión si la densidad del flujo magnético es de 1 Vs/m2, la longitud del conductor es de 0.75 m, la velocidad media es de 1.5 m7s y la cantidad de conductores es de 150?

Uo = B * L * v * z Uo = 1 Vs/m2 * 0.75m * 1.5m/s * 150 = 16.8 V

GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR INDUCCION Si se mueve un conductor en un campo magnético, se induce una tensión de corriente alterna. La generación de tensión eléctrica con un imán se denomina inducción (tensión inducida). Este tipo de generación de tensión eléctrica se aplica, por ejemplo, en los dínamos (automóviles, bicicletas) y en los generadores (centrales eléctricas).

Fig. 1.6

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GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR ELECTROLISIS Si se sumergen dos placas de materiales diferentes (por ejemplo: placa de zinc = electrodo negativo; placa de cobre = electrodo positivo) en un líquido conductor, se obtiene un elemento galvánico. El líquido conductor, como puede ser por ejemplo agua salina, es denominada electrolito. Al sumergir las placas en el electrólito, los metales se cargan, con lo que se genera una tensión eléctrica. Tal tipo de generador de tensión es denominado “elemento galvánico”. Entre dos electrodos diferentes en un electrolito producen una tensión continua. Al conectar una unidad receptora se cierra el circuito a través del líquido conductor. Los electrones fluyen en la línea exterior del polo negativo (excedentes de electrones) hacia el polo positivo (deficiencia de electrones). La magnitud de la tensión es determinada por el material de los electrones.

Fig. 1.7

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GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR CALOR Al unir en un extremo un cable de cobre con uno de constatan y al calentarlos, se produce una tensión de corriente continúa. La tensión producida se sitúa en el margen de milivoltios (mV). Este tipo de generador de tensión eléctrica es denominado termoelemento. En la práctica los termo elementos son utilizados para mediciones de temperatura, por ejemplo en hornos industriales. Con este fin es necesario calibrar el voltímetro respectivo en Kelvin o grados centígrados.

Fig.1.8

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En la siguiente tabla se indican algunos valores de temperatura de diversos termoelemntos: Combinaciones de metales Cobre - constantán Hierro - constantán Níquel – cromo - níquel Níquel - platino

Tensión térmica MV / 373 K 4.1 5.6 4.1 0.9

Límite superior de la Temperatura 773 K (500 C) 973 K (700 C) 1173 K (900 C) 573 K (300 C)

Fig. 1.9

GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR LUZ Si sobre determinadas materiales cae luz o rayos X, se desprenden electrones. Las fotoceldas se basan en este fenómeno. Cuando incide luz sobre un elemento fotoeléctrico se genera una tensión de corriente continua.

Fig. 1.10

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GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR DEFORMACION DE CRISTALES Al ejercer una presión o tracción sobre un cristal, se producen diferencias de cargas eléctricas entre determinadas superficies de cristal. La tensión resultante puede tomarse en superficies conductoras. Si la presión y la tracción se alternan, la tensión de la corriente eléctrica será alterna. Un ejemplo de este tipo es el micrófono de cristales.

Fig. 1.11

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Para medir la tensión eléctrica se recurre a un voltímetro (medidor de tensión eléctrica). El voltímetro siempre es conectado en paralelo en relación con la fuente o la unidad receptora. Si se mide una tensión de corriente continua tiene que ponerse atención en no confundir los polos.

Fig. 1.12

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CORRIENTE ELECTRICA Sabemos que la tensión eléctrica es una característica que distingue, por ejemplo a una pila. Para que pueda fluir una corriente eléctrica es necesario crear un circuito compuesto de las siguiente partes: fuente, cables, interruptor y unidad consumidora.

Fig. 1.13

Los electrones se desplazan del polo negativo hacia el polo positivo cuando se cierra el circuito. Esta es la dirección en la que se desplazan los electrones. No obstante, aparte de los portadores de carga negativa también hay portadores de carga positiva. La dirección del movimiento de los portadores de carga positiva es el polo positivo a polo negativo, por ejemplo en un acumulador. Sin embargo la corriente como es un flujo se enfrenta a diversa resistencias en un circuito, como pueden ser la resistencia del conductor, resistencia de la unidad consumidora, etc. En consecuencia, la magnitud de la corriente eléctrica es determinada por el valor de la resistencia y por la tensión eléctrica.

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La corriente eléctrica es expresada en amperios (A), el símbolo de la corriente eléctrica = I 1 A = 1000 Ma 1 kA = 100 A Para medir la corriente eléctrica se utiliza amperímetros, el amperímetro deberá conectarse en serie en relación con la unidad consumidora. La corriente eléctrica es de diversos tipos y tiene varios efectos que son detallados en las tablas incluidas en las siguientes tablas.

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TIPOS DE CORRIENTE ELECTRICA

Fig. 1.14

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EFECTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA

Fig. 1.15

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PELIGOROS DE LA CORRIENTE ELECTRICA El cuerpo del ser humano y animales son conductores eléctricos. La corriente eléctrica puede causar quemaduras y espasmos musculares. Si la corriente fluye a través del corazón, provoca una así llamada “fibrilación cardíaca”, lo que puede tener como consecuencia un paro cardíaco e interrupción de respiración. Ello significa que en la práctica tienen que acatarse las normas de seguridad correspondientes para evitar accidentes.

TABLA DE LA CORRIENTE ELECTRICA EN EL CUERPO HUMANO

CORRIENTE ELECTRICA 0.3 mA 1 mA 10 mA 30 mA 50 mA

EFECTO Límite de detección Susto Espasmo muscular Pérdida del conocimiento Muerte

Fig. 1.16

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RESISTENCIA ELECTRICA Para transportar la energía hacia la unidad consumidora, tiene que producirse la corriente eléctrica desde el generador hacia la unidad consumidora a través de un sistema de conductores (líneas de corriente). Se trata, pues, de tres factores que influyen la corriente eléctrica. La unidad de resistencia es el ohm, su símbolo de la unidad = , y su símbolo en las formulas = R. Haciendo una analogía con un circuito hidráulico, podemos constar que la resistencia varía en función al diámetro y la longitud de la tubería por que fluye el caudal del agua. En los conductos eléctricos se observan procesos similares. La resistencia es mayor cuanto menor es el diámetro y mayor es la longitud del conductor.

Fig. 1.16 Diversos materiales de dimensiones idénticas ofrecen resistencias diferentes a la corriente eléctrica. Un conductor de poca resistencia es un buen conductor de corriente eléctrica. En ese caso se aplica el concepto de buena conductancia. Y viceversa, un conductor de gran resistencia tiene una mala conductancia. El oro, la plata, el cobre y el aluminio tienen un valor de resistencia bajo, por lo que su conductancia es buena. RESISTENCIA DE LAS UNIDADES CONSUMIDORAS Esta resistencia depende del rendimiento de la consumidora. En este tipo de Vidrio, betún, aceite, goma, PVC, cartón, porcelana, baquelita, etc.

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LEY DE OHM Ya familiarizado con los conceptos de tensión, corriente y resistencia. Estas tres magnitudes están relacionadas entre sí en un circuito, de una manera determinada. Según la ley de Ohm, en un circuito eléctrico la intensidad de la corriente aumenta en la misma proporción que la tensión. Si aumenta la tensión o disminuye la resistencia, la corriente aumenta en la misma proporción; si disminuye la tensión o aumenta la resistencia, la corriente disminuye correspondientemente en la misma proporción. Ejemplo 1: Si se tiene una bombilla de 220V, con una resistencia 500, calcular la intensidad de corriente.

I=U/R=222V/500=0.45 A Ejemplo 2: ¿Cuál es la resistencia de una estufa que trabaja a 220 V de tensión eléctrica y consume 10 A? R=V/I=220/10=22 Ejemplo 3: ¿Qué tensión deberá aplicarse a un taladro eléctrico si consume 2.73 A y la resistencia de la misma es de 80.8 ? U=I*R=2.73*80.8=220.58V Además, la ley de Ohm también indica lo siguiente: Si aumenta la resistencia R y se mantiene constante la tensión U, la intensidad I disminuye proporcionalmente.

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Ejemplo: Un aparato tiene que ser alimentado con una intensidad invariable de 100 mA a pesar de que la tensión oscila entre U1 = 20 V, U2 = 25 V y U3 = 28 V. En consecuencia, deberán hallarse las resistencias que mantengan invariable la intensidad de corriente eléctrica. R1= U1/I = 20/0.100 = 200  R2= U2/I = 25/0.100 = 250  R3= U3/I = 28/0.100 = 280 

Este cálculo nos indica lo siguiente: Si la tensión y la resistencia aumentan en la misma proporción, la intensidad de corriente no varía.

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POTENCIA ELECTRICA Tal como observamos en la corriente de agua, constamos que una bomba se encarga de transportar un caudal determinado a través de la red de tuberías. Si en vez de una bomba se recurre a una turbina, entonces puede transformar la energía cinética de la corriente de agua en un movimiento giratorio. Un ejemplo de esto son las centrales hidráulicas, donde el agua cae por un tubo donde hace que giren las paletas de una turbina. Este movimiento es transmitido por un eje, el que a su vez acciona un generador. La potencia de la central hidráulica depende de la cantidad de agua y de su presión. Esto significa que se realiza un proceso de transformación de energía mecánica en energía eléctrica. Todos los aparatos eléctricos están provistos de una placa o etiqueta de identificación, la cual indica, entre otros, la intensidad, la tensión y los tipos de protección. Tratándose de corriente continua, la potencia eléctrica se obtiene según la siguiente ecuación

Potencia = tensión * intensidad La potencia eléctrica se expresa en watios, La potencia mecánica se expresa en C.V. (caballo de vapor). No obstante, la norma establece desde el año de 1978 que la potencia de los motores incluyendo motores de automóviles tiene que expresarse en kW.

1W = 1000 mW 1000 W = 1 kW 1 CV = 736 W 1 kW = 1.36 CV

Fórmula para calcular la potencia: P=U*I P = I2 * R P = U2/R Ing. Jonathan Quiroga – http://bit.ly/cienciasCSJIC

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Ejemplo 1: Una estufa está diseñada para 220 V y consume 10 A. ¿ Cuál es la potencia total del aparato? P = U * I = 220 V * 10 A = 2200 W = 2.2 kW

Ejemplo 2: Una calculadora de bolsillo está prevista para U=3V y consume I = 0.00011 A. ¿ Qué potencia consume la calculadora? P = U * I = 3 V * 0.00011 A = 0.00033 W

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MAGNETISMO El magnetismo es un efecto esencial e importante de la corriente eléctrica. El funcionamiento de los relés y de los contactos magnéticos, usados con frecuencia en la práctica, se basan en el magnetismo eléctrico; el electromagnetismo es influenciado por 3 fundamentos: 1. Todo conductor por el que fluye una corriente eléctrica crea un campo magnético. 2. La dirección de la corriente en el conductor define la dirección de las líneas de fuerza. 3. La intensidad de la corriente en el conductor define la intensidad del campo magnético.

Fig. 1.17

En una bobina, por ejemplo, existe una corriente eléctrica, la cual produce un campo magnético, el cual puede actuar otras partes, realizando la función conmutadora en relés y contactos electromagnéticos.

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