ELECTRICIDAD
CORRIENTE ELÉCTRICA
Carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. Qi=Qf
\vec F = q \vec E
En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2
Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.
Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.
El potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz. Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca allí.
La fuerza entre dos cargas se calcula como:
q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2
d = Distancia de separación entre las cargas
Fe = Fuerza eléctrica
La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.
donde:
es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.
es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;
es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.
Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.
En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivando respecto al tiempo la ecuación anterior.
*gran variedad de aparatos domésticos funcionan con corriente alterna.
Con lo antes ya mencionado existe la siguiente clasificación:
• conductores: son aquellos cuerpos en los cuales los electrones se mueven con facilidad.
• Aislantes: son aquellos cuerpos en los que los electrones tienen poca o ninguna movilidad con relación a otros átomos
• Semiconductores: son cuerpos que conducen, o no, la corriente eléctrica según la temperatura que tiene.
I= Q/T
Donde:
I= intensidad que se mide en Amperios
Q= cantidad de electricidad, que se mide en culombios
T= tiempo en segundos.
La corriente continua la producen las baterías, las pilas y las dinamos.
Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada).
žLa Corriente Alterna circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.
žEste tipo de corriente es la que nos llega a nuestra casas y las usamos para alimentar la TV, la lavadora, el refrigerador, entre otros.
La ecuación matemática que describe esta relación es:
Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. Qi=Qf
Campo Eléctrico
El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.1 Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica \vec F dada por la siguiente ecuación:\vec F = q \vec E
En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2
Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.
Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.
Potencial Eléctrico
El potencial eléctrico o potencial electrostático en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia,1 dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:El potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz. Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca allí.
Fuerza eléctrica
Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende de el valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.La fuerza entre dos cargas se calcula como:
q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2
d = Distancia de separación entre las cargas
Fe = Fuerza eléctrica
La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.
Campo Eléctrico
El campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga positiva de prueba. El campo eléctrico esta dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa.
Capacitancia Electrica
En electromagnetismo y electrónica, la capacitancia1 o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión matemática:donde:
es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio. es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios; es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.
En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivando respecto al tiempo la ecuación anterior.
Donde i representa la corriente eléctrica, medida en amperios.
El termino corriente eléctrica o corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que pasa por alguna región de espacio.
La mayoría de las aplicaciones practicas de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas.
* La batería de una luz de destalles suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta.
*gran variedad de aparatos domésticos funcionan con corriente alterna.
Con lo antes ya mencionado existe la siguiente clasificación:
• conductores: son aquellos cuerpos en los cuales los electrones se mueven con facilidad.
• Aislantes: son aquellos cuerpos en los que los electrones tienen poca o ninguna movilidad con relación a otros átomos
INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
I= Q/T
Donde:
I= intensidad que se mide en Amperios
Q= cantidad de electricidad, que se mide en culombios
T= tiempo en segundos.
Corriente eléctrica
Siempre que se mueven cargas eléctricas de igual signo se establece una corriente eléctrica, para definir la corriente de manera más precisa suponga que la cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A. la corriente es la tasa a la cual fluye la carga que pasa por esta superficie. Si la cantidad de carga que pasa por esta área en un intervalo de tiempo, la corriente promedio, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo.
CORRIENTE CONTINUA
La corriente continua (CC) o corriente directa (CD) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial.
En la corriente continua los electrones fluyen siempre en el mismo sentido, moviéndose del polo negativo al positivo.
La corriente continua la producen las baterías, las pilas y las dinamos.
Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada).
La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta.
En la gráfica V-t (tensión-tiempo) se representa como una línea recta de valor.
Corriente Alterna
žDefinición Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente.
žLa CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y las empresas.
Sin embargo, las señales de radio transmitidas por cables eléctricos
Son también ejemplos de Corriente Alterna. En estos usos, el fin mas importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada sobre la señal de la CA.
žLa Corriente Alterna circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.
žEste tipo de corriente es la que nos llega a nuestra casas y las usamos para alimentar la TV, la lavadora, el refrigerador, entre otros.
Ley de OHM
La ley de Ohm dice que la intensidad de la corriente que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta constante es la conductancia eléctrica, que es la inversa de la resistencia eléctrica.
La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad específica de ciertos materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss, por ejemplo.
Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.1
Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.
Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen permanente (véase también «Circuito RLC» y «Régimen transitorio (electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura.
LEY DE COULOMB
" La fuerza atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa"
Esto quiere decir que si la distancia entre dos objetos cargados se reduce la mitad, la fuerza de atracción o repulsión entre ellos se cuadruplicará.
Esto quiere decir que si la distancia entre dos objetos cargados se reduce la mitad, la fuerza de atracción o repulsión entre ellos se cuadruplicará.
LEYES DE KIRCHHOFF
ža) Ley de nodos o ley corrientes
ž
En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Dicho de otra forma la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo.
Suma de corrientes entrantes = Suma de las corrientes salientes
Un enunciado alternativo es, en todo nodo la suma algebraica de corrientes debe ser 0.
LEY DE MALLAS O LEY DE VOLTAJES
žEn toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión. Dicho de otra forma el voltaje aplicado a un circuito cerrado es igual a la suma de las caídas de voltaje en ese circuito.
ž
ž
Voltaje aplicado = Suma de caídas de voltaje
Un enunciado alternativo es, en toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser 0.
LEY DE WATT
žLa potencia eléctrica suministrada por un receptor es directamente proporcional a la tensión de la alimentación (V) del circuito y a la intensidad de corriente (I) que circule por él.
ž
Fórmula:
žDonde:
žP= Potencia en watt (W)
žV= Tensión en volt (V)
žI= Intensidad de corriente en ampere (A)
LEY DE JOULE
žCuando la electricidad circula o pasa por unconductor o una resistencia, se produce un calor. A este calor producido se le denomina El efecto de Joule.
ž
En definitiva, el efecto Joule provoca una pérdida de energía eléctrica, la cual se transforma en calor, estas pérdidas se valoran mediante la siguiente expresión:
žDonde:
žPp = Potencia perdida en W
žR= Resistencia del conductor en Ω
žI= Intensidad de corriente en A
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
ž Se denomina circuito eléctrico al conjunto de elementos eléctricos conectados entre sí que permiten generar, transportar y utilizar la energía eléctrica con la finalidad de transformarla en otro tipo de energía como, por ejemplo, energía calorífica (estufa), energía lumínica (bombilla) o energía mecánica (motor).
Componentes de un circuito eléctrico
ž
Voltaje
Corriente
Resistencia
El circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula en todo el sistema, y abierto cuando no circula por él.
Re = R1+R2+R3+R4...Rn
Donde:
Re = Resistencia equivalente.
R1+R2+R3+R4...Rn = Suma de las resistencias conectadas.
1/Re = 1/R1+1/R2+...+1/Rn
De acuerdo con la ley de ohm sabemos que:
I = V/R
Y como I = I1+I2+I3 entonces:
I1 = V/R1; I2 = V/R2; I3 = V/R3
Es decir:
I = V [1/R1+1/R2+1/R3]
CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE, PARALELO Y MIXTAS
Un circuito eléctrico es un sistema en el que la corriente fluye por n conductor en una trayectoria completa, es decir, cerrada, debido a una diferencia y potencial. Un foco conectado a una pila por medio de un conductor es un ejemplo de circuito eléctrico básico.
En cualquier circuito eléctrico por donde se desplazan los electrones a través de una trayectoria cerrada, existen los siguientes elementos:
Voltaje
Corriente
Resistencia
El circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula en todo el sistema, y abierto cuando no circula por él.
CONEXIÓN EN SERIE
Al conectar dos o más resistencias en serie, se puede calcular la resistencia equivalente de la combinación lo cual, por definición, es aquella que representa la misma oposición al paso de la corriente que representa las demás resistencias conectadas, por tanto, puede sustituir al sistema en serie del circuito.
Re = R1+R2+R3+R4...Rn
Donde:
Re = Resistencia equivalente.
R1+R2+R3+R4...Rn = Suma de las resistencias conectadas.
CONEXIÓN EN PARALELO
Cuando las resistencias se conectan en paralelo sus terminales se unen en dos bornes (extremos) comunes que se enlazan a la fuente de energía o voltaje. En esta conexión la corriente eléctrica se divide en cada uno de los dos ramales o derivaciones del circuito y dependerá del número de resistencias que se conecten en paralelo; de tal manera que si una resistencia es desconectada las demás seguirán funcionando, pues la corriente eléctrica no se interrumpirá en ellas.
1/Re = 1/R1+1/R2+...+1/Rn
De acuerdo con la ley de ohm sabemos que:
I = V/R
Y como I = I1+I2+I3 entonces:
I1 = V/R1; I2 = V/R2; I3 = V/R3
Es decir:
I = V [1/R1+1/R2+1/R3]
CONEXIÓN MIXTA DE RESISTENCIAS
Cuando se tiene una conexión mixta de resistencias, significa que están agrupadas tanto en serie como en paralelo. La forma de resolver matemáticamente estos circuitos es calculando parte por parte las resistencias equivalentes de cada conexión, ya sea en serie o en paralelo, de tal forma que simplifique el circuito hasta encontrar el valor de la resistencia equivalente de todo el sistema eléctrico.
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