En la electrostática estudiamos los fenómenos producidos por las cargas eléctricas en reposo en estado de equilibrio, las fuerzas de atracción o repulsión entre






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fecha de publicación24.06.2016
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ELECTRODINAMICA

En la electrostática estudiamos los fenómenos producidos por las cargas eléctricas en reposo en estado de equilibrio, las fuerzas de atracción o repulsión entre ellas y los efectos que se producen en un conductor aislado. En esta parte llamada electrodinámica trataremos del movimiento de las cargas eléctricas dentro de un conductor o sea de la corriente eléctrica y de los fenómenos a que esta da lugar.
CORRIENTE ELECTRICA:
Se le denomina así al movimiento de las cargas eléctricas a través de un cuerpo conductor. Puesto que los protones de un átomo están firmemente adheridos al núcleo los únicos que pueden moverse son los electrones o cargas negativas. Sin embargo, los electrones no pueden moverse espontáneamente sin que exista una fuerza motriz que los obligue a moverse, esto se logra con un impulso proporcionado por una fuente de energía eléctrica la cual debe crear una diferencia de potencial entre dos puntos en la cual los electrones son repelidos o atraídos de un punto a otro de un circuito creado para tal efecto; esta diferencia de potencial eléctrico es conocida comúnmente por voltaje.
DIFERENCIA DE POTENCIAL
Si dos cuerpos electrizados a diferente potencial se conectan entre si mediante un alambre conductor, las cargas de mayor potencial se desplazarán hacia el punto de menor potencial originando una corriente eléctrica instantánea o descarga, la cual cesa tan pronto como la diferencia de potencial se anula o se hace cero y el sistema se hace eléctricamente neutro.

Si por algún procedimiento se logra mantener la diferencia de potencial constante entre dos puntos del circuito y se conecta a éste un consumidor eléctrico las cargas eléctricas se desplazarán a través del consumidor en forma de un flujo de electrones.

Entonces podremos definir la corriente eléctrica como el flujo de electrones a través de un conductor cuyos extremos están conectados a una fuente de energía que proporciona una diferencia de potencial entre dichos extremos.

Para lograr producir una diferencia de potencial continua entre los extremos de un conductor, se emplean aparatos llamados generadores, los cuales son dispositivos electromecánicos que se encargan de transformar distintos tipos de energía (química, mecánica, solar, calorífica, nuclear, hidráulica, geotérmica, eolica, etc.) en energía eléctrica manifestada en forma de diferencia de potencial.

De la misma manera que una bomba hidráulica impulsa el agua a través de una tubería, el generador impulsa a los electrones a través de un circuito desde un punto de bajo a otro punto de alto potencial produciendo de esta manera la diferencia de potencial entre ambos puntos. Esta diferencia de potencial es una especie de presión eléctrica que impulsa la corriente o flujo de electrones a través de los conductores que forman parte del circuito y por tal motivo se le llama FUERZA ELECTROMOTRIZ (f.e.m.).
VOLTAJE. (E;V)
La diferencia de potencial o voltaje entre dos puntos de un circuito equivale a la energía que se desprende de un punto de un circuito hacia otro punto del circuito que la absorbe. Como la diferencia de potencial involucra la relación entre un conjunto de cargas y su energía potencial eléctrica se dice que el potencial absoluto de una conjunto de cargas depende de su energía potencial dividida entre el valor de la carga.
Matemáticamente:
Ep Energía potencial

V = Potencial =

q Carga
En donde:
V = Potencial absoluto o diferencia de potencial o voltaje. (en voltios)

Ep = Energía Potencial. (en Joules)

q = Carga eléctrica. (en coulombios)
En el sistema MKS la unidad del potencial absoluto o diferencia de potencial o voltaje es el VOLTIO y resulta de dividir la energía potencial en Joules entre la carga dada en Coulombios.
VOLTIO.

Existe una diferencia de potencial de 1voltio, cuando para mover de un punto a otro de un circuito una carga eléctrica de un coulombio hay que comunicarle una energía de 1 joule
CIRCUITO ELECTRICO
Es un sistema eléctrico conductor cuyos extremos están conectados a las terminales de un generador eléctrico; forman parte de un circuito la fuente de alimentación, los conductores (cables o alambres), un sistema de control y/o protección (interruptor y fusibles) y uno o varios consumidores de la electricidad.. Se dice que un circuito eléctrico está cerrado cuando fluye energía eléctrica en todo el sistema y se dice que está abierto cuando por el sistema no pasa corriente.

Existen dos tipos de circuitos básicos: circuito serie y circuito paralelo y uno secundario: circuito serie - paralelo.

CIRCUITO SERIE.
Es en el que todos los elementos tanto, conductores como consumidores, están conectados uno a continuación del otro, por lo cual la corriente eléctrica debe atravesar sucesivamente cada uno de dichos elementos de modo que si se abre el circuito en algún punto se interrumpe el flujo de electrones a través de todo el circuito.
CIRCUITO PARALELO.
Es un circuito bifurcado en varios ramales conductores, la corriente eléctrica se divide entre cada uno de estos ramales conductores paralelos, de modo que si se abre el circuito en cualquiera de ellos no se interrumpe la circulación de corriente en los demás.
VELOCIDAD Y SENTIDO DE LA CORRIENTE.
La corriente eléctrica se propaga en forma de ondas a través de un conductor con la misma velocidad que la luz: aproximadamente 300 000 Km/seg. Pero una cosa es la velocidad con la que se transmite la energía y otra muy distinta la velocidad promedio con la que se desplazan de un átomo a otro los electrones dentro del conductor, esta velocidad promedio dentro de un conductor metálico es de solamente unos cuantos centímetros por segundo.

Debido a que en el siglo pasado, cuando se inició formalmente el estudio de la electricidad no se conocía la naturaleza del átomo ni por lo tanto la existencia de los electrones, protones y neutrones se supuso erróneamente que las partículas positivas eran las que se desplazaban a través del conductor por lo que se designó arbitrariamente el sentido de la corriente, esto es: del polo positivo al polo negativo. Para no alterar lo que por uso se ha hecho costumbre, por convención se dice que el movimiento de los electrones es opuesto al que realmente tiene la corriente eléctrica.
CLASES DE CORRIENTE ELECTRICA
Existen dos clases de corriente eléctrica: la corriente continua (CC) y la corriente alterna (CA).
CORRIENTE CONTINUA (CC):

Es la que fluye siempre en el mismo sentido: del polo positivo al polo negativo, en este tipo de corriente el polo positivo es siempre positivo y el polo negativo es siempre negativo. Las fuentes de energía que proporcionan CC son los acumuladores y las pilas secas. Cuando una corriente alterna CA se rectifica por algún medio se convierte en Corriente Directa o CD, la cual para los usos prácticos es la misma que la CC.
CORRIENTE ALTERNA (CA).

Es el tipo de corriente cuyo sentido de flujo varía continuamente invirtiéndolo periódicamente, esto significa que en cierto lapso de tiempo uno de los polos se mantendrá positivo y el otro negativo y después de transcurrido este lapso el primer polo será negativo y el otro positivo. Las fuentes de CA son los generadores rotatorios en los cuales en un instante dado un polo es negativo y el otro positivo y viceversa de una manera oscilatoria, siempre por intervalos de tiempo iguales. En el suministro doméstico de CA la frecuencia con la que cambia la polaridad es de 60 Hertz o sea de 60 ciclos o veces por segundo.
INTENSIDAD DE CORRIENTE ( I )

Se le llama así a la cantidad de cargas eléctricas que en un segundo atraviesan una sección de un conductor.

Si la intensidad del flujo eléctrico es constante, en cada segundo que transcurre circula por el conductor la misma cantidad de cargas eléctricas. De esto se deduce que la intensidad de corriente es igual a la carga total dividida entre el tiempo durante esta carga total fluye.
Matemáticamente:

q En donde: q = Carga eléctrica. (en Coulombios)

I =


t t = tiempo (en segundos)

I = Intensidad de corriente (en Amperes)
La unidad MKS de la intensidad de corriente se llama AMPERIO (A) y resulta de dividir la carga eléctrica q dada en coulombios entre el tiempo t dado en segundos.
AMPERIO.

Es la unidad de la intensidad de corriente que circula por un conductor y es igual a un flujo de 1 coulombio cada segundo.

Coulombios

Amperios =

Segundos
Existen también submúltiplos del amperio:
El miliamperio (mA) 1 mA = 1 x 10 – 3 amperios
El microamperio ( A) 1 A = 1 x 10 – 6 amperios

RESISTENCIA ELECTRICA (R)
La resistencia eléctrica es la oposición que un cuerpo presenta al paso de la de la corriente eléctrica cuando se conecta a sus extremos la salida de un generador eléctrico. Esta resistencia es más grande cuanto más baja es la intensidad de corriente que atraviesa el cuerpo siempre que la diferencia de potencial permanezca constante. Pero si para un conductor dado se aumenta el voltaje también se incrementa la intensidad de corriente en la misma proporción, por ejemplo si un cuerpo deja circular 2 amperes al aplicarle 10 voltios al aumentar el voltaje a 20 voltios dejará circular 4 amperes, por lo tanto si no se varía el valor de la resistencia la relación entre voltaje e intensidad permanece constante.

Es obvio que cualquier cuerpo presentará resistencia al paso de la corriente y por ello los cuerpos conductores presentan una resistencia mínima que prácticamente es despreciable pero existe, en el caso de los cuerpos aislantes el valor de la resistencia es muy grande y por ello dificultan enormemente el paso de la intensidad de corriente, en conclusión, no existen sustancias completamente aislantes ni completamente conductoras, esta condición varía de la magnitud del voltaje que se les aplique.

La unidad MKS de la resistencia eléctrica es el OHM, llamado de esta manera en honor del físico Jorge Simón Ohm, que fue el primero que estudió la relación existente entre el voltaje, la intensidad de corriente y la resistencia eléctrica.
O H M ( Ω )

Se dice que un conductor tiene una resistencia de 1 ohm cuando al aplicarle una diferencia de potencial de 1 voltio deja circular a través de él un ampere.
VOLTIOS

OHMS =

AMPERES

RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR.
Como ya se dijo, no existen sustancias completamente aislantes ni completamente conductoras, pero en los circuitos eléctricos existen alambres o cables que conectan los distintos elementos del circuito y la resistencia de esos conductores también influye en los parámetros de diseño del circuito. Esta resistencia depende de varios factores: longitud, área de la sección transversal y tipo de sustancia con la que está elaborado el material conductor.
Longitud: La resistencia es directamente proporcional a la longitud del
conductor.

Sección: La resistencia es inversamente proporcional a la sección o área del
conductor.

Material: La resistencia varía según sea la naturaleza del conductor.
La resistencia propia de un material conductor se mide por su resistencia específica o resistividad (ρ)
RESISTIVIDAD ( ρ )
La resistividad de una sustancia es la resistencia que a determinada temperatura presenta un alambre de la misma de un metro de longitud y de un área de 1 mm 2 .

Para calcular la resistencia de un conductor en forma de alambre se utiliza la fórmula siguiente:
L ρ En donde:

R = R = Resistencia en ohms

S L = Longitud en metros

S = Area en m2


ρ = Resistividad en Ω-m

En un circuito eléctrico, se representa por lo general al elemento consumidor de energía como una resistencia, pero no todos los consumidores de energía la convierten en calor como las resistencias; sino que independientemente del tipo de transformación de energía que realice el elemento consumidor, éste siempre presenta una oposición al paso de la intensidad de corriente medida en ohms.
Con los diversos materiales existentes se pueden fabricar resistencias con valores específicos o variables según las necesidades del circuito. Las resistencias fijas por lo regular están fabricadas de carbón y su valor nominal no cambia o bien varía según su tolerancia, las resistencias variables consisten de un mecanismo que hace variar el valor de la resistencia en un rango determinado.


TABLA DE RESISTIVIDADES DE VARIOS MATERIALES

 

MATERIAL

RESISTIVIDAD

 

 

(en ohms por metro)

1

PLATA

1,59 X 10-8

2

COBRE

1,7 X 10-8

3

ORO

2,44 X 10-8

4

ALUMINIO

2,82 X 10-8

5

TUNGSTENO

5,6 X 10-8

6

HIERRO

10 X 10-8

7

PLATINO

11 X 10-8

8

PLOMO

22 X 10-8

9

NICROMO

1,50 X 10-6

10

CARBON

3,5 X 10-8

11

GERMANIO

0,46

12

SILICIO

640

13

VIDRIO

1 X 10 10 ----- 1 X 10 14

14

CAUCHO DURO

1 X 1013

15

AZUFRE

1 X 1015

16

CUARZO FUNDIDO

75 X 1016


Las resistencias se pueden conectar en serie o paralelo o bien en combinación de ambos y de esta combinación se puede calcular una resistencia única o equivalente.
Para un circuito de resistencias en serie:
RE = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Para un circuito de resistencias en paralelo:
1 1 1 1 1

= + + + . . . +

RE R1 R2 R3 Rn

Si son dos resistencias:

R1 R2

RE =

R1 + R2

Si son tres resistencias:
R1 R2 R3

RE =

R1 R2 + R1 R3 + R2 R3
Se ha observado que la intensidad de corriente que circula por un circuito, depende de la diferencia de potencial en los bornes del generador que lo alimenta y de la o las resistencias conectadas al circuito. Lo anterior se resume en la ley básica del estudio de los circuitos eléctricos:

LEY DE OHM.
La intensidad de corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial o voltaje entre sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia.

Matemáticamente:
V Voltaje voltios

I = ; intensidad = ; amperes =

R Resistencia ohms


LEYES DE KIRCHHOFF
Ley referente a los voltajes:
En un circuito cerrado o malla la suma algebraica de las fuentes de energía aplicadas o subidas de tensión es igual a la suma algebraica de las caídas de voltaje en los elementos pasivos de un circuito; es decir la suma algebraica de los voltajes de un circuito es igual a cero.
Ley referente a las corrientes:
En un circuito cerrado o malla la suma de las intensidades de corriente que llegan a un nodo es igual a la suma de las intensidades que salen de él, o sea que la suma algebraica de las intensidades que entran y salen de un nodo es igual a cero. Si se consideran positivas las corrientes que llegan al nodo y negativas las corrientes que salen la suma de ambas será igual a cero.
ENERGIA Y POTENCIA ELECTRICA.
Las cargas eléctricas sometidas a un voltaje contienen una energía almacenada que se transforma en trabajo mientras está circulando la corriente; la energía potencial que se transforma al paso de la corriente eléctrica en trabajo motor, es igual al producto de la carga eléctrica por su caída de voltaje.
Matemáticamente : E = q V
Cuando la corriente eléctrica fluye de un modo continuo o sea con una intensidad uniforme, en cada segundo atraviesa el conductor el mismo número de cargas eléctricas, produciendo el mismo trabajo por unidad de tiempo. A esto se le llama POTENCIA o rapidez con que se efectúa un trabajo.
Si definimos que:
E = P t en donde: E = energía; P = Potencia eléctrica; t = tiempo

como q y E dependen del tiempo:
E q

= V

t t
E q

Si E = P t entonces P = Si I =

t t
Entonces:
P = V I Potencia eléctrica = (Voltaje) x (Intensidad de corriente)

La potencia de una corriente eléctrica o sea el trabajo que produce en un segundo, es igual al producto de la intensidad de corriente por su caída de potencial. La potencia eléctrica es directamente proporcional al amperaje o intensidad de corriente del circuito, porque mientras mayor es el número de cargas eléctricas que en un segundo atraviesan el conductor tanto mayor debe ser el trabajo desarrollado en el mismo periodo de tiempo. La potencia eléctrica es también directamente proporcional al voltaje ya que aumentando la diferencia de potencial aumenta el trabajo que se produce por cada una de las cargas eléctricas.

La unidad MKS de la potencia eléctrica es el WATT.
P = V I Watts = (voltios) x (amperes)

Joules coulombios joules

P = x = = Watts

coulombios segundo segundo


EFECTO JOULE.
Es un hecho comprobable que cuando circula por una resistencia una corriente eléctrica produce efectos térmicos o sea que produce calor. Lo anterior se debe a que cuando circula la corriente eléctrica los electrones se desplazan a través del conductor con una serie de movimientos acelerados, cada uno de los cuales termina en un choque contra algunas de las partículas de la resistencia. Durante las trayectorias libres entre los choques, los electrones convierten su energía potencial en energía cinética y esta energía la transforman en calor cuando aumentan la amplitud de vibración de la partícula contra la cual chocan. Este hecho recibe el nombre de efecto Joule en honor de James Joule (1818 – 1889) quien fue su descubridor.

LEY DE JOULE:
La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica es igual al producto del cuadrado de su intensidad por la resistencia del conductor o bien al cociente del cuadrado del voltaje dividido entre la resistencia.

Matemáticamente:
V2

P = I2 R o también P =

R
En donde : P = energía calorífica en watts.

I = Intensidad de corriente en amperes.
R = Resistencia en ohms
V = Voltaje en volts

La cantidad de energía calorífica desprendida es igual a la potencia eléctrica de la corriente multiplicada por el tiempo durante el cual circula por la resistencia. Para medir prácticamente la energía consumida se utiliza una unidad llamada: KILOWATT/HORA (KWH).
joules

1 KWH = 1000 watts x 1 hora = 1000 x 3 600 seg. = 3 600 000 joules

segundo

1 KWH = 3 600 000 joules = 861 000 calorías.

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