1. SECUENCIA I
CALOR Y TEMPERATURA
……………………………………………………………………………………………………………………………………………
CALOR El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes
zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre
ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura,
ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio
térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la
radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales
todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.
La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de
transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los
cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es parte de dicha energía interna
(energía calorífica) transferida de un sistema a otro, lo que sucede con la condición de que
estén a diferente temperatura.
La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es la forma
de la energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia
de temperatura
Unidades de medida
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la
de la energía y el trabajo: el Julio.
Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica
intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a
un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iniciales dan
lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría
pequeña, en comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es
utilizada en nutrición.
1 kcal = 1000 cal
2. Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas,
impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua,
estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura
que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la
agitación de las palas:
1 cal = 4,184 J1
El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados
Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se
debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y
equivale a 252 calorías.
Calor específico
Artículo principal: Calor específico
El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de
materia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de
un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la
misma).
El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se
proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:
donde:
Q es el calor aportado al sistema.
m es la masa del sistema.
c es el calor específico del sistema.
ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
Las unidades más habituales de calor específico son J / (kg · K) y cal / (g · °C).
El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos
procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el
calor específico es constante. Asimismo, también se diferencia del proceso que se lleve a
cabo, distinguiéndose especialmente el "calor específico a presión constante" (en un
proceso isobárico) y "calor específico a volumen constante (en un proceso ascórbico).
3. TRANSMISION DE CALOR Y SUS FORMAS
Artículo principal: Transmisión de calor
El calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conducción, por convección o
por radiación.
Conducción térmica: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más
cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que
están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio
térmico. eje: cuchara metálica en la taza de té.
Convección térmica: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica
movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones
que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al
movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa.
Radiación térmica: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas
electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que
se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía
solar.
La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos.
La convección siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo
entre partículas de distinta temperatura en un líquido o gas en movimiento.
En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento depende del tipo de
material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica por qué algunos
cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exactamente la misma forma,
y que se les entregue la misma cantidad de calor.
Conductividad térmica
La conductividad térmica de un cuerpo está dada por:
donde:
Q es el calor entregado,
Δt es el intervalo de tiempo durante el cual se entregó calor,
λ es el coeficiente de conductividad térmica propio del material en cuestión,A es la
sección del cuerpo,L es la longitud, yΔT es el incremento en la temperatura.
4. TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío que
puede ser medida con un termómetro. Por lo general, un objeto más "caliente" que otro
puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es frío, se considera que tiene
una temperatura menor. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con
la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la
termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la
energía interna conocida como "energía cinética", que es la energía asociada a los
movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido trasnacional, rotacional, o en
forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se
observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.
La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a
una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el
Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala
correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0
K) al "cero absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin
embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La
escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); y, en mucha menor
medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa
a veces la escala Rankin (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la
escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es
usada únicamente en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la ingeniería.
Transmisión de calor
5. Gas ideal
Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con
desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque
el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado
simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.
En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la
mayoría de los gases reales se comportan en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos
gases tales como el aire, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, gases nobles, y algunos gases
pesados tales como el dióxido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de
una tolerancia razonable.1 Generalmente, el apartamiento de las condiciones de gas ideal
tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menor presión),1 ya
que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado
con energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas es menos importante
comparado con el espacio vacío entre ellas.
El modelo de gas ideal tiende a fallar a temperaturas menores o a presiones elevadas,
cuando las fuerzas intermoleculares y el tamaño intermolecular es importante. También por
lo general, el modelo de gas ideal no es apropiado para la mayoría de los gases pesados,
tales como vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes.1 A ciertas temperaturas bajas y a
alta presión, los gases reales sufren una transición de fase, tales como a un líquido o a un
sólido. El modelo de un gas ideal, sin embargo, no describe o permite las transiciones de
fase. Estos fenómenos deben ser modelados por ecuaciones de estado más complejas.
Tipos de gases ideales
Existen tres clases básicas de gas ideal:
El clásico o gas ideal de Maxwell-Boltzmann,
El gas ideal cuántico de Bose, compuesto de bosones, y
El gas ideal cuántico de Fermi, compuesto de fermiones.
El gas ideal clásico puede ser clasificado en dos tipos: el gas ideal termodinámico clásico y
el gas ideal cuántico de Boltzmann. Ambos son esencialmente el mismo, excepto que el
gas ideal termodinámico está basado en la mecánica estadística clásica, y ciertos
parámetros termodinámicos tales como la entropía son especificados a menos de una
constante aditiva. El gas ideal cuántico de Boltzmann salva esta limitación al tomar el
límite del gas cuántico de Bose gas y el gas cuántico de Fermi gas a altas temperaturas
para especificar las constantes aditivas. El comportamiento de un gas cuántico de
Boltzmann es el mismo que el de un gas ideal clásico excepto en cuanto a la especificación
de estas constantes. Los resultados del gas cuántico de Boltzmann son utilizados en varios
casos incluidos la ecuación de Sackur-Tetrode de la entropía de un gas ideal y la ecuación
de ionización de Saha para un plasma ionizado debil
6. Ley general de los gases
La ley combinada de los gases o ley general de los gases es una ley de los gases que
combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac. Estas leyes
matemáticamente se refieren a cada una de las variables termodinámicas con relación a
otra mientras todo lo demás se mantiene constante. La ley de Charles establece que el
volumen y la temperatura son directamente proporcionales entre sí, siempre y cuando la
presión se mantenga constante. La ley de Boyle afirma que la presión y el volumen son
inversamente proporcionales entre sí a temperatura constante. Finalmente, la ley de Gay-
Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la temperatura y la presión, siempre
y cuando se encuentre a un volumen constante. La interdependencia de estas variables se
muestra en la ley de los gases combinados, que establece claramente que:
La relación entre el producto presión-volumen y la temperatura de un sistema permanece
constante.
Esto matemáticamente puede formularse como:
Donde:
p es la presión medida en atmósferas V es la volumen medida en centímetros cúbicos T es
la temperatura medida en grados kelvin k es la constante (con unidades de energía
dividido por la temperatura).
Derivación física
Una derivación de la ley de los gases combinados usando sólo álgebra elemental puede
contener sorpresas. Por ejemplo, a partir de las tres leyes empíricas
............(1) Ley de Gay-Lussac, se asume que el volumen es constante............ (2) Ley de
Charles, se asume que la presión es constante............ (3) Ley de Boyle, se asume que la
temperatura es constante
Donde kv, kp, y kt son las constantes, se puede multiplicar las tres juntas para obtener
Extrayendo la raíz cuadrada de ambos lados y dividiendo por T aparece el producto del
resultado deseado
Sin embargo, si antes de aplicar el procedimiento anterior, si simplemente se reorganizan
los términos de la Ley de Boyle, kt = P V, entonces después de cancelar y reordenando, se
obtiene
Que no es muy útil cuando no engañosa.
7. Una derivación física, más larga, pero más fiable, empieza por darse cuenta de que el
parámetro en la ley de Gay-Lussac cambiará a medida que los cambios de volumen del
sistema cambien. A volumen constante V1la ley puede parecer P = k1 T, mientras que a
volumen constante V2lo que podría parecer P = k2 T. Denotando este "volumen variable
constante" por k v (V), se vuelve a escribir la ley como
............(4)
La misma consideración se aplica a la constante en la ley de Charles, que puede escribirse
............(5)
Al tratar de encontrar kv (V), no sin pensar, debería eliminar T entre (4) y (5) ya que P es
variable en la primera vez que se supone constante en el segundo. Sino que primero se
debe determinar en qué sentido estas ecuaciones son compatibles entre sí. Para
comprender mejor esto, recordar que dos variables determinan la tercera. La elección de
P y V al ser independientes nos imaginamos a los valores de T forman una superficie por
encima del plano PV. Un auténtico V0 y P 0 define un T0, un punto en la superficie.
Sustituyendo estos valores en (4) y (5), y reorganizando rendimientos.
Dado que estos dos describen lo que está sucediendo en el mismo punto en la superficie
de las dos expresiones numéricas se puede equiparar y reordenarse
............(6)
El kv(V0) y kp(P0)son las pendientes de las líneas ortogonales a través de ese punto de la
superficie. Su relación sólo depende de P0/V0 en ese punto. Tenga en cuenta que la forma
funcional de (6) no depende del punto particular elegido. La misma fórmula se habría
producido de cualquier otra combinación de valores de P y V. Por lo tanto se puede
escribir:
............(7)
Esta dice que cada punto de la superficie tiene su propio par de líneas ortogonales a
través de él, con su relación de pendiente que sólo depende de ese punto. Mientras que
(6) es una relación entre pendientes específicas y valores variables, (7) es una relación
entre funciones pendiente y funciones varales. Que es válido para cualquier punto de la
superficie, es decir, para las combinaciones de todos y cada uno de los valores de P y V.
Para resolver esta ecuación para la función de kv (V) en primer lugar hay que separar las
variables, V a la izquierda y la P a la derecha.
Elija cualquier presión P1. la parte derecha se evalúa a un valor arbitrario, lo llaman karb.
............(8)
Esta ecuación particular, ahora debe ser cierta, no sólo por uno valor de V, pero para
todos los valores de V. La única definición de kv (V), que garantiza esto para todos los V y
arbitraria karbes
............(9)
Que puede ser verificada por sustitución en (8).
Finalmente sustituyendo (9) en la ley de Gay-Lussac (4) y reordenando se produce la ley
de los gases combinados
8. SECUENCIA II
……………………………………………………………………........
FUERZA ELECTRICA.
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas
cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que
se encuentran las cargas.
CARGA ELECTRICA
En física, la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas
que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones
electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los
campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La interacción entre
carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la
interacción electromagnética. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga
eléctrica es una medida de la capacidad de la partícula para intercambiar fotones.
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente
por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –
1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les
asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar libres en la
naturaleza.1
9. Carga eléctrica elemental
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad
cuantizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el
electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10-19 culombios y es conocida como
carga elemental.5 El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se
mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto.6
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina
culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro
ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×109 N.
Un culombio corresponde a 6,241 509 × 1018 electrones.2 El valor de la carga del electrón
fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrew Millikan y en la actualidad su valor
en el Sistema Internacional de acuerdo con la última lista de constantes del CODATA
publicada es:5
Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado
grande, se utilizan también sus submúltiplos:
1 mili culombio = 1 micro culombio =
Frecuentemente se usa también el sistema CGS cuya unidad de carga eléctrica es el
Franklin (Fr). El valor de la carga elemental es entonces de aproximadamente 4,803×10–10
Fr.
FORMAS DE ELECTRIZACION.
En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas,
normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro.
Electrización por contacto
Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este
caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con
otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.
Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea
en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este
flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.
10. Electrización por frotamiento
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de
protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota
una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la
seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del
paño al lápiz. eje: Un globo lo frotas en tu cabeza y luego lo pones cerca de la cabeza de
una persona, veras que su cabello se levanta.
El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de cargas
negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se
satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen
una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga
ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico, una explicación sobre los
materiales y como se cargan puede hallarse en Efecto triboeléctrico.
Carga por el efecto fotoeléctrico
Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se
produce en la materia. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la
superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha
superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados
por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la
influencia de un campo eléctrico.
Carga por electrólisis
La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse
o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en
especies químicas cargadas positiva y negativamente. Si se coloca un par de electrodos en
una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se conecta una fuente de
corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el
electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los
iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas;
la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o
voltaje aplicado.
Carga por efecto termoeléctrico
Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales
diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito
se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la
otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre
lasuniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el
físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Sebe
11. CONSERVACION DE LA CARGA ELECTRICA.
Principio de conservación de la carga
En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la
carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que
en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.
En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera, sólo
existe una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de
carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas
donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema
permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del
espacio por pequeña que sea.4
Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está
asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. Así
por el teorema de Noether a cada simetría del lagrangiano asociada a un grupo un
paramétrico de transformaciones que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una
magnitud conservada.7 La conservación de la carga implica, al igual que la conservación
de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuación de continuidad que
relaciona la derivada de la densidad de carga eléctrica con la divergencia del vector
densidad de corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio neto en la densidad
de carga ρ dentro de un volumen prefijado V es igual a la integral de la densidad de
corriente eléctrica J sobre la superficie S que encierra el volumen, que a su vez es igual a la
intensidad de corriente eléctrica I:
Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental
corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa
como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como siendo N un
número entero, positivo o negativo.
Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el protón +e y para el
neutrón, 0. La física de partículas postula que la carga de los quarks, partículas que
componen a protones y neutrones toman valores fraccionarios de esta carga elemental.
Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en
el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.8
Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de porqué la carga es una
magnitud cuantizada, que sólo puede aparecer en múltiplos de la carga elemental, se han
propuestos diversas ideas:
12. Paul Dirac mostró que si existe un mono polo magnético la carga eléctrica debe estar
cuantizada.
En el contexto de la teoría de Kaluza-Klein, Óscar Klein encontró que si se interpretaba el
campo electromagnético como un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo
de topología, entonces la compacidad de comportaría que el momento lineal según la
quinta dimensión estaría cuantizada y de ahí se seguía la cuantización de la carga.
La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya
que el modelo estándar no aclara porqué las cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y
sólo pueden ser libres cargas que son múltiplos enteros de la carga elemental.
LEY DE COULOMB.
La ley de Coulomb puede expresarse como:
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas
cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que
se encuentran las cargas.
13. Constante de Coulomb
La constante es la Constante de Coulomb y su valor para unidades SI es Nm²/C².
A su vez la constante donde es la permitividad relativa, y F/m es la permitividad del medio
en el vacío.
Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en cuenta la
constante dieléctrica y la permitividad del material.
La ecuación de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la siguiente manera:
La constante, si las unidades de las cargas se encuentran en Coulomb es la siguiente K = 9
* 109 * N * m2 / C2 y su resultado será en sistema MKS (N / C). En cambio, si la unidad de
las cargas están en UES (q), la constante se expresa de la siguiente forma K = dyn * cm2 /
ues2 (q) y su resultado estará en las unidades CGS (D / UES (q)).
Potencial de Coulomb
La ley de Coulomb establece que la presencia de una carga puntual general induce en todo
el espacio la aparición de un campo de fuerzas que decae según la ley de la inversa del
cuadrado. Para modernizar el campo debido a varias cargas eléctricas puntuales estáticas
puede usarse el principio de superposición dada la aditividad de las fuerzas sobre una
partícula. Sin embargo, matemáticamente el manejo de expresiones vectoriales de ese
tipo puede llegar a ser complicado, por lo que frecuentemente resulta más sencillo definir
un potencial eléctrico. Para ello a una carga puntual se le asigna una función escalar o
potencial de Coulomb tal que la fuerza dada por la ley de Coulomb sea expresable como:
De la ley de Coulomb se deduce que la función escalar que satisface la anterior ecuación
es:
Donde:
, es el vector posición genérico de un punto donde se pretende definir el potencial de
Coulomb y
, es el vector de posición de la carga eléctrica cuyo campo pretende caracterizarse por
medio del potencial.
Limitaciones de la Ley de Coulomb
La expresión matemática solo es aplicable a cargas puntuales estacionarias, y para casos
estáticos más complicados de carga necesita ser generalizada mediante el potencial
eléctrico.
14. Cuando las cargas eléctricas están en movimiento es necesario remplazar incluso el
potencial de Coulomb por el potencial vector de Liénard-Wiechert, especialmente si las
velocidades de las partículas son grandes comparadas con la velocidad de la luz.
Para distancias pequeñas (del orden del tamaño de los átomos), la fuerza electrostática se
ve superada por otras, como la nuclear fuerte, o la nuclear débil.
CAMPO ELECTRICO.
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
Matemáticamente se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica
puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:
(1)
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.
La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio (N/C), Voltio por metro
(V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s−3·A−1 y la ecuación dimensional es MLT-3I-1.
15. Definición mediante la ley de Coulomb
Campo eléctrico de una distribución lineal de carga. Una carga puntual P es sometida a
una fuerza en dirección radial por una distribución de carga λ en forma de diferencial de
línea (dL), lo que produce un campo eléctrico.
Partiendo de la ley de Coulomb que expresa que la fuerza entre dos cargas en reposo
relativo depende del cuadrado de la distancia, matemáticamente es igual a:1
Donde:
Es la permitividad eléctrica del vacío tiene que ver con el sistema internacional, son las
cargas que interactúan, es la distancia entre ambas cargas, , es el vector de posición
relativa de la carga 2 respecto a la carga 1.
y es el unitario en la dirección . Nótese que en la fórmula se está usando, esta es la
permitividad en el vacío. Para calcular la interacción en otro medio es necesario cambiar la
permitividad de dicho medio. ()
La ley anterior presuponía que la posición de una partícula en un instante dado, hace que
su campo eléctrico afecte en el mismo instante a cualquier otra carga. Ese tipo de
interacciones en las que el efecto sobre el resto de partículas parece desentender sólo de
la posición de la partícula causante sin importar la distancia entre las partículas se
denomina en física acción a distancia. Si bien la noción de acción a distancia fue aceptada
inicialmente por el propio Newton, experimentos más cuidados a lo largo del siglo XIX
llevaron a desechar dicha noción como no-realista. En ese contexto se pensó que el campo
eléctrico no sólo era un artificio matemático sino un ente físico que se propaga a una
velocidad finita (la velocidad de la luz) hasta afectar a otras partículas. Esa idea conllevaba
modificar la ley de Coulomb de acuerdo con los requerimientos de la teoría de la
relatividad y dotar de entidad física al campo eléctrico.1 Así, el campo eléctrico es una
distorsión electromagnética que sufre el espacio debido a la presencia de una carga.
Considerando esto se puede obtener una expresión del campo eléctrico cuando este sólo
depende de la distancia entre las cargas:
Donde claramente se tiene que, la que es una de las definiciones más conocidas acerca del
campo eléctrico.
POTENCIAL ELECTRICO.
El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar un campo electrostático
para mover una carga positiva q desde 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 unitaria q desde la 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
lospotenciales de Liénard-Wiechert .
16. SECUENCIA III
……………………………………………………………………………
APARATOS ELECTRICOS.
Un aparato o dispositivo eléctrico es un aparato que, para cumplir una tarea, utiliza
energía eléctrica alterándola, ya sea por transformación, amplificación/reducción o
interrupción.
Un ejemplo de aparato eléctrico es una lámpara incandescente que transforma la
electricidad en luz.
CAPACITOR.
Un condensador o (llamado en inglés capacitor, nombre por el cual también se le conoce
frecuentemente dentro del ámbito de la electrónica y otras ramas de la física aplicada), es
un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía
sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras,
generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que
todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por
un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial,
adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra,
siendo nula la variación de carga total.
Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente
eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se
comporta en la práctica como capaz de almacenar la energía eléctrica que recibe durante
la carga, a la vez que la cede de igual forma durante la descarga.
Funcionamiento.
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial
entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o
capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1
faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p.
de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los
condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6,
nano- nF = 10-9 o pico- puf = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de
supe condensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para
17. conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así
se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos
condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de
Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de
automóviles eléctricos.
El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:
en donde:
C: Capacitancia Q1: Carga eléctrica almacenada en la placa 1. V1 − V2: Diferencia de
potencial entre la placa 1 y la 2.
Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la
placa positiva o la de la negativa, ya que
Aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la
naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores
formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos,
mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la
electrólisis.
Comportamientos ideal y real.
Condensador ideal.
El condensador ideal puede definirse a partir de la siguiente ecuación diferencial:
Donde C es la capacidad, u (t) es la función diferencia de potencial aplicada a sus
terminales e i(t) la corriente resultante que circula.
18. Comportamiento en corriente continúa.
Un condensador real en CC (DC en inglés) se comporta prácticamente como uno ideal, es
decir, como un circuito abierto. Esto es así en régimen permanente ya que en régimen
transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con condensador, suceden
fenómenos eléctricos transitorios que inciden sobre la d.d.p. en sus bornes (ver circuitos
serie RL y RC).
Comportamiento en corriente alterna.
En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el
nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de
la pulsación () por la capacidad, C:
Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad en faradios (F), la
reactancia resultará en ohmios.
Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en un condensador.
Al conectar una CA senoidal v (t) a un condensador circulará una corriente i (t), también
senoidal, que lo cargará, originando en sus bornes una caída de tensión, -vc (t), cuyo valor
absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Al decir que por el condensador
"circula" una corriente, se debe puntualizar que, en realidad, dicha corriente nunca
atraviesa su dieléctrico. Lo que sucede es que el condensador se carga y descarga al ritmo
de la frecuencia de v(t), por lo que la corriente circula externamente entre sus armaduras.
19. El fenómeno físico del comportamiento del condensador en CA se puede observar en la f
Entre los 0º y los 90º i (t) va disminuyendo desde su valor máximo positivo a medida que
aumenta su tensión de carga vc (t), llegando a ser nula cuando alcanza el valor máximo
negativo a los 90º, puesto que la suma de tensiones es cero (vc(t)+ v(t) = 0) en ese
momento. Entre los 90º y los 180º v (t) disminuye, y el condensador comienza a
descargarse, disminuyendo por lo tanto vc(t). En los 180º el condensador está
completamente descargado, alcanzando i(t) su valor máximo negativo. De los 180º a los
360º el razonamiento es similar al anterior.
De todo lo anterior se deduce que la corriente queda adelantada 90º respecto de la
tensión aplicada. Considerando, por lo tanto, un condensador C, como el de la figura 2, al
que se aplica una tensión alterna de valor:
De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, adelantada 90º (π / 2)
respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:
Donde. Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:
Circuitos equivalentes de un condensador en CA.
Y operando matemáticamente:
20. Por lo tanto, en los circuitos de CA, un condensador ideal se puede asimilar a una
magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria negativa:
En el condensador real, habrá que tener en cuenta la resistencia de pérdidas de su
dieléctrico, RC, pudiendo ser su circuito equivalente, o modelo, el que aparece en la figura
5a) o 5b) dependiendo del tipo de condensador y de la frecuencia a la que se trabaje,
aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los
anteriores
CAPACITANCIA.
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 un potencial eléctrico dado.
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
ecuación:
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.
21. SECUENCIA IV
…………………………………………………………………………..
TIPOS DE CORRIENTE ELECTRICA.
Corriente continúa.
Rectificador de corriente alterna en continua, con puente de Gratz. Se emplea cuando la
tensión de salida tiene un valor distinto de la tensión de entrada.
Se denomina corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) al flujo de
cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través
de un material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente
continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es
errónea la identificación de la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es,
ni siquiera la suministrada por una batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de
circulación es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto.
Su descubrimiento se remonta a la invención de la primera pila voltaica por parte del
conde y científico italiano Alessandro Volta. No fue hasta los trabajos de Edison sobre la
generación de electricidad, en las postrimerías del siglo XIX, cuando la corriente continua
comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso
decayó en favor de la corriente alterna, que presenta menores pérdidas en la transmisión
a largas distancias, si bien se conserva en la conexión de redes eléctricas de diferentes
frecuencias y en la transmisión a través de cables submarinos.
Desde 2008 se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua a partir de
células fotoeléctricas que permiten aprovechar la energía solar.
Cuando es necesario disponer de corriente continua para el funcionamiento de aparatos
electrónicos, se puede transformar la corriente alterna de la red de suministro eléctrico
mediante un proceso, denominado rectificación, que se realiza con unos dispositivos
llamados rectificadores, basados en el empleo de diodos semiconductores o tiristores
(antiguamente, también de tubos de vacío).21
22. Corriente alterna.
Onda senoidal.
Voltaje de las fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de
120º.
Esquema de conexión.
Conexión en triángulo y en estrella.
Se denomina corriente alterna (simbolizada CA en español y AC en inglés, de Alternating
Curten) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La
forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda
sinoidal.22 En el uso coloquial, "corriente alterna" se refiere a la forma en la cual la
electricidad llega a los hogares y a las empresas.
El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, y la
distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse. Otros
que contribuyeron al desarrollo y mejora de este sistema fueron Lucen Gaulard, John
Gibbs y Oliver Shallenger entre los años 1881 y 1889. La corriente alterna superó las
limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), la cual constituye un
sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la
transmisión de potencia.
La razón del amplio uso de la corriente alterna, que minimiza los problemas de trasmisión
de potencia, viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que
carece la corriente continua. La energía eléctrica trasmitida viene dada por el producto de
la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas
de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, se puede, mediante un
transformador, modificar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en
igual proporción la intensidad de corriente. Esto permite que los conductores sean de
menor sección y, por tanto, de menor costo; además, minimiza las pérdidas por efecto
23. Joule, que dependen del cuadrado de la intensidad. Una vez en el punto de consumo o en
sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para permitir su uso industrial o
doméstico de forma cómoda y segura.
Las frecuencias empleadas en las redes de distribución son 50 y 60 Hz. El valor depende
del país.
Corriente trifásica.
Se denomina corriente trifásica al conjunto de tres corrientes alternas de igual frecuencia,
amplitud y valor eficaz que presentan una diferencia de fase entre ellas de 120°, y están
dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes que forman el sistema se
designa con el nombre de fase.
La generación trifásica de energía eléctrica es más común que la monofásica y
proporciona un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en
forma trifásica es mayoritaria para transportar y distribuir energía eléctrica y para su
utilización industrial, incluyendo el accionamiento de motores. Las corrientes trifásicas se
generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas
en un sistema de tres electroimanes equidistantes angularmente entre sí.
Los conductores de los tres electroimanes pueden conectarse en estrella o en triángulo.
En la disposición en estrella cada bobina se conecta a una fase en un extremo y a un
conductor común en el otro, denominado neutro. Si el sistema está equilibrado, la suma
de las corrientes de línea es nula, con lo que el transporte puede ser efectuado usando
solamente tres cables. En la disposición en triángulo o delta cada bobina se conecta entre
dos hilos de fase, de forma que un extremo de cada bobina está conectado con otro
extremo de otra bobina.
El sistema trifásico presenta una serie de ventajas, tales como la economía de sus líneas
de transporte de energía (hilos más finos que en una línea monofásica equivalente) y de
los transformadores utilizados, así como su elevado rendimiento de los receptores,
especialmente motores, a los que la línea trifásica alimenta con potencia constante y no
pulsada, como en el caso de la línea monofásica.
Tesla fue el inventor que descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el
cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el sistema de motores y
generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta.23
Véase también: Motor de corriente alterna
Corriente monofásica.
24. Se denomina corriente monofásica a la que se obtiene de tomar una fase de la corriente
trifásica y un cable neutro. En España y demás países que utilizan valores similares para la
generación y trasmisión de energía eléctrica, este tipo de corriente facilita una tensión de
230 voltios, lo que la hace apropiada para que puedan funcionar adecuadamente la
mayoría de electrodomésticos y luminarias que hay en las viviendas.
Desde el centro de transformación más cercano hasta las viviendas se disponen cuatro
hilos: un neutro (N) y tres fases (R, S y T). Si la tensión entre dos fases cualesquiera
(tensión de línea) es de 400 voltios, entre una fase y el neutro es de 230 voltios. En cada
vivienda entra el neutro y una de las fases, conectándose varias viviendas a cada una de
las fases y al neutro; esto se llama corriente monofásica. Si en una vivienda hay instalados
aparatos de potencia eléctrica alta (aire acondicionado, motores, etc., o si es un taller o
una empresa industrial) habitualmente se les suministra directamente corriente trifásica
que ofrece una tensión de 400 voltios.
CONCEPTO DE CORRIENTE ELECTRICA.
Se denomina corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material
sometido a una diferencia de potencial. Históricamente, se definió como un flujo de
cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un
flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se
observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son electrones,
con carga negativa, y se desplazan en sentido contrario al convencional.
A partir de la corriente eléctrica se definen dos magnitudes: la intensidad y la densidad de
corriente. El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es determinante
para calcular la sección de los elementos conductores del mismo.
La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un conductor (s) se define como la
carga eléctrica (Q) que atraviesa la sección en una unidad de tiempo (t):
. Si la intensidad de corriente es constante, entonces La densidad de corriente (j) es la
intensidad de corriente que atraviesa una sección por unidad de superficie de la sección
(S).
CODUCTORES ELECTRICOS.
25. Un conductor eléctrico es un material que ofrece poca resistencia al paso de la
electricidad.
Son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los mejores
conductores eléctricos son metales el cobre, el hierro y el aluminio los metales y sus
aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la
propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones
salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma.
Para el transporte de energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso
doméstico o industrial, los mejores conductores son el oro y la plata, pero debido a su
elevado precio, los materiales empleados habitualmente son el cobre (en forma de cables
de uno o varios hilos), o el aluminio; metal que si bien tiene una conductividad eléctrica
del orden del 60% inferior es, sin embargo, un material tres veces más ligero, por lo que su
empleo está más indicado en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica en las
redes de alta tensión1
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica
Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el
International Aneadle Popper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o
IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a
58.0 MS/m.2 A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del resto de
los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales
tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la
plata o los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.3
USOS
Aplicaciones de los conductores:
° Conducir la electricidad de un punto a otro (pasar electrones a través del conductor; los
electrones fluyen debido a la diferencia de potencial).
° Establecer una diferencia de potencial entre un punto A y B.
Crear campos electromagnéticos (como en las bobinas y electroimanes).
° Modificar el voltaje (con el uso de transformadores).
Crear resistencias (con el uso de conductores no muy conductivos).
AISLADORES.
26. El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación
eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material que
resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo mantiene en su
trayectoria a lo largo del conductor. Dicho material se denomina aislanteeléctrico.
La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con
que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La
resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad
que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal
conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor
mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad
de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores
disminuye ante el aumento de la temperatura.
Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores,
dieléctricos, semiconductores y superconductores.
Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo
cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores
conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no
metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el
grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado
de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación
de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de
uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una
conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material
mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica
en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el
oro.18
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica
Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el
International Annealed Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o
IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a
0,58108 S/m.19 A este valor se lo denomina 100% IACS, y la conductividad del resto de los
materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales
tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS, pero existen excepciones como la
plata o los cobres especiales de muy alta conductividad, designados C-103 y C-110.20
Dieléctricos. Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser
utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio,
cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para
uso industrial y electrónico y la baquelita. Aunque no existen materiales absolutamente
aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy
utilizados para evitar cortocircuitos (forrando con ellos los conductores eléctricos, para
27. mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de
tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una
descarga) y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución
eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico).
Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no
para otras. El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo
condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse
en conductor.
CIRCUITO ELECTRICO.
En electricidad y electrónica se denomina circuito a un conjunto de componentes pasivos
y activos interconectados entre sí por conductores de baja resistencia. El nombre implica
que el camino de la circulación de corriente es cerrado, es decir, sale por un borne de la
fuente de alimentación y regresa en su totalidad (salvo pérdidas accidentales) por el otro.
En la práctica es difícil diferenciar nítidamente entre circuitos eléctricos y circuitos
electrónicos. Las instalaciones eléctricas domiciliarias se denominan usualmente circuitos
eléctricos, mientras que los circuitos impresos de los aparatos electrónicos se denominan
por lo general circuitos electrónicos. Esto sugiere que los últimos son los que contienen
componentes semiconductores, mientras que los primeros no, pero las instalaciones
domiciliarias están incorporando crecientemente no sólo semiconductores sino también
microprocesadores, típicos dispositivos electrónicos.
El comportamiento de los circuitos eléctricos que contienen solamente resistencias y
fuentes electromotrices de corriente continua está gobernado por las Leyes de Kirchoff.
Para estudiarlo, el circuito se descompone en mallas eléctricas, estableciendo un sistema
de ecuaciones lineales cuya resolución brinda los valores de los voltajes y corrientes que
circulan entre sus diferentes partes.
La resolución de circuitos de corriente alterna requiere la ampliación del concepto de
resistencia eléctrica, ahora ampliado por el de impedancia para incluir los
comportamientos de bobinas y condensadores. La resolución de estos circuitos puede
hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchhoff, pero requiere usualmente métodos
matemáticos avanzados, como el de Transformada de Laplace, para describir los
comportamientos transitorios y estacionarios de los mismos.
Partes
28. Componente: Un dispositivo con dos o más terminales en el que puede fluir interiormente
una carga. En la figura 1 se ven 9 componentes entre resistores y fuentes.
Nodo: Punto de un circuito donde concurren varios conductores distintos. A, B, D, E son
nodos. Nótese que C no es considerado como un nodo puesto que es el mismo nodo A al
no existir entre ellos diferencia de potencial o tener tensión 0 (VA - VC = 0).
Rama: Conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos nodos
consecutivos. En la figura 1 se hallan siete ramales: AB por la fuente, AB por R1, AD, AE,
BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal sólo puede circular una corriente.
Malla: Un grupo de ramas que están unidas en una red y que a su vez forman un lazo.
Fuente: Componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energía
eléctrica. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de
tensión, E1 y E2.
Conductor: Comúnmente llamado cable; es un hilo de resistencia despreciable
(idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.
LEY DE OHM.
La ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica que
circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión
eléctrica entre dichos puntos, existiendo una constante de proporcionalidad entre estas
dos magnitudes. Dicha constante de proporcionalidad es la conductancia eléctrica, que es
inversa a la resistencia eléctrica.
La ecuación matemática que describe esta relación es:
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 la 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
29. 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.
SECUENSIA V
MAGNETISMO.
El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de
atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han
presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro,
cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los
materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo
magnético.
El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno
de los dos componentes de la radiación electromagnética, como por ejemplo, la luz.
Breve explicación del magnetismo
Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase Momento dipolar magnético
electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados
aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones
tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o
pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.
Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar
también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del
núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula
por una bobina (ver dipolo magnético). De nuevo, en general el movimiento de los
electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones
los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.
El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y,
particularmente, de la configuración electrónica.
Imanes
Un imán (del francés animante) es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético (que
atrae o repele otro imán) significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes
(por ejemplo, con campo magnético terrestre).
Parte de un imán
Eje magnético: barra de la línea que une los dos polos.
Línea neutral: línea de la superficie de la barra que separa las zonas polarizadas.
30. Polos: los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción son más intensas. Estos
polos son, el polo norte y el polo sur; (no deben confundirse con positivo y negativo) los
polos iguales se repelen y los diferentes se atraen.
Campos Magnéticos
El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de
valor q, que se desplaza a una velocidad, sufre los efectos de una fuerza que es
perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así, dicha carga
percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.
Donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción
magnética y densidad de flujo magnético. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes
vectoriales y el producto vectorial tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v
como a B).
La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada
en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar
libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético
terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.
Leyes magnéticas
Histéresis
La intensidad magnética en un anillo magnético de Rowland se calcula con la siguiente
formula:
H = N I/ L
Donde:
L= circunferencia del anillo (m)
N = numero de espiras
I = cantidad de corriente que pasa por el solenoide (A)
La histéresis es el retraso de la magnetización con respecto a la intensidad magnética.
31. LEY DE FARADAY.
La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es directamente
proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa
La inducción electromagnética fue descubierta casi simultáneamente y de forma
independiente por Michael Faraday y Joseph Henry en 1830. La inducción
electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador
eléctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.
Supongamos que se coloca un conductor eléctrico en forma de circuito en una región en la
que hay un campo magnético. Si el flujo F a través del circuito varía con el tiempo, se
puede observar una corriente en el circuito (mientras el flujo está variando). Midiendo la
fem inducida se encuentra que depende de la rapidez de variación del flujo del campo
magnético con el tiempo.
Se denomina flujo al producto escalar del vector campo por el vector superficie
Si el campo no es constante o la superficie no es plana, el flujo vale
Una corriente inducida fluirá enana dirección tal que por medio de su campo magnético se
opondrá al movimiento del campo magnético que la produce.
LEY DE LENZ.
El sentido de la corriente inducida se puede obtener de la ley de lenz que establece que,
El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la
produce.
En las figuras se puede observar que cuando el imán se acerca a las espiras, el flujo
magnético a través de las espiras aumenta. De acuerdo con la Ley de Lenz, las corrientes
inducidas deben crear flujos , que se deben oponer al aumento del flujo inicial, y los
sentidos de las corrientes serán los indicados.
Electromagnetismo.
32. El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos
eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por
Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk
Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que
relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales
(corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como
ecuaciones de Maxwell.
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones
que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la
posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos
macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento,
usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas,
líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número
muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el
electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es
necesario usar la mecánica cuántica.
El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas
fundamentales del universo actualmente conocido.
Electroimán.
Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el
flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. En 1819,
el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que circula por
un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una
brújula. Basado en sus observaciones, el electricista británico William Sturgeon inventó el
electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura
envuelto por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia levantando 4
kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente
de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso
de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para
las comunicaciones electrónicas a gran escala.