Estudio de las características y ecuaciones involucrados en el estudio de la corriente eléctrica, y los circuitos eléctricos

1. Física Eléctrica Ing. Yolyger Delgado
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Unidad 1
Objetivo: Aplicar los conceptos de cargas en movimiento en la solución de
problemas de Circuitos Eléctricos.
En esta Unidad vamos a estudiar los siguientes contenidos:
1.1. Corriente Eléctrica
1.2. Resistencia Eléctrica
Ley de Ohm
Resistencia de un conductor
1.3. Fuerza electromotriz
1.4. Trabajo y Energía Eléctrica
1.5. Potencia Eléctrica
1.6. Ley de Joule. Calor Desprendido
1.7. Circuitos eléctricos. Serie, Paralelos y Mixtos.
1.8. Estudio de Mallas. Ley de Kirchoff.

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1.1. Corriente Electrica
Una corriente eléctrica se produce cuando existe un movimiento de
cargas en un medio, el cual puede ser un sólido, un líquido o gas.
• En el caso de los sólidos, son llamados conductores, los cuales se
caracterizan por ser elementos que tienen electrones libres de
valencia, al estar sometidos a una diferencia experimenta un
movimiento, originando una corriente eléctrica. En la mayoría de los
casos son los electrones los que se "mueven".
• En cambio, en los líquidos, es necesario tener alguna solución que se
disocie al colocar un cátodo y un ánodo. Las cargas libres que se
mueven son iones, libres
positivos y negativos, de
esta manera los iones
positivos se irán al ánodo y
los iones negativos al
cátodo, produciendo
finalmente una corriente
eléctrica.
• En los gases al ionizarse producto de un campo eléctrico se tienen
iones positivos, negativos y también electrones libres en
movimientos, los que producen finalmente una corriente eléctrica.

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Ver el video
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Medida de la corriente eléctrica
La corriente eléctrica se mide en amperios, abreviado A, en
reconocimiento a André-Marie Ampère (1775-1836), descubridor de varios
conceptos claves en la electricidad en el siglo XIX.
El instrumento usado para medir la corriente eléctrica es el amperímetro.
Ejemplo:
Si la intensidad de corriente que circula a través de la sección de un
conductor es 30 mA, ¿Cuanta carga habrá atravesado dicha sección
durante 2 minutos?. ¿Cuántos electrones habrán circulado? (datos:
qe=1.6·10-19 C)

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Tipos de corriente eléctrica
La corriente puede ser clasificada como corriente continua o corriente
alterna de acuerdo al sentido de movimiento de las cargas, es decir, el
sentido de la corriente eléctrica
Dependiendo de la temporalidad del sentido de la corriente eléctrica
podemos distinguir dos tipos:
• Corriente continua (C.C.). El flujo de electrones se produce siempre
en el mismo sentido.
• Corriente alterna (C.A.). El sentido de circulación de los electrones
cambia de forma periódica.
•

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1.2. Resistencia Eléctrica
Cuando hablamos de resistencia eléctrica podemos estar refiriéndonos
a una magnitud, que mide la dificultad con la que un conductor conduce
la corriente, (por eso se usan cables de cobre, porque es un material que
ofrece poca resistencia, el cobre es un excelente conductor de corriente).
También puede referirse a un elemento de un circuito (una pieza
física que forma parte del mismo, por ejemplo: una bombilla, un diodo, un
condensador, etc).
Se Mide en la Unidad de ohm (Ω), y se representa con la letra R

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Ley de Ohm y fórmula de la corriente eléctrica
Georg Simon Ohm (1787-1854) descubrió al principio del siglo XIX que
la corriente a través de un metal es directamente proporcional al voltaje o
diferencia de potencial eléctrico en el conductor. La ley de Ohm expresada
en forma de ecuación es:
Ejemplo:
Calcula el voltaje, entre dos puntos del circuito de una plancha, por el
que atraviesa una corriente de 4 amperios y presenta una resistencia de 10
ohmios
Solución: Del mismo modo que el ejemplo anterior, lo que necesitamos es
retomar nuestros datos, que en este caso serían los 4 amperios que
atraviesan sobre el circuito de la plancha y la resistencia de 10 ohmios, por
lo que:

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En este caso nuestra fórmula será la misma, solo que ahora la vamos a
despejar.
Ahora reemplazamos nuestros datos.
Resistencia de un conductor
Todos los conductores eléctricos se oponen al paso de la corriente
eléctrica en mayor o menor medida. Esto es debido a que los portadores
de carga (electrones o iones) se encuentran con ciertas dificultades para
desplazarse dentro del material del que forman parte. Esta oposición se
denomina resistencia eléctrica de un conductor.
Se denomina resistencia eléctrica de un conductor a la oposición que
ofrece dicho conductor al paso de la corriente eléctrica.
La resistencia eléctrica de un conductor depende de:
• El material del que está compuesto.
• La temperatura a la que se encuentra. Cuanto mayor es la
temperatura mayor es su resistencia eléctrica
• Su longitud. La resistencia aumenta proporcionalmente a la longitud
del conductor.
• Su sección. La resistencia disminuye proporcionalmente a la sección
transversal del conductor.

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Resistividad Electrica
Todos los materiales ofrecen una resistencia al paso de la corriente a
traves de ellos, a continuacion se muestra la tabla donde puedes observar
la resistividad electrica de algunos materiales.

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1.3. Fuerza Electromotriz

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1.4. Trabajo y Energía Eléctrica
En los circuitos eléctricos, la energía potencial eléctrica provoca el
movimiento de cargas. Este movimiento, las dota de energía cinética que
posteriormente puede transformarse en energía mecánica para mover
motores, energía lumínica para encender luces, etc.
Sin embargo, una parte importante de la energía cinética de las cargas
se reduce debido a los continuos choques que se producen en los átomos
mientras las cargas circulan de un lado a otro, provocando que parte de
esta energía se disipe en forma de calor. A este fenómeno se le denomina
efecto Joule, en honor al Físico británico James Joule (1818-1889).
Trabajo y energía eléctrica de un circuito
Cualquier carga q que se mueve a través de un conductor desde un
punto A hasta otro B en el que existe una diferencia de potencial eléctrico
entre dichos puntos lo hace debido a la acción de un campo eléctrico.

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Dicho campo realiza un trabajo eléctrico para desplazar dicha carga desde
A hasta B We(A->B), de tal forma que:
Si consideramos la definición de intensidad de corriente eléctrica (I = q / t),
podemos expresar el trabajo eléctrico realizado por el campo como:
Este trabajo eléctrico representa la energía utilizada por el sistema o
circuito. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en Julios (J), sin
embargo, es común utilizar otras unidades como el kilovatio-hora (kWh).
1.5. Potencia de la corriente eléctrica
Cuando hablamos del trabajo, comentamos que en ocasiones importa
más la rapidez con la que se desarrolla un trabajo que el trabajo en sí
mismo. Por esta razón, se emplea una nueva magnitud denominada
potencia eléctrica:
La potencia eléctrica Pe se define como el trabajo eléctrico realizado
por unidad de tiempo.
Si aplicamos la expresión de trabajo eléctrico estudiada anteriormente
obtenemos que:

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Si aplicamos la ley de Ohm, podemos obtener la potencia disipada en
una resistencia:
Podemos resumir todas las ecuaciones hasta ahora estudiadas
mediante el siguiente esquema:
1.6. Ley de Joule. Calor Desprendido.
La energía eléctrica se puede transformar en otro tipo de energía,
pero siempre una parte de la energía se pierde (disipa) en forma de calor.
Si consideramos la expresión de la ley de Ohm (V = I · R), y la
aplicamos sobre la del trabajo eléctrico, obtenemos que:
Teniendo en cuenta esta ecuación y sabiendo que 1 Julio es
equivalente a 0.24 calorías, podemos definir la ley de Joule de la siguiente
forma:

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La ley de Joule, también conocida como efecto Joule, establece
que el calor desarrollado cuando una corriente eléctrica atraviesa un
conductor es proporcional al cuadrado de la intensidad, a su resistencia y al
tiempo durante el cual circula.
Donde:
• Q: es el calor, expresado en calorías (cal), que desprende el
conductor. Recuerda que 1 Julio es equivalente a 0.24 calorías,
con lo que la fórmula anterior puede ser reescrita en unidades del
Sistema Internacional (julios - J -) según Q=I2⋅R⋅t
• I: Es la corrie nte eléctrica, expresada en amperios (A)
• R: Es la resistencia eléctrica, expresada en ohmios (Ω)
• t: Es el tiempo, expresado en segundos (s).
Ejemplo: