CARGAS ELECTRICAS EN MOVIMIENTO

Electrodinámica:es la parte de la física que se encarga de estudiar las cargas eléctricas en movimiento.

HISTORIA DE LA ELECTRICIDAD  

INTRODUCCIÓN A LOS CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD

Conductor eléctrico:aquel material que en el momento en el cual se pone en contacto con un cuerpo cargado eléctricamente, trasmite la electricidad a todos los puntos de su superficie

                                                                                                                    EJEMPLOS

oro, plata, cobre, aluminio, bronce,grafito y la soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar),Zinc puro, Latón, Bronce con fòsforo, Alambre de hierro, Níquel, Alambre de acero,Hierro colado   entre otros

AISLANTES ELÉCTRICOS:es un material que impide el paso de la electricidad. Esto es posible ya que el material en cuestión no conduce la electricidad (rechaza el flujo de la corriente). En un aislante eléctrico, las cargas tienen dificultades para movilizarse

                                                 EJEMPLOS

Entre ellos se puede mencionar: plástico, hule, madera, caucho, cinta aislante,poliestireno y porcelana.

LA ELECTRICIDAD EN EL HOGAR, BENEFICIOS Y PELIGROS

Corriente eléctrica: es el movimiento de las cargas eléctricas en un conductor bajo la influencia de un campo eléctrico. También se define como el flujo de las cargas eléctricas en el espacio en una dirección determinada

Campo eléctrico: es una región en la cual se manifiestan fuerzas entre cargas.

Intensidad: es la cantidad de carga que pasa por un área del conductor en una unidad de tiempo. 

  

donde :

Q la magnitud de la carga, t el tiempo e I la magnitud de la corriente.La corriente eléctrica se mide en Amperios en honor al Físico francés Ampere

Densidad de corriente: es la cantidad de corriente que circula por una unidad de área

Donde:

J: densidad de corriente

I: intensidad

A: área o superficie

Corriente Alterna.(C.A) Se denominan así, a las corrientes que varían alternativamente de sentido y de magnitud. Son producidas por fuerzas eléctricas que cambian alternativamente de sentido e intensidad

generador de corriente: es un dispositivo capaz de transformar otro tipo de energía en energía eléctrica creando una diferencia de potencial entre dos áreas del dispositivo denominadas bornes o polos. 

Resistencia: es proporcional a la tensión eléctrica e inversamente proporcional a la intensidad de corriente.

RESISTIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES

Fuerza electromotriz (FEM) es la causa de que se mantenga una diferencia de potencial entre dos puntos, es decir, genera las condiciones para que las cargas eléctricas dentro de un circuito sigan en movimiento.Tambien se puede definir como el trabajo eléctrico (Wext)que realiza por cada unidad de carga positiva (q) que lo atraviesa. 

ε=Wextq

En el S.I. la f.e.m. (ε) se mide con la misma unidad que la diferencia de potencial, es decir, en julio/culombio o voltio..

Ley de ohm: es la relación entre la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente

Circuito eléctrico :es un sistema en el cual la corriente eléctrica fluye por un conductor en una trayectoria completa, es decir, cerrada, debido a su diferencia de potencial

                            EJEMPLO

Un foco conectado a una pila por medio de un conductor es un ejemplo de un circuito eléctrico básico.

El circuito esta cerrado cuando la corriente eléctrica circula en todo el sistema y abierto cuando no circula por él. Para abrir o cerrar el circuito se emplea un interruptor

Fuentes de voltaje: Es un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial, es capaz de mantener un flujo constante el cual suministra energía que permite que las cargas se desplacen

                             ACTIVIDAD

Se tiene un móvil de plata que tiene una longitud de 43m con un area de 45m cuadrado calcular:

• Su resistencia 
• El diámetro de otro móvil de aluminio que posea la misma resistencia y longitud anterior 
• La corriente que circula cuando esta conectada a 6789v

una lampara marca 780v con una corriente  de 43A. Hallar el potencial eléctrico(usando las 3 formulas) 


la resistencia de una lampara de filamento de 879 ohm a 300cº a 0cº es de 80 ohm calcular:

• El coeficiente de temperatura de la lampara 
• La longitud del filamento a 0cº si tiene un área de 23 metro cuadrados y resistividad 21Ωm

               CONEXIÓN O ASOCIACIÓN DE RESISTENCIA

Resistencia resultante o equivalente: es el valor de la resistencia que se obtiene al asociar un conjunto de ellas.

ASOCIACIÓN EN SERIE:es cuando están conectados uno a continuación de otro.

Todas las resistencias están recorridas por la misma intensidad .

•El efecto que se consigue es aumentar la resistencia total en el circuito.

•El voltaje total (VT) que suministra la pila se gasta en las dos resistencias (V1 y V2).

                  Características

·         En serie se conectan los receptores (lámparas, motores, timbres, etc.), uno a continuación de otro.

·         Se reparten el voltaje de la pila entre ellos.

·         Por ejemplo, si conectamos tres bombillas en serie a una pila de 4,5 voltios, a cada una le corresponden solo 1,5 voltios, por lo que lucen muy poco.

·         Si se funde una bombilla, o la desconectamos, las demás dejan de lucir.

         EJEMPLO

ASOCIACIÓN EN PARALELO: Las resistencias se disponen de tal manera que los extremos de un lado se unen todos a un punto común y los del otro lado a otro punto común. Cada rama del circuito es recorrida por una intensidad diferente (I1 e I2).

Características

·         están conectadas a la misma diferencia de potencial mencionada.

·         origina una misma demanda de corriente eléctrica.

·         La corriente se repartirá por cada una de sus resistencias.

I           I=I1+I2+...+IN   

1R

1R=1R1+ 1R2+1R3

EJEMPLO

en las instalaciones eléctricas domésticas. La conexión entre los bombillos de una misma habitación está en paralelo, de manera que si un bombillo se "quema", los demás quedan encendidos. 

                 APLICACIÓN EN LA VIDA COTIDIANA

Existe cierta similitud en la disposición que adoptan los componentes electrónicos al conectarse de una u otra forma, con la que ordinariamente adoptamos al aparcar nuestro automóvil. Normalmente, en la mayoría de los supermercados tenemos que aparcar "en paralelo", también llamado aparcamiento "en batería". Sin embargo, en muchas de las calles de la mayoría de las ciudades la forma de aparcar habitual es "en serie" o "en linea".

ASOCIACIÓN MIXTO: Es aquel que es serie y paralelo a la vez

                                           EJEMPLO

Teniendo en cuenta la asociación de resistencias de la figura y que VA-VC = 200 V.

Calcular:

a) El valor de la resistencia equivalente que se obtiene al asociar las tres resistencias.
b) Cuanto vale el valor de la intensidad I 
c) Cuanto vale VB-VC.
d) El valor de la intensidad de corriente que circula por R1.

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Solución

Datos

VA-VC = 200 V
R1 = 1 KΩ = 1000 Ω
R2 = 300 Ω
R3 = 900 Ω

Resolución

Cuestión a)

Como se puede observar en la figura, disponemos de una asociación mixta ya que por un lado R1 y R2 se encuentran en paralelo y ambas en serie con R3. Vamos a calcular en primer lugar la resistencia equivalente entre R1 y R2 y que llamaremos R1,2.

1R1,2=1R1+1R2⇒1R1,2=11000+1300⇒R1,2=230.77 Ω

Por tanto, podemos sustituir R1 y R2 por una resistencia R1,2 de tal forma que esta última se encuentre en serie con R3:

A continuación, podemos asociar ambas resistencias en serie y calcular la nueva resistencia equivalente R1,2,3:

R1,2,3=R1,2+R3 ⇒R1,2,3 = 230.77 + 900 ⇒R1,2,3= 1130.77 Ω

Cuestión b)

Si tenemos en cuenta la resistencia calculada anteriormente, podemos aplicar la ley de Ohm para calcular el valor de la intensidad I:

VA−VC = I ⋅ R1,2,3 ⇒200 = I ⋅ 1130.77 ⇒I = 0.18 A

Cuestión c)

Dado que conocemos el valor de I y de R3, podemos aplicar nuevamente la ley de Ohm para conocer el valor de VB-VC:

VB−VC = I ⋅ R3 ⇒VB−VC= 0.18 ⋅ 900 ⇒VB−VC = 162 V

Cuestión d)

Antes de calcular, vamos a ver que ocurre con la intensidad de corriente cuando circula a través del circuito eléctrico completo:

Como puedes observar, la intensidad de corriente se bifurca y se une cada vez que circula una ramificación de resistencias en paralelo. Si aplicamos la ley de Ohm para R1, obtenemos que VA-VB = I1·R1. Conocemos R1 y podemos calcular VA-VB. Pues vamos a ello...

VA−VC=(VA−VB)+(VB−VC) ⇒VA−VB = (VA−VC)−(VB−VC) ⇒VA−VB=200−162 ⇒VA−VB=38 V

Aplicando la ley de Ohm sobre R1:

VA−VB=I1⋅R1 ⇒I1=VA−VBR1⇒I1=381000⇒I1=0.038 A

                                                                                                                                          ACTIVIDAD

I.- Los siguientes circuitos se encuentran conectados en serie y tienen los siguientes datos:
*R1= 2Ω, R2=5Ω, R3= 9Ω V=10 Volts.
*R1= 10Ω, R2=20Ω, R3=25Ω, R4=50Ω V=768 Volts.

*R1= 8Ω, R2=23Ω, R3=20Ω, R4=45Ω V=89 Volts.
A todos los circuitos resuelva lo siguiente:
a).- Elabora un diagrama del circuito.
b).-Determina la resistencia equivalente.
c).-La intensidad de corriente de cada resistencia.
d).- La caída de voltaje de cada resistencia.

II.- Los siguientes circuitos se encuentran conectados en paralelo y tienen los siguientes datos:
*R1= 5Ω, R2=8Ω, R4= 7Ω V=120 Volts.
*R1= 5Ω, R2=3Ω, R3=5Ω, R4=9Ω V=240 Volts.
*R1= 8Ω, R2=5Ω, R3=2Ω, R4=4Ω V=60 Volts.
A todos los circuitos resuelva lo siguiente:
a).- Elabora un diagrama del circuito.
b).-Determina la resistencia equivalente.
c).-La intensidad de corriente de cada resistencia.
d).-La intensidad de corriente de la fuente.

  

CAPACIDAD Y CONDENSADORES

Condensadores o capcitadores: es un dispositivo formado por dos placas conductoras cuyas cargas son iguales pero de signo opuesto. Básicamente es un dispositivo que almacena energía en forma de campo eléctrico. Al conectar las placas a una batería, estas se cargan y esta carga es proporcional a la diferencia de potencial aplicada, siendo la constante de proporcionalidad la capacitancia: el condensador. También eliminan los chispazos en los sistemas de encendido de los automóviles

 capacidad: es la magnitud medida por la relación entre la carga en cualquiera de los condensadores y la tensión entre ellos.

Donde 

 q es la carga de una de las placas (coulumb)

 V la diferencia de potencial entre ella(voltio)

 c es la capacidad (faradio o farad)

Faradio: Es la capacidad de un condensador, en el que sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de un voltio, esta adquiere una carga eléctrica de un coulomb.

OBSERVACIÓN:La unidad del Faradio es muy grande (un condensador de placas paralelas de un Faradio, ocuparía un área aproximada de 1011m² que en la práctica es imposible) por lo tanto para fines prácticos se utilizan submúltiplos 

                        SUBMÚLTIPLOS DE FARAD

 milifaradio (mF = 10^-3 F)

 micro Faradio (μF = 10^-6 F)

 nano Faradio (nF = 10^-9 F) 

 picofaradio (pF = 10^-12 F)

                            TIPOS DE CONDENSADORES

                   CLASIFICACIÓN DE LOS CONDENSADORES

• Según su forma: plano, esféricos y cilíndricos
• según la función y propósito: fijos, variables, de construcción, microelectrónica
• Según su material dieléctrico: papel, plástico, mica, cerámica y vidrio

Los condensadores tienen muchas formas geométricas y aquí estudiaremos solo tres, que son: Los de placas paralelas, los cilíndricos y los esféricos.

CONDENSADOR DE PLACAS PLANAS:Es aquel condensador formado por dos láminas conductoras de área A y separadas paralelamente por una distancia d, que es pequeña comparada con las dimensiones de las aristas del área (fig). Al conectar el condensador a una fuente de poder (dispositivo que suministra energía eléctrica) cada una de las placas adquiere una carga de valor Q. De la sección de campo eléctrico, tenemos que el campo total entre dos placas planas paralelas era:

  

Campo entre las placas

Fig. Condensador plano

Si entre ellas lo que existía era aire. La diferencia de potencial es:
Y la densidad  de carga está dada por:
Tenemos que la diferencia de potencial es:
Aplicando la ecuación 6.1, nos queda:

ENERGÍA ALMACENADA DE UN CONDENSADOR:En el proceso de cargar un condensador, se va generando un campo eléctrico en toda la región entre placas, lo cual implica una cantidad de energía eléctrica cuya densidad es proporcional al cuadrado de la magnitud del campo eléctrico. Esta energía es proporcionada externamente y consiste en el trabajo que se debe realizar para colocar una carga extra y del mismo signo sobre la placa ya parcialmente cargada, venciendo la repulsión coulombiana. En virtud de que el campo eléctrico generado es conservativo, el condensador almacena esta energía suministrada.

                          COMBINACIÓN O CONEXIÓN DE UN CONDENSADOR

CONDENSADORES EN PARALELOS

Fig.2 Condensadores en paralelos

Tres o mas condensadores estan conectados en paralelos cuando se conectan de la manera que estan en la figura.2.

Las primeras tres placas estan conectadas al terminal positivo, mientras que que las otras tres estan conectadas al terminal negativo. De esta forma, la diferencia de potencial entre las placas del condensador es la misma para todas. La carga sumunistrada por la fuente se reparte entre los tres condensadores. En resumen:

a.- La carga total es igual a la suma de las cargas de cada condensador.

b.-La diferencia de potencial es la misma en cada uno de los condensadores.

Es posible sustituir el conjunto de condensadores por uno solo, sabemos que:

Y asi para Q1, Q2  y  Q3. Introduciendo en (6.6) y desarrollando:

Es decir, al colocar los condensadores en paralelos, su capacidad aumenta.

CONDENSADORES EN SERIES Fig.6.7 Condensadores en series Tres o mas condensadores estan conectados en serie cuando se conectan como  en la fig.( 6.7). Al conectarse los condensadores a la pila o bateria, se extraen electrones de la placa izquierda de C1, los cuales son trasladados a la placa derecha de C3, como consecuencia ambas= placas adquieren la misma carga, despues la placa derecha de C1 se carga por induccion se carga con signo contrario, y este proceso continua con C2. En resumen: a.- La carga de los condensadores es la misma para cada uno de los condensadores que intervienen en la conexión. b.-El voltaje V, aplicado a los capacitores conectados, se divide de manera que se cumple : Podemos obtener un condensador equivalente aplicando las dos condiciones anteriores. Sabemos que: Y para V1, V2 y V3. Introduciendo en (6.10), obtenemos:                                                                                                                                                                                                                               Dieléctricos Son aisladores, con una propiedad característica llamada constante dieléctrica k . Se le acredita Michael Faraday, el llevar a cabo el primer experimento que cuando un material aislante llena el espacio entre dos placas conductoras de un condensador el valor de la capacidad aumenta. Si C0 es la capacidad en el vacío (o en el aire) de un condensador determinado, la capacidad , cuando se coloca un dieléctrico entre sus conductores es mayor que C0 por al que al factor se le da el nombre de constante dieléctrica  k: C = K.C0                                                                                                                                     CONDENSADORES CON DIELECTRICOEn general los condensadores llevan entre sus láminas una sustancia no conductora o dieléctrica.por tres razones: Permiten una mayor rigidez mecánica en la estructura física del condensador. Aumenta la capacidad del condensador. Permiten que se pueda aplicar un mayor voltaje sin que cause una descarga. INSERTANDO UN DIELECTRICO CON LA BATERIA CONECTADA Tenemos un condensador de capacidad  que adquiere una carga  mediante una batería. Si se introduce un dieléctrico, se observa que la carga aumenta en un factor k. Como el voltaje  no se altera, porque la batería está conectada, podemos concluir que la nueva capacitancia del condensador es: Fig.6.8 Condensadores sin dieléctrico Fig. 6.9 Condensador con dieléctrico La capacidad aumenta en un factor k. INSERTANDO UN DIELECTRICO CON LA BATERIA DESCONECTADA Tenemos un condensador de capacidad  que adquiere una carga  mediante una batería: Fig.6.10 Condensadores sin dieléctrico Ahora se desconecta de la batería y se introduce un dieléctrico. Se observa que la diferencia de potencial disminuye ( V = V0/k). Como la carga no se altera, podemos concluir que el condensador tiene una nueva capacitancia: Fig. 6.11 Condensador con dieléctrico La capacidad también aumenta en un factor K.