LEYES ELÉCTRICAS

LA LEY DE OHM

La Ley de Ohm establece que la intensidad que circula por un conductor, circuito o resistencia, es inversamente proporcional a la resistencia (R) y directamente proporcional a la tensión (E).

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, 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.

LA LEY DE COULOMB

La ley de Coulomb dice que la intensidad de la fuerza electroestática entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que a ellas las separa.

Charles Austin Coulomb en 1785 desarrollo un aparato que el llamo la barra de torsión , construidas con fibras que permitian un facil desplazamiento, en esta colocó esferas con diferentes cargas electricas.

                   

Dichas mediciones permitieron determinar la ecuación de la ley de Coulomb:

F = es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (función de que las cargas sean positivas o negativas).

q = son las cargas sometidas al experimento.

Epsilon = permitividad.

ud = vector director que une las cargas q1 y q2.

d = distancia entre las cargas.

LEYES DE KIRCHHOFF

a) Ley de nodos o ley corrientes

En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Ficho de otra forma la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo.

Suma de corrientes entrantes = Suma de las corrientes salientes

I1 = I2 + I3

Un enunciado alternativo es, en todo nodo la suma algebraica de corrientes debe ser 0.

LEY DE MALLAS O LEY DE VOLTAJES

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión. Ficho de otra forma el voltaje aplicado a un circuito cerrado es igual a la suma de las caídas de voltaje en ese circuito.

Voltaje aplicado = Suma de caídas de voltaje

V = V1 + V2 + V3

Un enunciado alternativo es, en toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser 0.

LEY DE WATT

La potencia eléctrica suministrada por un receptor es directamente proporcional a la tensión de la alimentación (V) del circuito y a la intensidad de corriente (I) que circule por él.

P  V * I

Donde:

P= Potencia en watt (W)

V= Tensión en volt (V)

I= Intensidad de corriente en ampere (A)

Watt es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades, su símbolo es W. Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s).

Expresado en unidades utilizadas en electricidad, el Watt es la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de 1 amperio (1 VA).

La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en Watt, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW).

LEY DE JOULE

Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, encuentra una dificultad que depende de cada material y que es lo que llamamos resistencia eléctrica, esto produce unas pérdidas de tensión y potencia, que a su vez den lugar a un calentamiento del conductor, a este fenómeno se lo conoce como efecto Joule. En definitiva, el efecto Joule provoca una pérdida de energía eléctrica, la cual se transforma en calor, estas pérdidas se valoran mediante la siguiente expresión:

P_p = R* I²

Donde:

Pp = Potencia perdida en W

R= Resistencia del conductor en Ω

I= Intensidad de corriente en A

CIRCUITO ELÉCTRICO

Se denomina circuito eléctrico al conjunto de elementos eléctricos conectados entre sí que permiten generar, transportar y utilizar la energía eléctrica con la finalidad de transformarla en otro tipo de energía como, por ejemplo, energía calorífica (estufa), energía lumínica (bombilla) o  energía mecánica (motor).  Los elementos utilizados para conseguirlo son los siguientes:

·         Generador: Parte del circuito donde se produce la electricidad, manteniendo una diferencia de tensión entre sus extremos.

·         Conductor: Hilo por donde circulan los electrones impulsados por el generador.

·         Resistencias: Elementos del circuito que se oponen al paso de la corriente eléctrica .

·         Interruptor: Elemento que permite abrir o cerrar el paso de la corriente eléctrica. Si el interruptor está abierto no circulan los electrones, y si está cerrado permite su paso.

Resistencias de los conductores eléctricos

La resistencia es la oposición que encuentra la corriente eléctrica para pasar por los materiales y esta depende de tres factores:

·         El tipo de material: Cada material presenta una resistencia diferente y unas características propias, habiendo materiales más conductores que otros. A esta resistencia se le llamaresistividad [ρ] y tiene un valor constante. Se mide [Ω·m].

·         La longitud: Cuanto mayor es la longitud del conductor, más resistencia ofrece. Se mide en metros [m].

·         La sección: Cuanto más grande es la sección, menos resistencia ofrece el conductor. Por lo tanto, presenta más resistencia un hilo conductor delgado que uno de grueso. Se mide en [m²].

·         La resistencia de un conductor se cuantifica en ohmios (Ω), y se puede calcular mediante fórmula:

 R = ρ • l / s

CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. ^[]Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

Conducción eléctrica

Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado.

Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:

Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es:

CORRIENTE CONTINUA

Se denomina corriente continua o corriente directa(CC en español, en inglés DC, de DirectCurrent) 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).

CORRIENTE ALTERNA

Se denomina corriente alterna (simbolizada CA en español y AC en inglés, de AlternatingCurrent) 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. 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 Nikolas Tesla, y la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse. Otros que contribuyeron al desarrollo y mejora de este sistema fueron LucienGaulard, 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 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.

Corriente monofásica

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 400voltios.

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POTENCIAL ELÉCTRICO

EL POTENCIAL ELÉCTRICO SOLO SE PUEDE DEFINIR PARA UN CAMPO ESTÁTICO PRODUCIDO POR CARGAS QUE OCUPAN UNA REGIÓN FINITA EN EL ESPACIO.

SI SE CONSIDERA QUE LAS CARGAS ESTÁN FUERA DEL CAMPO ELÉCTRICO,  LA CARGA NO CUENTA CON ENERGÍA Y EL POTENCIAL ELÉCTRICO EQUIVALE AL TRABAJO NECESARIO PARA LLEVAR LA CARGA DESDE DEL EXTERIOR DEL CAMPO HASTA EL PUNTO CONSIDERADO.

EL POTENCIAL ELÉCTRICO (V) EN UN PUNTO ES EL TRABAJO REQUERIDO PARA MOVER UNA CARGA UNITARIA Q DESDE EL PUNTO EN QUE ESTÁ UBICADA HASTA EL INFINITO, DONDE EL POTENCIAL ES 0.

LA UNIDAD DEL SISTEMA INTERNACIONAL QUE SE UTILIZA PARA REPRESENTAR EL POTENCIAL ELÉCTRICO ES EL VOLTIO (V).

TODOS LOS PUNTOS DE UN CAMPO ELÉCTRICO QUE TIENEN EL MISMO POTENCIAL FORMAN UNA SUPERFICIE EQUIPOTENCIAL. UNA FORMA ALTERNATIVA DE VER AL POTENCIAL ELÉCTRICO ES QUE A DIFERENCIA DE LA ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA O ELECTROSTÁTICA, CARACTERIZA U OCUPA SOLO UNA REGIÓN DEL ESPACIO SIN TOMAR EN CUENTA LA CARGA QUE SE COLOCA ALLÍ.

                               CAPACITANCIA

ES LA PROPIEDAD DE UN CAPACITOR DE OPONERSE A TODA VARIACIÓN DE LA TENSIÓN EN EL CIRCUITO ELÉCTRICO. LA RESISTENCIA ES LA OPOSICIÓN AL FLUJO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. TAMBIÉN SE DEFINE, A LA CAPACITANCIA COMO UNA PROPIEDAD DE ALMACENAR CARGA ELÉCTRICA ENTRE DOS CONDUCTORES, AISLADOS EL UNO DEL OTRO, CUANDO EXISTE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE ELLOS, COMO SE OBSERVA EN LA FIGURA SIGUIENTE, LAS DOS PLACAS ACTÚAN COMO CONDUCTORES, MIENTRAS QUE EL AIRE ACTÚA COMO UN AISLANTE:

condensadores eléctricos

• SE DEFINE TAMBIÉN COMO LA PROPIEDAD DE UN CONDUCTOR DE ADQUIRIR CARGA ELÉCTRICA CUANDO ES SOMETIDO A UN POTENCIAL ELÉCTRICO CON RESPECTO A OTRO EN ESTADO NEUTRO.
• LA CAPACITANCIA ENTRE DOS CONDUCTORES  CON CARGAS DE IGUAL MAGNITUD Y DE SIGNO CONTRARIO ES LA RAZÓN DE LA MAGNITUD DE LA CARGA EN UNO U OTRO CONDUCTOR CON LA DIFERENCIA DE POTENCIAL RESULTANTE ENTRE AMBOS CONDUCTORES
• LOS FACTORES QUE DETERMINAN LA CAPACITANCIA DE UN CAPACITOR SIMPLE SON: A) EL ÁREA DE LAS PLACAS, B) LA SEPARACIÓN ENTRE LAS PLACAS Y C) EL MATERIAL DEL DIELÉCTRICO; LA CAPACITANCIA ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL ÁREA DE LAS PLACAS Y A LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL MATERIAL DIELÉCTRICO UTILIZADO E INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA DISTANCIA DE SEPARACIÓN DE LAS PLACAS, ES DECIR: C = K A/ D = FARADIOS
• LOS CAPACITORES DE ALTA CAPACITANCIA TALES COMO LOS QUE SE USAN EN LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN, USUALMENTE SON DEL TIPO LLAMADO "ELECTROLÍTICO" CUYA CARACTERÍSTICA ES QUE SON DE TAMAÑO PEQUEÑO Y SE CONSTRUYEN DE DOS TIPOS: HÚMEDO Y SECO, EL PRIMERO REQUIERE DE CUIDADOS ESPECIALES PARA QUE NO SE DERRAME SU LÍQUIDO POR ELLO ES DE MAYOR USO EL TIPO SECO.
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FUERZA ELÉCTRICA

X        La palabra electricidad proviene del vocablo griego elektron, que significa ámbar. El ámbar es una resistencia fósil transparente de color amarillo, producido en tiempos muy remotos por árboles que actualmente son carbón fósil.

X        Es la fuerza electrostática que se produce cuando un cuerpo se carga, esta fuerza se puede detectar por los efectos que causa sobre cuerpos livianos como polvo o pedacitos de papel. 

X        Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales nacido en Mileto, región situada en el egeo, costa oeste de lo que hoy es Turquía el señalaba que al frotar el ámbar con una piel de gato podía atrae algunos cuerpos ligeros como polvo, cabellos o paja.

X        El físico alemán Otto de Guericke construyo la primera máquina eléctrica cuyo principio de funcionamiento se basaba en el frotamiento de una bola de azufre que al girar producía chispas eléctricas.

X        El holandés Peter Van Musschenbroek descubrió la manera de almacenar cargas eléctricas al utilizar la llamada botella de Leyden la cual está construida con una botella de vidrio que actúa como aislante o dieléctrico.

X        La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

X        Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga.

LEY DE LOS POLOS DE LA ELECTRICIDAD

Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

Fórmula para calcular la fuerza entre dos cargas es:

F=k  q1q2/r²

Su constante siempre es K=9x10⁹

ESTUDIOS Y DESCUBRIMIENTOS DE CIENTÍFICOS SOBRE LA ELECTRICIDAD

El estadounidense Benjamín  Franklin observó que cuando un conductor con carga negativa terminaba en punta los electrones se acumulan en esa región y por repulsión abandonan dicho extremo fijándose sobre las moléculas  de aire o sobre un conductor cercano con carga positiva . De la misma manera un conductor cargado positivamente atrae a los electrones por la punta, arrancándolos de las moléculas de aire cercanas. Estos fenómenos se producen debido al llamado poder de puntas.

X        Charles Coulomb, científico francés estudio las leyes de atracción y repulsión eléctrica. Invento la balanza de torsión para medir la magnitud de la fuerza de atracción o de repulsión por medio del retorcimiento de una fibra fina y rígida.

X        Georg Ohm, físico alemán quien descubrió la resistencia eléctrica de un conductor y en 1827 estableció la ley fundamental de las corrientes eléctricas al encontrar la existencia de una relación entre la resistencia de un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica.

X        Michael Faraday, físico y químico ingles descubrió la inducción electromagnética al usar un imán para generar una corriente eléctrica al desplazarlo dentro de una espiral de hierro. 

CAMPO ELÉCTRICO

    Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferente signo se atraen y las de igual signo se rechazan, aun cuando se encuentran separadas. Esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor; la región de influencia recibe el nombre de campo eléctrico. El campo eléctrico es invisible pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados por ello es fácil detectar su presencia, así como medir su intensidad

    El electrón y todos los cuerpos electrizados tienen a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influenza. El campo eléctrico es inherente a la naturaleza del electrón e independiente de sus movimientos. No así el campo magnético que aparece solo cuando el electrón está en movimiento.

    Como el campo eléctrico no se puede ver, el inglés Michael Faraday introdujo, en 1823 el concepto de líneas de fuerza para poder representarlo gráficamente.

    Las líneas de fuerza representan al campo eléctrico de una carga positiva salen radialmente de la carga, mientras que las de carga negativa entran a la carga.

FÓRMULAS

    Para calcular la intensidad se emplea la siguiente fórmula:

E= F/q

    Para calcular su magnitud se emplea la siguiente fórmula

E=kq/r²