Electricidad

La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.

Fuerza eléctrica: es aquella cuyo modulo depende de el valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelan entre sí, mientras que las de signo opuesto se atraen.

Los conductores son aquellos materiales, en los cuales las cargas eléctricas se desplazan con bastante facilidad.

Aisladores o dieléctricos: son los materiales cuyos electrones se hayan fuertemente ligados al núcleo, impidiendo el transporte de carga con facilidad.

Semiconductores: son materiales que presentan propiedades intermedias entre los conductores y los aisladores. Estos son utilizados con mucha frecuencia en la fabricación de dispositivos electrónicos.

Ley de Coulomb.

“Dos cargas eléctricas puntuales se atraen o se repelan con una fuerza directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.

Fe= k (q1.q2)/d^2

De donde

K es una constante de proporcionalidad que depende del medio entre las cargas y las unidades elegidas.

q1, q2: es el valor de las cargas 1 y 2

d: es la distancia de separación entre las cargas

Fe: es la fuerza eléctrica

Un Coulomb: es la cantidad de corriente que pasa a través de la sección transversal de un alambre en un segundo cuando por él circula la corriente de Ampere.

Campo eléctrico: es una región en la cual se manifiestan fuerzas de atracción o repulsión entre cargas. También es definido como un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica .

Está determinado por la siguiente ecuación:

Superficie equipotencial: es cualquier superficie que contiene una distribución continua de puntos que están al mismo potencial.

La superficie equipotencial está determinada por la siguiente ecuación:

V= K Q__

r

Ley de Gauss

“El flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga que hay en el interior de dicha superficie dividido entre ε0.”

Dichos campos son aquellos cuya intensidad decrece como la distancia a la fuente al cuadrado. La constante de proporcionalidad depende del sistema de unidades empleado. Se aplica al campo electrostático y al gravitatorio. Sus fuentes son la carga eléctrica y la masa, respectivamente. También puede aplicarse al campo magnetostático.

La ley de Gauss se rige mediante la siguiente ecuación:

∮▒〖E.dS= q/εo〗

Potencial eléctrico: es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para transportar la unidad de carga positiva desde fuera del campo hasta dicho punto. El potencial eléctrico es una magnitud escalar y por tanto tomará valores positivos y negativos. De esta forma, el potencial eléctrico es la suma algebraica de los potenciales parciales.

Está determinado por la siguiente fórmula:

VA= w/q

Diferencia de potencial eléctrico: se denomina diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un campo eléctrico, al trabajo por unidad de carga que tiene que realizar un agente externo para llevar la unidad de carga positiva desde A hasta B sin que cambie la energía cinética.

Por consiguiente, si se abandona una carga positiva en B, ésta es repelida por la que crea el campo, tendiendo a desplazarse hacia A. De ésta manera las cargas positivas tienden a caer de mayor a menor potencial, gastando su energía potencial.

De acuerdo con la definición de diferencia de potencial, se puede escribir la siguiente ecuación, la cual es válida en cualquier situación.

WAB

VB-VA = ______

q0

Capacitancia eléctrica: es la magnitud medida por la relación entre la carga en cualquiera de los dos conductores y la diferencia de potencial entre ellos. La expresión matemática de ésta definición se escribe así:

q

Ce= ___

V

De donde

Ce: es la capacidad eléctrica del condensador,

V: es la diferencia de potencial entre las placas,

q: es la carga de cada una de las placas

Es importante destacar que esa carga q no es la carga neta de las placas, puesto que la carga neta es cero. Esa carga, es la magnitud de la carga de una de las placas.

Condensadores o capacitores: son dispositivos que tienen como función almacenar cargas eléctricas para su posterior utilización.

Tipos de condensadores.

Los condensadores están divididos en dos grandes grupos: fijos y variables.

Condensadores fijos: son los de papel, los cerámicos y los electrolíticos. En los de papel las placas están constituidas por láminas de aluminio de alta pureza, y su dieléctrico es un papel de alta calidad. En los de cerámica, las placas son de plata y usan cerámica como dieléctrico. En los electrolíticos, las placas son una de aluminio y la otra es un electrólito, usando oxido de aluminio como dieléctrico.

Condensadores variables: son aquellos a los cuales es posible variarle su capacidad a través de medios mecánicos, usándose aire o plástico como dieléctrico.

Fuerza electromotriz: es el trabajo o energía que debe realizar un generador para trasladar la unidad de carga a través de todo el circuito. La fuerza electromotriz puede designarse con la letra (ε).

De acuerdo con la definición se puede escribir la siguiente ecuación:

ε = _w_

q

Ley de Ohm.

El enunciado dice de la siguiente manera:

“La resistencia de un conductor es proporcional a la diferencia de potencial aplicada en sus extremos e inversamente proporcional a la intensidad de corriente que por él circula”.

Y esta determinada por la siguiente ecuación:

R= _V__

I

Limitaciones de la ley de Ohm

Esta ley no es aplicable en todos los casos, tiene sus limitaciones las cuales se describirán a continuación:

Sólo es válida para conductores sólidos.

Es aplicables solamente en corriente continua.

Es preciso tener en cuenta el calentamiento de los circuitos, pues, estos al variar la temperatura alteran las propiedades físicas y la resistencia eléctrica.

No se cumple en rectificadores y amplificadores utilizados en radio y televisión y en lámparas.

Un Ohm: es la resistencia de un conductor que al aplicarle la diferencia de potencial de un voltio, permite el paso de una corriente de un Ampre.

Ley de Ohm para circuito completo

“En un circuito completo, la fuerza electromotriz del generador es directamente proporcional a la intensidad de la corriente del circuito, multiplicada por la resistencia total”.

ε=I.Rt

Malla eléctrica: es la porción de un circuito cerrado que se inicia en un nudo y termina en el mismo nudo.

Leyes de Kirchhoff.

Primera Regla de Kirchhoff

Asignándole signo positivo a las corrientes que llegan a un nudo y signo negativo a las corrientes que se alejan se puede enunciar que:

“En un nudo, la suma algebraica de las intensidades de corriente que llegan y salen, es igual a cero”.

I1+I2+I3=0

Esta ley no es mas que el principio de conservación de la energía, lo cual dice que cuanta corriente entra en un punto del circuito debe salir de ese punto, puesto que la carga no puede perderse en dicho punto.

Segunda Regla de Kirchhoff

Esta ley se deduce de la conservación de la energía y puede ser enunciada así:

“En todo circuito cerrado la suma algebraica de los productos I.R es igual a la suma algebraica de las fuerzas electromotrices.”

Estrategias para la resolución de problemas aplicando las reglas de Kirchhoff.

1.- Se debe asignar arbitrariamente un sentido a la corriente en cada malla del circuito. No debemos preocuparnos por el que se asigne en forma incorrecta el sentido de la corriente; el resultado ha de tener signo negativo, pero la magnitud será la correcta.

2.- Se debe seleccionar un sentido de rotación para cada malla, que puede ser en el mismo sentido de las agujas del reloj.

3.- La corriente que tenga el mismo sentido de recorrido de la malla será positiva y la que tenga el sentido contrario será negativa.

4.- Una fuerza electromotriz es positiva si al recorrer la malla la polaridad es del negativo al positivo y será negativa si la polaridad es del positivo al negativo.

5.- Se aplica la primera regla de Kirchhoff a uno de los nodos.

6.- Se aplica la segunda regla de Kirchhoff a cada malla.

7.- Al aplicar (5) y (6) nos queda un sistema de ecuaciones que debe resolverse por cualquiera de los métodos.

8.- Si el signo de algunas de las corrientes resultare negativo significa que su sentido real es opuesto al que se le había asignado inicialmente.

Electromagnetismo: es la parte de la física que estudia los efectos entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.

Campo magnético: es una región del espacio que rodea a un imán, espacio en el cual se ejerce una fuerza de carácter magnético.

Corriente eléctrica: es el movimiento ordenado y permanente de las partículas cargadas en un conductor, bajo la influencia de un campo eléctrico.

Corriente continua: es aquella en la cual las cargas eléctricas dentro del conductor se desplazan en un solo sentido. La corriente continua es suministrada por pilas, como las usadas en linternas y radios, y las baterías de los automóviles.

Corriente alterna: es aquella cuyas cargas eléctricas dentro del conductor circulan en uno u otro sentido, trayendo como consecuencia que la corriente cambie constantemente de sentido. Una corriente alterna puede ser transformada en corriente continua, haciendo uso de unos dispositivos llamados rectificadores, que tienen como función convertir la corriente alterna en corriente continua rectificada.

Intensidad de corriente eléctrica: es la cantidad de carga (q) que pasa por una sección del conductor en una unidad de tiempo (t).

Esta definición puede escribirse en forma de ecuación así:

I = __q__

t

En donde:

I: es la intensidad de la corriente

q: es la carga que pasa por la sección del conductor

t: es el tiempo que tarda en pasar dicha carga.

Resistencia eléctrica: es la oposición que ofrece un conductor a la circulación de corriente eléctrica a través de él.

R= _V__

I

Campo gravitacional: es un campo de fuerzas que representa la gravedad. Si se dispone en cierta región del espacio una masa M, el espacio alrededor de M adquiere ciertas características que no disponía cuando no estaba M.

En física newtoniana o física no-relativista el campo gravitatorio viene dado por un campo vectorial.

En física relativista, el campo gravitatorio viene dado por un campo tensorial de segundo orden.

Campo gravitacional en física Newtoniana: es un campo vectorial conservativo cuyas líneas de campo son abiertas. Puede definirse como la fuerza por unidad de masa que experimentará una partícula puntual situada ante la presencia de una distribución de masa.

Se define como:

Donde: m es una masa de prueba

es la fuerza gravitatoria entre la distribución de masas y la masa de prueba.

Campo gravitatorio en física relativista: es la curvatura del espacio-tiempo que, en presencia de materia, deja de ser plano. Allí donde el espacio-tiempo no es plano, se percibe ese hecho como campo gravitatorio local, y viceversa, allí donde se percibe campo gravitatorio se tiene una geometría curva del espacio-tiempo.

Se define como:

Donde:

Son las componentes del tensor de curvatura de Ricci.

Son las componentes del tensor métrico que permite medir distancias en el espacio-tiempo curvo.

Es el escalar de curvatura de Ricci.

Son las componentes del Tensor de energía-impulso de la materia que crea el campo.

Son la constante de la gravitación universal y la velocidad de la luz.

Circuitos eléctricos en serie: serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Circuitos eléctricos en paralelo: es una conexión donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.

Características de los circuitos serie y paralelo

Serie Paralelo

Resistencia Aumenta al incorporar receptores Disminuye al incorporar receptores

Caída de tensión Cada receptor tiene la suya, que aumenta con su resistencia.

La suma de todas las caídas es igual a la tensión de la pila. Es la misma para cada uno de los receptores, e igual a la de la fuente.

Intensidad

Es la misma en todos los receptores e igual a la general en el circuito.

Cuantos más receptores, menor será la corriente que circule. Cada receptor es atravesado por una corriente independiente, menor cuanto mayor resistencia.

La intensidad total es la suma de las intensidades individuales. Será, pues, mayor cuanto más receptores tengamos en el circuito.

Magnetismo o energía magnética: es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Existen 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.

Ley de inducción electromagnética (Ley de Faraday) establece que:

“El voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde”.

Se define como:

Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C.

Onda sonora: es una onda longitudinal que transmite lo que se asocia con sonido. Si se propaga en un medio elástico y continuo genera una variación local de presión o densidad, que se transmite en forma de onda esférica periódica o casi periódica. Mecánicamente las ondas sonoras son un tipo de onda elástica.

Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a las que se encuentren en sus alrededores, provocando un movimiento en cadena. Esa propagación del movimiento de las moléculas del medio, producen en el oído humano una sensación descrita como sonido.

Modo de propagación

El sonido está formado por ondas mecánicas elásticas longitudinales u ondas de compresión en un medio. Eso significa que:

Para propagarse precisan de un medio material ya sea aire, agua, o cuerpo sólido que transmita la perturbación (viaja más rápido en los sólidos, luego en los líquidos aún más lento en el aire, y en el vacío no se propaga). Es el propio medio el que produce y propicia la propagación de estas ondas con su compresión y expansión. Para que pueda comprimirse y expandirse es imprescindible que éste sea un medio elástico, ya que un cuerpo totalmente rígido no permite que las vibraciones se transmitan. Así pues, sin medio elástico no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío.

Además, los fluidos sólo pueden transmitir movimientos ondulatorios en que la vibración de las partículas se da en dirección paralela a la velocidad de propagación a lo largo de la dirección de propagación. Así los gradientes de presión que acompañan a la propagación de una onda sonora se producen en la misma dirección de propagación de la onda, siendo por tanto éstas un tipo de ondas longitudinales (en los sólidos también pueden propagarse ondas elásticas transversales).

Ondas Electromagnéticas: Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía.

Todas se propagan en el vacío a una velocidad constante, muy alta (300 0000 km/s) pero no infinita. Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al excitar los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro construya el escenario del mundo en que estamos.

Espectro electromagnético: es la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

Circuitos Eléctricos RL: son aquellos que contienen un inductor que tiene autoinductancia, esto va de acuerdo a lo que requiere el circuito puesto que se considera mucho menor a la del inductor, es decir, que evita cambios instantáneos en la corriente. Siempre se desprecia la autoinductancia en el resto del circuito puesto que se considera mucho menor a la del inductor.

Para un tiempo igual a cero, la corriente comenzará a crecer y el inductor producirá igualmente una fuerza electromotriz en sentido contrario, lo cual hará que la corriente no aumente.

Esta f.e.m está dada por:

V = -L. dI

dt

Debido a que la corriente aumentará con el tiempo, el cambio será positivo (dI/dt) y la tensión será negativa al haber una caída de la misma en el inductor.

Circuitos Eléctricos RC: son circuitos que están compuestos por una resistencia y un condensador. Se caracteriza porque la corriente puede variar con el tiempo. Cuando el tiempo es igual a cero, el condensador está descargado, en el momento que empieza a correr el tiempo, el condensador comienza a cargarse ya que hay una corriente en el circuito. Debido al espacio entre las placas del condensador, en el circuito no circula corriente, es por eso que se utiliza una resistencia. Cuando el condensador se carga completamente, la corriente en el circuito es igual a cero.

La segunda regla de Kirchhoff dice: V = (IR) - (q/C)

Donde q/C es la diferencia de potencial en el condensador.

En un tiempo igual a cero, la corriente será: I = V/R cuando el condensador no se ha cargado.

Cuando el condensador se ha cargado completamente, la corriente es cero y la carga será igual a: Q = CV

Circuitos eléctricos RCL: se deben considerar ahora aquellos circuitos RCL en los que se introducen fuentes de c– c que producen respuestas forzadas, las cuales no se desvanecen cuando el tiempo se hace infinito. La solución general se obtiene por el mismo procedimiento seguido para los circuitos RL y RC, la respuesta forzada se determina completamente, la respuesta natural se obtiene en una forma funcional adecuada que contiene el número apropiado de constantes arbitrarias, la repuesta completa se escribe como suma de las repuestas forzada y natural y por último se determina y aplican las condiciones iniciales a las respuesta completa para hallar los valores de las constantes.

En consecuencia, aunque básicamente la determinación de las condiciones para un circuito que contenga fuentes de c – c no es diferente para los circuitos. La repuesta completa de un sistema de segundo orden, consta de una repuesta forzada, que para una excitación de c – c es constante, vf (t) = vf

Voltaje: es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede medir con un voltímetro.

Ecuación por la que se rige

V= I X R

Condensadores en series: Tres o más condensadores están conectados en serie cuando se conectan en forma consecutiva sus puntos de carga, de modo tal que:

La carga de los condensadores es la misma para cada uno de los condensadores que intervienen en la conexión.

Qt =Q1=Q2=Q3

El voltaje V, aplicado a los capacitores conectados, se divide de manera que se cumple:

Vt= V1+V2+V3

Se puede obtener un condensador equivalente aplicando las dos condiciones anteriores

Y para V1, V2 y V3. Introduciendo en Vt se obtiene condensadores con dieléctrico

Condensadores en paralelos: Tres o más condensadores están conectados en paralelos cuando presenta un par de láminas paralelas de área finita. La separación entre las láminas es despreciable en comparación con sus dimensiones. O en tal caso conectados en forma intercalada.

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

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

Qt =Q1=Q2=Q3

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

Vt= V1=V2=V3

Es posible sustituir el conjunto de condensadores por uno solo

Qt= Ct.Vt

Y así para Q1, Q2 y Q3. Introduciendo en carga total se obtiene:

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

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