MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS

FUNDACIÓN  UNIVERSIDAD  DE  ATACAMA

ESCUELA  TÉCNICO   PROFESIONAL

ESPECIALIDAD ELECTRICIDAD

2008

MEDICIÓN    Y     ANÁLISIS

 DE  

CIRCUITOS   ELECTRICOS

                                                                  PROFESOR: MARIO ROJO GONZÁLEZ

UNIDAD  I: ELECTRICIDAD.

CONTENIDOS:

• ESTRUCTURA  DE  LA  MATERIA.
• FUERZA  Y  CAMPO  ELÉCTRICO.
• FUENTES  DE  ENERGÍA  ELÉCTRICA.
• EFECTOS  DE  LA  ENERGÍA  ELÉCTRICA.

INTRODUCCIÓN

        El concepto de electricidad  o la definición de ella es algo que aún no se ha podido establecer exacta y claramente, por lo que cualquier acercamiento a este concepto pasa por conocer y entender las fuentes que la producen y la forma como se manifiesta.

        La energía eléctrica ocupa hoy día un lugar de primera importancia en las distintas actividades humanas. En la vida familiar, proporciona iluminación y calefacción, y permite el funcionamiento de una amplia gama de aparatos que facilitan los quehaceres domésticos o proporcionan información y entretención.

        En la industria, pone en funcionamiento las  grandes máquinas, siendo fundamental en procesos productivos automatizados, especialmente con la incorporación de computadoras y  robots, haciéndola insustituible.

        Una de sus grandes ventajas es la facilidad con que puede ser trasladada de un lugar a otro, ya que las grandes centrales generadoras están muy alejadas de los centros de consumo, a los cuales son transportadas mediante líneas de transmisión y,  además su uso no produce contaminación.

        La electricidad atmosférica es la primera forma de electricidad que se conoce y se manifiesta  en la forma de un rayo, que es  la descarga eléctrica entre una nube  y  la  tierra.

        Entre todas las teorías, la de mayor aceptación es la teoría electrónica, que considera que la parte más pequeña en que se puede dividir un cuerpo es el átomo.

ELECTROSTÁTICA

ESTRUCTURA  DE  LA  MATERIA

        El actual modelo atómico nos presenta a cada elemento químico con una estructura caracterizada por electrones, protones y neutrones. Es decir cada átomo está formado por un núcleo, en el cual se encuentran muy unidos protones y neutrones y, los electrones girando en torno a él, como se puede observar en la siguiente figura.

[pic 1]

[pic 2]

        Los electrones que ocupan la última capa u orbital, caracterizan las propiedades eléctricas de cada elemento químico. Si se encuentran alejados del núcleo, se pueden mover con facilidad entre un átomo y otro, produciendo una corriente de electrones a través del elemento, dándole la condición de conductor.

        Si se pudiera colocar un electrón frente a un protón, observaríamos como se acercan rápidamente, no así en el caso de colocar dos protones o dos electrones frente a frente, que en estos casos se repelen, como se ve en la figura.

[pic 3]

        Podemos decir en estos casos que tanto el protón como el electrón tienen una  propiedad especial, que se denomina carga eléctrica,  y que por su forma de actuar entre ellos, la carga del protón es distinta a la del electrón. Como ambos componentes tienen distintas propiedades los vamos a diferenciar de la siguiente manera:

• El electrón tiene carga eléctrica negativa.
• El protón tiene carga eléctrica positiva.

Aún cuando los protones tienen igual carga eléctrica, dentro  del núcleo no se repelen, ya que están ligados por fuerzas nucleares que anulan la repulsión. Los neutrones, que comparten el núcleo con los protones, poseen  igual masa que estos, pero no tienen carga eléctrica. Es decir son eléctricamente neutros.

Un átomo en estado normal tiene la  misma cantidad de electrones que de protones,  siendo el protón 1,136 veces más pesado que el electrón.

De acuerdo a lo anterior, podemos decir que la carga eléctrica de un cuerpo es el exceso o déficit de electrones que contenga.  De tal manera que  la unidad de la carga eléctrica tiene relación con el  número de electrones, pero como la carga eléctrica de un electrón es muy pequeña se define el COULOMB como unidad de carga eléctrica, quedando expresado de la siguiente manera:

1 COULOMB = 625 X 1016 ELECTRONES

FUERZA, CAMPO Y POTENCIAL ELECTRICO

        El estudio de la electricidad divide a esta ciencia en dos áreas: la electricidad estática o electroestática y la electricidad dinámica o electrodinámica. La electrostática estudia los electrones en reposo y el traslado de ellos de un cuerpo a otro. La electrodinámica estudia el desplazamiento de electrones a través de conductores y es lo que se conoce con el nombre de corriente eléctrica.

        La electrostática es la ciencia que estudia las cargas eléctricas en reposo, siendo actualmente un área de estudio por los problemas que produce en los componentes semiconductores y en los circuitos integrados que son muy sensibles a este efecto, pero también por las aplicaciones que se le puede dar en la industria.

        La electrostática esta presente en nuestra vida diaria, y la observamos cuando tocamos la pantalla de un televisor o computador, o cuando frotamos dos materiales distintos, existiendo distintos métodos para electrizar un cuerpo. Actualmente existe una máquina electrostática llamada GENERADOR de VAN DE GRAFF, en honor a su inventor.

FUERZA ELÉCTRICA

        Los primeros estudios de los fenómenos de atracción y repulsión entre cargas eléctricas en reposo se deben a COULOMB, quien enuncio la ley de la electrostática que lleva su nombre LEY DE COULOMB, cuyo enunciado es el siguiente:

        LA INTENSIDAD DE LA FUERZA F QUE ACTÚA ENTRE DOS  CARGAS ELÉCTRICAS PUNTUALES ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL PRODUCTO DE DICHAS CARGAS  E INVERSAMENTE PROPORCIONAL AL CUADRADO DE LA DISTANCIA ENTRE ELLAS.

        Matemáticamente dicho enunciado queda expresado de la siguiente manera:

F = K x Q1 x Q2 / R2

Donde K es una constante determinada experimentalmente y toma los siguientes valores. 

K = 9 x 109 NM2 / CB2

K = 1 DCM2 / STC2

Q1 = VALOR  DE LA CARGA  1.

        Q2 = VALOR  DE LA CARGA  2.

          K = CONSTANTE DIELECTRICA.

          R = DISTANCIA ENTRE CARGAS.

        Esta ley  tiene los siguientes  alcances que se deben tener presente:

• Que las cargas sean puntuales, o bien, que las dimensiones físicas de los cuerpos  cargados sean despreciables en relación a la distancia que las separa. Así, esta ley no es aplicable a los protones del núcleo atómico, pero sí entre los protones del núcleo y sus electrones orbitales.

• El medio debe ser isótropo, es decir que su comportamiento físico sea el mismo en todas direcciones.

• El medio debe ser homogéneo, es decir que presente la misma densidad en una zona que en otra.

• El medio debe ser infinitamente extendido; esto quiere decir que las cargas eléctricas deben estar suficientemente separadas del medio circundante como paredes u otras cargas.

EJERCICIOS

1.- ¿Con que fuerza interactúan un electrón y un protón que se encuentran separados 1 m.?

2.-  ¿Con que fuerza interactúan dos electrones separados 1 m.?

3.-  ¿Con que fuerza interactúan una carga de – 4x10-5  cb  con otra de  5x10-4 cb,  separadas una distancia de 1,5 m.?

4.-  Entre dos cargas  fijas, una  de  60 stc y otra de -40 stc, se coloca una carga móvil de 100 stc que está a  7 m de la primera y a  5 m de la segunda.     ¿Cuál es la fuerza ejercida sobre la carga móvil?

...