T.S.U En Mecanica

Se define como potencial eléctrico ( V ) de un campo eléctrico en un punto, el trabajo que deben realizar las fuerzas del campo para trasladar la unidad de carga positiva desde dicho punto a una región en la que no se perciba la influencia de la carga generadora del campo; en el plano teórico, dicha región se encuentra en el infinito.

A partir de esta definición, y en analogía con el trabajo mecánico, se designa como trabajo eléctrico We al producto de una carga por el potencial del campo:

We = Q · V

En relación con el valor del potencial eléctrico, su aplicación práctica se lleva a cabo utilizando la magnitud de la diferencia de potencial entre dos puntos de un mismo campo, que es equivalente al trabajo necesario para trasladar la unidad de carga positiva de un punto A a otro B. El valor de esta magnitud, a la que en ocasiones se denomina también tensión eléctrica, viene dado por la expresión:

VB - VA = ðB A E · dr =ð rB rA q / 4ðð0 · dr / r2

q 1 1

V B - VA = ðð ( ð - ð )

4ðð0 rB rA

La unidad de diferencia de potencial en el Sistema Internacional es el voltio (v), definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que para trasladar de uno a otro una carga de un culombio sea necesario realizar un trabajo de un iulio. Su relación con la uee es:

J 107 erg 1

v = ð = ðððð = ðð uee

C 3 · 109 uee 300

En el seno de un campo eléctrico, se denomina superficie equipotencial al lugar geométrico de los puntos cuyos valores de potencial eléctrico son iguales. En la figura 19.7 se reproducen las superficies equipotenciales y la trayectoria de las líneas de fuerza de una carga puntual y de un sistema integrado por cuatro cargas de signo alternado que constituyen dos dipolos eléctricos. En ambos casos, siendo ð el ángulo que forma el campo con la superficie en un punto determinado, las líneas del campo eléctrico han de ser, en todos sus puntos, perpendiculares a las superficies equipotenciales, como se deduce de la expresión:

VA - VB =ð r2r1 E dr cos ð

CORRIENTE ELECTRICA

Cuando un conductor se conecta por sus extremos a los bornes de un generador, los electrones libres se desplazan en un determinado sentido debido a la creación de un campo eléctrico en todos los puntos del conductor. Se dice entonces que se ha establecido una corriente eléctrica.

La cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección unitaria de un conductor en la unidad de tiempo se denomina intensidad de la corriente I, magnitud cuya unidad en el S.I. es el amperio. Esta unidad se define como la intensidad de corriente que transporta un culombio por segundo a través de la sección de un conductor. Como en el caso de la capacidad eléctrica, en intensidad de corriente es frecuente la utilización de unidades menores, tales como el miliamperio, mA = l0-3 A, y el microamperio, ðA = 10-6 A.

El sentido de la corriente, establecido por convención, es el de las partículas positivas que se desplazan del polo positivo al negativo por el filamento metálico que integra el circuito eléctrico. Así pues, la trayectoria de desplazamiento de los electrones a través de dicho circuito es opuesta a la del sentido de la corriente.

Cuando un campo eléctrico que da lugar a la creación de una corriente mantiene siempre el mismo sentido aunque varíe su intensidad, la corriente generada se denomina continua. Cuando, por el contrario, se producen variaciones en el sentido del campo, se produce corriente alterna. Los conceptos vertidos a continuación son aplicables solamente a la corriente continua.

LEY DE OHM

En los primeros años del siglo XIX el físico alemán Ohm enunció la ley que lleva su nombre, según la cual la intensidad de la corriente que recorre un conductor se encuentra en razón directa con la diferencia de potencial existente en sus extremos y en razón inversa de la resistencia del mismo.

V

I = ð

R

A partir de la expresión de esta ley, puede darse una definición precisa de la unidad de resistencia: se dice que un determinado conductor presenta un valor de resistencia de l ohmio cuando, al aplicar entre sus extremos una diferencia de potencial de 1 voltio, se establece una corriente de 1 amperio de intensidad.

En la figura 20.1 se reproduce una serie de signos convencionales que son los que habitualmente se utilizan en la representación gráfica de circuitos eléctricos: el generador P, de fuerza electromotriz E da lugar a una corriente cuya diferencia de potencial podrá medirse por medio del voltímetro V y cuya intensidad será determinable mediante la lectura sobre el amperímetro A; los puntos T y R representan el interruptor y la resistencia, respectivamente .

La corriente que fluye a través de la parte externa del generador sufre una cierta resistencia externa del conductor que integra el circuito. La que circula en el interior del generador entre el polo negativo y el positivo, por su parte, sufrirá una cierta resistencia interna. En una extensión de la ley de Ohm, puede afirmarse que en un circuito eléctrico cerrado la intensidad de la corriente es determinada por la relación existente entre la fuerza electromotriz del generador E y la resistencia total del circuito

E

I = ðððð

Ri + Re

RESISTENCIA EN SERIE Y PARALELO

Dos o más resistencias pueden conectarse entre sí para incrementar su magnitud, utilizando dos sistemas. En la figura 20.2 se representa la unión de resistencia en serie, para las cuales, según la ley de Ohm, el valor total de resistencia se determina por:

RT = R1 + R2 + R3

La figura 20.3 reproduce, de forma esquemática, la conexión de resistencias en paralelo. En este caso, los extremos de cada resistencia convergen en un solo punto a partir del cual continúa el circuito sobre un solo conductor. La resistencia total para la disposición en paralelo se establece mediante medidas de conductancia, es decir

1 1 1 1

ð = ð + ð + ð

RT R1 R2 R3

Cuando dos resistencias se conectan en paralelo, puede comprobarse que las intensidades de corriente se encuentran en razón inversa de las resistencias

R1 I2

ð = ð

R2 I1

SEMICCONDUCTORES

La denominación de semiconductor se aplica a una serie de materiales, tales como el silicio, el germanio, el selenio y algunos óxidos y sulfuros de estos elementos, cuya conductividad, que presenta valores intermedios entre los de los metales y los de los aislantes, se caracteriza por ciertas peculiaridades. El valor de su resistencia manifiesta una notable diversidad según el sentido de la corriente que lo atraviesa. Se supone que en los semiconductores, junto con la conducción de electrones propia de los metales, presentan otro tipo de conducción, aún no definida perfectamente, a la que se denomina conducción por agujeros, y que desempeña un papel decisivo en el funcionamiento de los transistores y otras complejas estructuras electrónicas.

Puente de Wheatstone

El puente de Wheatstone es un dispositivo que permite concretar la magnitud de una resistencia desconocida a partir de los valores de otras que sí se conocen. Su esquema queda reproducido en la figura 20.4. Siendo R1, R2 y R3 las resistencias de magnitud conocida, una de las cuales es variable, puede establecerse un equilibrio en el sistema cuando el amperímetro A indique una intensidad de corriente nula. Al relacionar mediante la ley de Ohm los valores de intensidad y diferencia de potencial de cada rama del puente con los correspondientes de resistencia, se establece una relación por la cual la magnitud de 1a resistencia incógnita es

R2 R3

Rx = ððð

R1

LEY JOULE

El trabajo realizado por una carga eléctrica al desplazarse en un circuito, desde un punto A a otro B, es:

We = q ( VA - VB )

Si se supone que en el circuito existe un receptor que transforma la energía potencial de la carga en otra forma de energía, el valor de esta última para un paso de corriente por el receptor durante un tiempo t, es

We = En = I t ( VA - VB )

ya que:

q

I = ð

t

Esta expresión corresponde a la energía por segundo o potencia consumida por el receptor.

Relacionando la expresión de potencia:

We

P = ðð = I ( VA - VB )

t

con la resistencia R del circuito, mediante la ley de Ohm, se obtiene

( VA - VB )2

P = R I 2 = ððððð

R

Cuando el receptor del circuito es un motor de cualquier tipo, la energía transformada toma la forma de trabajo mecánico. Cuando, por el contrario, es una resistencia, la energía se manifiesta en forma de calor, lo que constituye el llamado efecto Joule. Dicho efecto presenta numerosas aplicaciones en tecnología, tales como la iluminación mediante lámparas de incandescencia, la calefacción y la soldadura eléctricas y la utilización de fusibles en instrumentos alimentados por corriente eléctrica.

La cuantificación del calor generado por una resistencia según

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