FISICA_A.PALMA_MODULO_1_-_4_MEDIO

Colegio Alberto Blest Gana
“Jóvenes emprendedores para el siglo XXI”
Coordinación Académica
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SUBSECTOR DE APRENDIZAJE: Física
NOMBRE GUIA Y/O MÓDULO DE APRENDIZAJE: Electricidad
NIVEL: 4º Medio
PROFESORA: Ma. Alejandra Palma F.
OBJETIVOS GUIA Y/O MODULO DE APRENDIZAJE:
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Reconocer la importancia de la electricidad para el hombre moderno, y de donde viene el concepto de electricidad
Explicar como electrizar un cuerpo, y las conclusiones para cada caso
Saber que además de los cuerpos buenos, malos conductores de la electricidad, tambien existen los semi y superconductores de
la electricidad, dando ejemplos de cada uno de ellos
Usar la definición y la unidad de intensidad de corriente, voltaje y resistencia eléctrica
Saber la relación matemática de la intensidad de corriente y resistencia eléctrica, y aplicarla a problemas sencillos de cálculo
Relacionar V,i,R en la Ley de Ohm y aplicarla en la resolución problemas
Reconocer un circuito conectado en serie, calcular la resistencia equivalente, calcular los respectivos voltajes, aplicar la relación
entre V,R
Reconocer un circuito conectado en paralelo, calcular su resistencia equivalente, calcular las respectiva intensidades, aplicar la
relación entre i,R
Reconocer un circuito conectado en forma mixta, resolverlo paso a paso hasta llegar a un circuito en serie y resolverlo es decir
calcular i, los voltajes
Conocer y aplicar el concepto de potencia eléctrica, reconocer las magnitudes físicas involucradas
Deducir otras formas de calcular la potencia eléctrica usando la ley de Ohm
Conocer como calcular la cantidad de calor que desprende un electrodoméstico, y el costo económico que significa tenerlo
funcionando cierta cantidad de tiempo
Aplicar los conceptos de potencia eléctrica, cantidad de calor desprendido y costo económico a problemas
Te puedes apoyar en tu cuaderno, y guías de trabajo y en las siguientes paginas de referencias:
http://es.wikibooks.org/wiki/Electricidad/Electrost%C3%A1tica
www.profesorenlinea.cl/fisica/ElectricidadPotenciaResist.htm
En esta guía encontraras conceptos, ejercicios resueltos y otros para que tú los resuelvas, puedes usar tú calculadora cuando
sea necesario, en los horarios de atención revisaremos y clarificaremos tus preguntas, es importante que traigas el desarrollo que
tú haz realizado de estos ejercicios y escritas todas tus preguntas, para poder avanzar.
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ELECTRICIDAD
La electricidad es un término muy familiar en la vida del hombre moderno, pasando a ser indispensable en nuestra vida diaria,
pero sabemos que es la electricidad, recordemos hace 25 siglos Thales, filosofo griego, encontró que un trozo de ámbar,
previamente frotado, atraía objetos pequeños. La palabra electricidad proviene del vocablo griego “elektron” que significa ámbar.
Electrización: Consiste en cargar eléctricamente un cuerpo, y los cuerpos electrizados adquieren la propiedad de atraer cuerpos
livianos. Existen 3 formas de electrización:
a) Por frotamiento: El roce o contacto entre dos cuerpos, permite que se produzca una alteración entre los átomos de estos
cuerpos, uno pierde electrones que son ganados por el otro cuerpo. En este caso no es posible saber cual quedo con carga
positiva o negativa.
Pero existe un convenio, que dice así: “El vidrio frotado con seda, el vidrio se carga positivamente y la seda negativa”.
b) Por contacto: Consiste cuando se pone en contacto un cuerpo neutro a otro con carga, este le comunica parte de su carga ya
sea cediendo o quitando electrones, para finalmente el cuerpo neutro quede con carga de igual signo del cuerpo cargado.
c) Por inducción:
Consiste cuando se acerca un cuerpo neutro a otro con carga,
el cuerpo neutro se reordena y luego hacemos tierra
(tocamos con la mano) un extremo del cuerpo neutro, para que
por la mano pasen o se vayan los electrones necesarios,
finalmente el cuerpo neutro quedara con carga de diferente
nómbrela cuerpo cargado o inductor. Observa la imagen
Con un péndulo eléctrico o un electroscopio se puede saber si un cuerpo esta electrizado o no. Ademas se puede verificar la ley
de la electricidad que dice así:
 Dos cuerpos cargados con electricidad del mismo nombre, se repelen o rechazan
 Dos cuerpos cargados con electricidad del nombre contrario, se atraen
La electricidad es una forma de energía que se puede trasmitir de un punto a otro. Los cuerpos, según su capacidad de trasmisión
de la corriente eléctrica, son clasificados en conductores y aisladores.
Conductores: Son cuerpos conductores de la electricidad aquellos que dejan pasar fácilmente la corriente eléctrica. Para que un
cuerpo sea conductor necesita tener átomos con muchos electrones libres, que se puedan mover con facilidad de un átomo a otro.
Entre éstos tenemos a los metales como el cobre que es de uso comun, por su costo económico; pero el oro y la plata son
mejores conductores de la electricidad, en general, los metales son conductores de la electricidad, al igual que el agua, ácidos,
soluciones salinas
Aisladores o malos conductores: Se llaman así a aquellos cuerpos que no permiten el paso de la corriente eléctrica. Un material
aislante no consigue movilizar a los electrones de dicho material. Ejemplos el diamante, el plástico, vidrios y la madera son
materiales aislantes.
Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre los
semiconductores.
Materiales semiconductores: En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista
físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad mejorando prodigiosamente su
conductividad, es decir la electrización se extiende a medias, ocurriendo esto por pequeños cambios en su composición. Se
utilizan en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica.
Ejemplo de "semiconductores" son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), constituyen elementos que poseen
características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra.
Superconductores: Son ciertos metales que adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace
cero. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido y sin
pérdida de energía en determinadas condiciones. Aplicaciones de los superconductores son en las resonancias magnéticas, en
computadores (para darles velocidad). La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos
simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La
superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata.
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Corriente eléctrica: ocurre cuando las cargas eléctricas se mueven en una misma dirección se genera corriente eléctrica en un
conductor. Que es la que nos permite el funcionamiento de los aparatos eléctricos. Si quisiéramos contar o medir la cantidad de
carga de una corriente, estaríamos considerando la intensidad de corriente eléctrica o simplemente intensidad, esta magnitud
se simboliza por i o I. Corresponde a la cantidad de carga que pasa por una secciona transversal (cable) de un conductor por
unidad de tiempo. Matemáticamente se expresa así:
Donde:
i = intensidad de corriente, su unidad de medida es Ampere (A) en el SI
q = Carga eléctrica, su unidad de medida es Coulomb (C) en el SI
t = tiempo, su unidad de medida es segundo (s), en el SI
q
i
t
De lo anterior se desprende la siguiente equivalencia:
Am pere
Coulom b
segundo
Recuerda que la magnitud física intensidad no tiene unidad en el sistema CGS, pero se puede utilizar los submúltiplos:
miliamperes (mA), su equivalencia es: 1mA = 10-3 A
microampere ( A) , su equivalencia es : 1 A = 10-6 A
No olvidar que existe corriente continua y alterna.
Corriente continua (CC): Ocurre cuando la circulación neta (total)
de los electrones se realiza en un solo sentido.
Corriente alterna (CA): Ocurre cuando la circulación neta de los
electrones cambia de sentido en forma alternada.
Ejemplo:
¿Cuál es la corriente que circula por un cable de cobre sí por él circulan 5,3 C en 0,2 s?
Datos:
q = 5,3 C
i=
5,3
 26,5( A)
0,2
t = 0,2 s
i=?
Voltaje: Es la capacidad de una carga eléctrica para moverse en presencia de una fuerza eléctrica. En los enchufes de nuestras
casas es posible encontrar un voltaje de 220Volt (V), a diferencia de Estados Unidos que usan 110Volt (V). Importante recordar
que el voltaje tambien se conoce como diferencia de potencial eléctrico o diferencia de potencial. La unidad de medida del voltaje
es el Volt (V) en el SI, no existe en el sistema CGS.
Las pilas basan su funcionamiento en reacciones químicas que separan cargas eléctricas ubicándolas en puntos distintos (polos)
de manera que entre los polos se produzca una diferencia de potencial. El potencial o voltaje de una pila corriente es de 1,5V; las
baterías son de 9V y las baterías de autos de 12V.
Resistencia eléctrica: Se puede entender como un obstáculo que dificulta el paso de la corriente, depende de varios factores
como la resistividad propia de cada material. Entenderemos por resistividad como la vibración constante de los átomos que forma
la materia. En los materiales aislantes, la vibración es muy grande, lo que dificulta o impide el paso de los electrones, en cambio
en los cuerpos conductores la vibración de los átomos es minima entonces los electrones pueden circular libremente y así
transportar las cargas eléctricas.
En los cables cilíndricos que usamos en las instalaciones eléctricas, la resistencia eléctrica depende además de la resistividad, del
largo y grosor del cable (área de la sección transversal).
La magnitud física de resistencia (R) se mide en el SI en Ohm que se simboliza por la letra griega omega (  ) y su relación
matemática es la siguiente:
-
L
R= 
A
Donde:
R = resistencia eléctrica, su unidad en el SI es Ohm (  )
  Resistividad del material, su unidad de medida en el SI es (  ∙ m)
L = Largo del cable conductor, su unidad de medida en el SI es el metro (m)
A = área de la sección transversal del cable conductor, su unidad de medida en el SI es m 2
Ejemplos:
1) Calcula la resistencia eléctrica de un alambre de cobre de 300 m de largo, cuya sección transversal tiene 2 mm de radio, la
resistividad del cobre es 1,7 ∙ 10-8  ∙ m
Datos:
2
Se calcula primero el área de la sección transversal: A =   r  3,14∙(0,002)2 = 1,256∙10-5 m2
L = 300m
r = 2 mm = 0,002m
300
-8
  1,7 ∙ 10-8  ∙ m R = 1,7 ∙ 10 ∙ 1,256 105  0,4 
R=?
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2) Determina la resistividad de un alambre de aluminio de 60 metros de largo, sabiendo que el área de la sección transversal del
alambre es de 0,5∙10 -5 m2 y la resistencia es de 0,14 Ohm
Ley de Ohm: Fue postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, quien encontró como se relacionaban las
variables físicas de voltaje (V), intensidad (i), y resistencia (R). El postulo que si en un conductor metálico a temperatura
constante, el valor de la resistencia es constante sea cual sea la intensidad de corriente que lo atraviesa y el voltaje o diferencia
de potencial que existe entre sus extremos. El valor constante de la resistencia es característico de cada conductor, siendo el
voltaje directamente proporcional a la intensidad de corriente, matemáticamente queda así:
V
, despejando V queda:
i
V = i∙ R (así se conoce la Ley de Ohm)
R
Donde:
V = voltaje o diferencia de potencial, su unidad de medida en el
SI es el volt (V)
i = intensidad de corriente, su unidad de medida en el SI es el
Ampere (A)
R = resistencia eléctrica, su unidad de medida es el Ohm (  )
Ejemplo:
Se conecta un electrodoméstico que funciona conectado a 220 V, y la intensidad de corriente es de 0,2 A, encuentra la resistencia
de este electrodoméstico.
Datos:
220 = 0,2 ∙ R
V = 220 V
1.100  = R
i = 0,2 A
R = ¿?
Circuitos: Un circuito básico es así:
En la imagen se aprecia una sola resistencia, pero con dos o más resistencias
estas se puedes asociar de diferentes maneras, una seria generar un circuito
conectado en serie, otro en paralelo y otro en forma mixta. Donde en cada uno de
ellos se cumple la Ley de Ohm.
V
a) Circuitos en serie:
Este tipo de circuito se reconoce por que la corriente tiene un solo camino a
seguir, pasa por R1 luego por R2 y finalmente por R3
Se cumple:
* Que la intensidad de corriente es constante
* El voltaje se divide de acuerdo al valor de las resistencia, se genera V1 , V2 y
V3
* La suma de todos los voltajes corresponde a V
* La resistencia equivalente o total ( Req) corresponde a la suma de todas las
resistencia, es decir:
Req = R1 + R2 + R3 +.......
Ejemplo Usaremos la figura anterior con los siguientes valores: R1 = 2  ; R2 = 4  ; R3 = 6  ; conectada a una diferencia
de potencias de V = 120 V. Resolver este sistema consiste en encontrar V1 , V2 , V3 ; i
Primero calcular Req = 2  + 4  + 6  = 12  . Luego se aplica la ley de Ohm, para calcular la intensidad de corriente: V =
i ∙ Req
120 = i ∙ 12
10 (A)= i (Recuerda que la intensidad es constante)
Solo falta calcular los voltajes, nuevamente usaremos la ley de Ohm
V1 = i∙ R1
V2 = i∙ R 2
V3 = i∙ R 3
V1 = 10 ∙ 2
V2 = 10 ∙ 4
V3 = 10 ∙ 6
V1 = 20 (V)
V2 = 40 (V)
V3 = 60 (V)
Si sumas los voltajes tenemos: 20 + 40 + 60 = 120 (V) Que era el voltaje inicial y se dividió.
Importante: Podemos concluir que la resistencia y el voltaje varían en forma directamente proporcional
2) Conecta en serie las siguientes resistencias R1 = 1  ; R2 = 3  ; R3 = 5  y; R4 = 7  conectada a un voltaje de 320
V, aplica la ley de Ohm para calcular el voltaje mayor
Hay que calcular Req , i y luego en este caso como i y R son directamente proporcional solo hay que calcular V4
Req = 1  + 3  + 5  + 7  = 16 
Ley de Ohm : 320 = i∙ 16
20 A = i (constante) Como i con R son directamente proporcional, en este caso hay que calcular, usando la
resistencia mayor así:
Ley de Ohm: V4 = i ∙ R4
V4 = 20 ∙ 7 = 140 V
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b) Circuito conectado en paralelo:
Se reconoce por que la corriente tiene más de un camino a seguir o sea
el i se divide al llegar a R1 luego al llegar a R2 y finalmente al llegar a R3
Se cumple:
* La diferencia de potencial es la misma en todas las resistencias
* La intensidad de corriente se divide de acuerdo al valor de las
resistencias
* La resistencia equivalente o total ( Req) se calcula así:
Req =
1
1
1
1


R1 R2 R3
Ejemplo: Usaremos la figura anterior con siguientes valores: R1 = 2  ; R2 = 4  ; R3 = 8  ; conectada a una diferencia de
potencias de V = 160 V. Resolver este sistema consiste en encontrar i1 , i2 , i3 ; i
Primero calcularemos Req =
Luego i : V = i ∙ Req
160 = i ∙
1
1
1 8
=
  
1 1 1 4  2 1 7 7
 
2 4 8
8
8
8
7
140 A = i
Ahora calcularemos i1 , i2 , i3 ; usando La ley de Ohm:
V = i1 ∙ R1
V = i2 ∙ R2
V = i3 ∙ R3
160 = i1∙ 2
160 = i2 ∙ 4
160 = i3 ∙ 8 i2
80 A = i1
40 A = i2
20 A = i3
Si sumas i1 + i2 + i3 = i tenemos:
80 + 40 + 20 = 140 A
Importante: Podemos concluir que el voltaje y la resistencia varían en forma inversamente proporcional
2) Conecta en paralelo las siguientes resistencias R1 = 1  ; R2 = 3  ; R3 = 5  y; R4 = 9  conectada a un voltaje de
360 V, aplica la ley de Ohm para calcular intensidad menor
Como i y R son inversamente proporcionales solo hay que usar en este caso la resistencia mayor para encontrar la intensidad
menor, así:
V = i4 ∙ R4 ( V es constante, V = 360 V)
360 = i4 ∙ 9
40 A = i4
c) Circuitos forma mixta conectados en:
Se reconoce pues existe una combinación de un circuito en serie y en
paralelo. Para la solución de estos problemas se trata de resolver
primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo
para finalmente reducir a la un circuito puro, en serie o en paralelo.
En la imagen, la corriente llega al punto y se divide pasando parte por
R5 y el resto del amperaje pasa por R1 luego llega al otro punto y
nuevamente se divide pasando por R3 y R2 , es decir estas ultimas
resistencias estarían conectadas en paralelo , se calcula la Req , y
luego se usa este valor con R1 y R4 en serie para calcular otra Req . Y
por ultimo se usa este valor con R5 en este caso en paralelo,
quedando un circuito con solo el valor de esta ultima Req , se usa la
ley de Ohm y se calcula el valor de la intensidad.
Ejemplo, usando esta figura con los siguientes valores: R1 = 2  ; R2 = 4  ; R3 = 8  ; R4 = 1  ; R5 = 4  y V = 87 V,
resuelve este circuito:
1
1
1
1 8


   , luego:
1
1
1 1 2 1 3 3


R2 R3 4 8
8
8
8
8
8 9  8 17
  ahora la ultima Req:
Reqparcial = R1   R4  2   1  3  
3
3
3
3
3
17
17 12  17 29
Req = R5 +
 4


 , aplicamos ley de Ohm para determinar i en el ultimo circuito:
3
3
3
3
Reqparcial =
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V=i∙R
87 = i ∙
29
3
9A=i
2) Resuelve tú usando la siguiente figura:
Potencia Eléctrica: Mover un flujo de corriente, implica realizar un trabajo para mover las cargas por un conductor. Este trabajo
se puede realizar en forma rápida o lenta, dicha rapidez con que se realice se denomina potencia eléctrica.
Se simboliza por la letra P y se defines así:
P  v i
Donde:
P es la potencia eléctrica, su unidad de medida en el SI es Watt (W)
V = voltaje o diferencia de potencial, su unidad de medida en el SI es volt (v)
i = intensidad de corriente, su unidad de medida en el SI es Ampere (A)
Equivalencia de la unidad Watt es: 1 W = volt ∙ ampere
Si aplicamos la ley de Ohm en la definición de potencia se puede deducir otras formas de calcular la potencia:
Si V  i  R se reemplaza en: P  v  i
P  i  R  i  i 2  R  W  Ampere2  Ohm
Ahora de V  i  R despejamos i 
V
, lo remplazamos en: P  v  i
R
V V2
volt2
P  v 
W 
R R
Ohm
Por lo tanto existen tres maneras de calcular la potencia eléctrica, va a depender de los datos, para saber cual usar:
P  v  i  i2  R 
V2
R
Ley de Joule o efecto Joule : Es el fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la
energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor
por el que circulan, elevando la temperatura del mismo, por lo tanto perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en
forma de calor. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule.
Este efecto fue definido de la siguiente manera: "El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado
de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la
corriente". Matemáticamente se expresa como
Q  0,24  R  i 2  t
2
Pero: i  R  P
Entonces otra forma de
calcular Q es:
Q  0,24  P  t
Donde:
Q = Es la cantidad de calor que se desprende, su unidad de medida en el SI es la
calorias (cal)
0,24 = constante de proporcionalidad
R = resistencia eléctrica, su unidad de medida en le SI es El Ohm (  )
i = intensidad de corriente, su unidad de medida en el SI es el Ampere (A)
t = tiempo de uso, su unidad de medida en el SI es el segundo (s). Si el tiempo se usa en
minutos, la unidad de la cantidad de calor que se desprende es cal/mine etc.
Ejemplos:
1) En una ampolleta común se lee 100W-220V. Calcular:
a) La intensidad de corriente
b) la resistencia del filamento
c) Si se usa por 1 hora, cuanto calor se desprende
d) Si el valor del KWh es de $90, cuanto se debe pagar al mes, si se mantiene encendida esta ampolleta todos los días por 1 hora
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Datos:
P = 100W
V = 220 V
a) i = ¿
b) R = ¿
c) Q = ¿
100 = 220 ∙ i
i = 0,45 A
2202
R
R = 484 
100 =
Q = 0,24 ∙100∙3600 = 86.400 cal
Q = 0,24 ∙100∙1 = 24 cal/h
d) P = 100 W = 0,1 KW ∙ 1h = 0,1 Kwh
1 Kwh = $90 entonces: 0,1 ∙ 90 = 9 es decir se gasta $9 en una hora de uso, por lo tanto en un mes son:$ 270
2) Determina en cuanto cambia la potencia eléctrica, si el voltaje se triplica y la intensidad de corriente disminuye a la novena
parte.
Datos:
Se tiene:
P=¿
V = 3V
i
P = 3V ∙ , simplificando
i
9
i=
9
P=
V i
, es decir la potencia eléctrica disminuye a la tercera parte
3
Ejercicios:
1) En una ampolleta de larga duración se lee 15W-110V, con esta información contesta las preguntas:
a) Determina la resistencia del filamento de esta ampolleta.
b) Determina La intensidad que circula por esta ampolleta.
c) Determina la cantidad de calor que se desprende después de 70 minutos de uso.
d) Determina el costo económico mensual, que significa tener encendida esta ampolleta diariamente 5 horas, se sabe que 1Kw-h
actualmente esta en $105
2) Dos ampolletas tienen las siguientes características de voltaje y potencia:
La primera A) de 220V – 75W
La segunda B) de 110V – 150W
Contesta:
a) Clasifica por orden decreciente las resistencias de las ampolletas
b) Clasifica por orden decreciente las intensidades que atraviesan a cada ampolleta cuando están encendidas.
3) Determina que ocurre con la potencia eléctrica, en los siguientes casos:
a) Si el voltaje disminuye a la mitad y la intensidad de corriente aumenta 8 veces su valor
b) Si el voltaje se duplica y la resistencia disminuye a la cuarta parte
4) Usa las siguientes resistencias: R1 = 5  ; R2= 3  ; R3= 1  conectadas en serie y con una diferencia de potencial de 18V;
para encontrar:
a) La intensidad de corriente de este circuito
b) El voltaje mayor
c) El voltaje menor
5) Usa las siguientes resistencias: R1 = 5  ; R2= 3  ; R3= 1  conectadas en paralelo y con una diferencia de potencial de
15V; para encontrar:
a) La intensidad total del circuito
b) La intensidad mayor del circuito
c) La intensidad menor del circuito
6) Determina la resistividad de un alambre de cobre de 30 m de largo, sabiendo que el área de la sección transversal del alambre
es de 10 -4 m 2 y la resistencia es de 0,15 Ohm:
7) Explica la electrización por contacto
8) Cual es la condición para los materiales que son buenos conductores de la electricidad, da ejemplos
9) La unidad de la carga eléctrica, intensidad de corriente y voltaje en el SI