Guia de ejercicios N° 1 Electricidad

COLEGIO SANTA SABINA - CONCEPCION
“EDUCACION DE CALIDAD CON PROYECCION DE FUTURO”
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4° Medio
Dpto. Ciencias
Ingrid Fuentes
GUÍA DE FÍSICA N° 2 –ELECTRICIDAD
2014
A.E. : Describir diferentes fenómenos eléctricos y relacionarlos con situaciones cotidianas y aplicaciones técnicas.
NOMBRE______________________________________________________________________________CURSO:________________
I.
CORRIENTE ELECTRICA
1. Corriente eléctrica
Cuando las cargas eléctricas se mueven en una misma dirección se genera la corriente eléctrica. Una
corriente eléctrica corresponde al movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro a través de un
conductor. El estudio de las cargas en movimiento se llama electrodinámica.
Para medir la cantidad de carga de una corriente,
consideramos la intensidad de corriente eléctrica, que
corresponde a la cantidad de carga que pasa por una sección
transversal de un conductor por unidad de tiempo.
La relación matemática que resume lo anterior es:
𝑰=
𝑸
𝒕
Donde:
I : Intensidad de corriente eléctrica medida en C/s y se denomina ampere (A)
Q : Carga eléctrica expresada en coulombs (C)
t : Tiempo expresado en segundos (s)
Muchas veces se utilizan submúltiplos de esta unidad como el miliampere 𝟏 𝒎𝑨 = 𝟏𝟎−𝟑 𝑨 y el
microampere 𝟏 𝝁𝑨 = 𝟏𝟎−𝟔 𝑨.
2.
Corriente eléctrica continua y corriente alterna
a)
Cuando la circulación neta de electrones se realiza en un solo sentido, entonces la corriente
eléctrica se denomina corriente continua.
b)
Cuando la circulación neta de electrones cambia de sentido en forma alternada se denomina
corriente alterna.
Se estableció por convención que el “sentido de circulación de la
corriente eléctrica, corresponde al sentido opuesto a la circulación de los
electrones”.
En el caso de las pilas y baterías, los electrones se mueven en el sentido
que va desde el polo negativo (-) al polo positivo (+) y la corriente
eléctrica tiene entonces el sentido opuesto.
1
3.
Voltaje
El voltaje se puede entender como la capacidad de una carga eléctrica para moverse en presencia
de una fuerza eléctrica. También se denomina diferencia de potencial eléctrico, y ocurre cuando dos
puntos de un conductor tienen cargas de magnitud muy difernetes, se dice que tienen una diferencia de
potencial eléctrico que hace que las cargas eléctricas se muevan de un punto a otro.
En un circuito eléctrico, el voltaje puede ser producido por una
pila o una batería, que basan su funcionamiento en reacciones
químicas que separan cargas eléctricas ubicandolas en puntos
distintos (polos + y -) de manera que entre los polos se produzca
una diferencia de potencial. En este caso la corriente eléctrica se
produce porque los electrones se mueven desde el polo negativo (-)
al polo positivo (+) de la pila a través de los cables conductores.
La unidad de medida del voltaje es el volt (V). Una diferencia
de potencial de 1 V, significa que para mover una carga de 1
coulomb entre dos puntos se necesita 1 joule de energía.
4.
Resistencia eléctrica
Cada material presenta una oposición al flujo
de carga eléctrica característica que depende de su
estructura atómica y de su temperatura, esto se
llama resistividad. Dependiendo de la resistividad
de cada material, se pueden clasificar en aislantes,
semiconductores o conductores.
A nivel atómico, la resitividad se explica por la
vibración constante de los átomos que forman la
materia. En los materiales aislantes, la vibración es
muy grande, lo que dificulta o impide el flujo de
electrones. En los materiales conductores, en
cambio, la vibración de los átomos es mínima, y
los electrones libres pueden circular con facilidad
por ellos, transportando cargas eléctricas.
En un conductor de forma cilíndrica, como un cable de las
instalaciones eléctricas de una casa, la resitencia eléctrica
depende también del largo y del grosor del cable (área de la
sección transversal), según la siguiente relación:
𝑅 =𝜌∙
Donde:
R
A
L
𝜌
:
:
:
:
𝐿
𝐴
Es la Resistencia eléctrica medida en ohm Ω (letra griega omega)
Área sección transversal
Largo del conductor medido en metros (m)
Resistividad del material medida en (Ω ∙ 𝑚)
4.1.Influencia de la temperatura en la resistencia eléctrica
La resitencia eléctrica de un material también depende de su temperatura. En un conductor, a
mayor temperatura la resistencia aumenta. Esto se debe a que los átomos aumentan su vibración
impidiendo la circulación de electrones. Sin embargo, en los materiales aislantes y semiconductores, un
aumento en la temperatura disminuye el nivel de resitencia eléctrica. También existen los materiales
llamados superconductores que a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (aprox. -270 °C)
presentan una resistencia nula.
Existen componentes eléctricos llamados resitencias que se incluyen en los circuitos para dificultar
el paso de la corriente, ya sea para proteger los demás componentes del circuito al disminuir la
intensidad de la corriente que circula o para producir calor en la misma resitencia, por ejemplo, en
aparatos como estufas, hervidores, entre otros.
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5.
Ley de Ohm
La ley de Ohm relaciona matemáticamente la diferencia de voltaje (V), la resitencia eléctrica (R) y
la corriente eléctrica (I). Esta ley propone que el voltaje entre los terminales de una resistencia es
directamente proporcional a la corriente que circula por ella, siendo la constante de proporcionalidad
el valor de la resitencia. Matemáticamente se tiene:
𝑽
𝑰
6.
=𝑹
o
𝑽=𝑹∙𝑰
Asociación de resitencias
En los circuitos eléctricos sus elementos se conectan basicamente de dos formas: en serie y en
paralelo.
a)
Resistencia en serie: Si los elementos de un ciercuito eléctrico (fuentes de voltaje, resistencias) se
conectan de modo que quede uno a continuación de otro se habla de conexión en serie. Ejemplo:
las luces que adornan los árboles de navidad.
b)
Resistencias en paralelo: Cuando los elementos
de un circuito se conectan de tal forma que es
posible aislar circuitos menores dentro del
circuito, se habla de conexión en paralelo.
Ejemplo: en nuestras casas todos los artefactos
que se conecten a la red eléctrica domiciliaria
por medio de enchufes se estan conectando en
paralelo.
Tanto en las conexiones en serie como en paralelo es posible calcular la resistencia del circuito
medida entre dos puntos, lo que se conoce como resistencia equivalente.
Cálculo de resitencia equivalente
Tipo de conexión
Resistencia equivalente
Conexión en serie
La resitencia equivalente es la suma de las resistencias
conectadas:
𝑅𝑒𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2 +. . . 𝑅𝑛
El recíproco de la resistencia equivalente es la suma de los
recíprocos de las resistencias concectadas:
Conexión en paralelo
-
1
1
1
1
=
+
+⋯
𝑅𝑒𝑞 𝑅1 𝑅2
𝑅𝑛
Simbología de los circuitos eléctricos
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II.
ENERGÍA ELÉCTRICA
1.
Potencia eléctrica
Se puede enternder, como la rapidez con que se transforma un tipo de energía en otro tipo de
energía, en un determinado intervalo de tiempo. Dicho de otra forma, la potencia eléctrica
corresponde a la cantidad de energía eléctrica que un objeto consume o genera en un intervalo de
tiempo. En términos matemáticos, la potencia se puede expresar como:
𝑷=
Donde:
𝑬
𝒕
P : Potencia medida en watt (W)
E : Energía medida en joule (J)
t : Tiempo medido en segundos (s)
Un watt corresponde a la transformación de un joule de energía en un segundo.
2.
¿Cuanta energía eléctrica consume un artefacto eléctrico?
Todos los artefactos eléctricos que tenemos en nuestras casas tienen una potencia eléctrica que les
permite transformar cierta cantidad de energía eléctrica en un período de tiempo. Como la pontencia
eléctrica se obtiene de la relación: 𝑷 =
𝑬
𝒕
, entonces, la energía eléctrica se puede calcular como:
𝑬=𝑷∙𝒕
Esta relación matemática indica que mientras más tiempo esté encendido un artefacto más energía
eléctrica consumirá. La energía eléctrica se expresa en watt-segundos (𝑊 ∙ 𝑠). Para trabajar con números
más pequeños se utiliza la unidad de medida watt – hora (𝑊 ∙ ℎ) o un múltiplo de ella, el Kilowatt –
hora (𝑘𝑊 ∙ ℎ).
3.
Ley de Joule
Para saber cuál es la corriente eléctrica que circula cuando encendemos un aparato electrico existe
una relación matemática entre potencia eléctrica (P), voltaje (V) y corriente eléctrica (I), que se
denomina ley de Joule y que es:
𝑷=𝑽∙𝑰
Donde:
P : Potencia eléctrica medida en watt (W)
V : Voltaje, medido en volt (V)
I : Corriente eléctrica medida en amperes (A)
III. ANALIZANDO CIRCUITOS
1.
Circuito en serie
Si tomamos como ejemplo el circuito de las luces de un árbol
de navidad. Cada ampolleta sería una resitencia y el enchufe de la
red domiciliaria es la fuente de voltaje. Podemos representar este
circuito de la siguiente forma:
En este circuito, el flujo de electrones, es decir la corriente eléctrica que circula, es la misma para
cada una de las ampolletas. Lo mismo ocurre en cualquier circuito en serie: la corriente eléctrica que
circula por cada una de las resistencias o aparatos conectados en serie es la misma que suministra la
fuente de poder.
Para determinar cuál es la corriente eléctrica que circula por el
circuito en serie hay que recordar que las resistencias en serie se
pueden reemplazar por otra equivalente cuyo valor es la suma de
todas las resistencias conectadas. Se puede obtener la intensidad de
corriente para el circuito aplicando la ley de ohm:
𝑰=
𝟐𝟐𝟎 𝑽
𝑹𝒆𝒒
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Nota: Cuando se desconecta uno de los artefactos o resistencias de un circuito en serie, se apagan todos
los demás artefactos o resistencias que están conectados. Esto ocurre porque se interrumpe el circuito,
lo que imposibilita la circulación de corriente eléctrica. Es como si se sacara una de las resistencias.
2.
Circuito en paralelo
Cada elemento de un circuito en paralelo se conecta por dos puntos a la red, como se observa en
la figura. La principal característica del funcionamiento de un circuito en paralelo es que todos los
elementos conectados poseen el mismo voltaje. Por eso este tipo de circuito es el que se usa en las
casas, pues asegura que todos los artefactos que se conecten tengan el mismo voltaje, en Chile este
voltaje es de 220 V.
Si en un circuito en paralelo, uno o más de los elementos conectados deja de funcionar o se
desconecta, no se altera el funcionamiento del circuito, pues la corriente eléctrica sigue circulando y el
voltaje no sufre variaciones. En estos casos se dice que el circuito esta abierto.
En un circuito en paralelo, la fuente entrega corriente eléctrica suficiente para el funcionamiento de
los elementos conectados, según el valor de la resistencia.
Podemos decir que en cualquier tipo de circuito, la potencia que entrega una fuente es igual a la
suma de las potencias que consumen cada una de las resistencias. En un circuito en paralelo, la
corriente que suministra la fuente corresponde a la suma de las corrientes que circulan por las
resistencias. Y en un circuito en serie de corriente continua, el voltaje de la fuente es numericamente
igual a la suma de los voltajes de las resistencias.
3.
Circuitos que combinan serie y paralelo (nixtos)
Hay circuitos en que se combinan elementos conectados en serie y en paralelo. En este tipo de
circuitos se cumplen las mismas leyes que hemos analizado en esta guía.
Recordemos que la corriente
eléctrica consiste en un flujo de
electrones por conductores. Esta
tiene un símil con el flujo de agua
que se mueve en una red de agua
potable. Cuando una tubería se
bifurca, se cumple que el flujo de
agua antes de la bifurcación debe ser
igual a la suma de los flujos de los
nuevos caminos por donde circula el
agua. Con la corriente ocurre algo
similar. Analicemos el siguiente
circuito:
La fuente entrega 10 A, los que se reparten por R1 y R6. Como por R1 circulan 6 A, entoncespor R6
circulan los otros 4 A. Del mismo modo, como por R3 circula 1 A, por R2 entonces circulan 3 A y por R4
circulan 4 A.
Mientras más grande es el valor de la resistencia eléctrica menor es la corriente que circula por ella.
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IV. EJERCICIOS
1.a) Para los siguientes circuitos, determinar la resistencia equivalente.
b) Para los circuitos a, b, d, e y g, determine la Intensidad de la corriente eléctrica total.
a)
b)
c)


100V
d)
f)
e)
g)
40 
2. Determinar el voltaje de la fuente
0 ,1 A
10 
6