energía eléctrica (197029)

ELECTRICIDAD
La electricidad es una forma de energía. La corriente eléctrica
es un movimiento o flujo de electrones a través de un
conductor; este movimiento no es posible sin la aplicación a
dicho conductor de una fuerza especial llamada fuerza
electromotriz.
CARGAS POSITIVAS Y NEGATIVAS
Existen dos tipos de carga, las negativas y las positivas en
ellas se cumple que: cargas similares (de igual signo) se
repelen y cargas diferentes (de distinto signo) se atraen.
Benjamín Franklin (1706-1790) denominó positivas a las que
aparecen en una sustancia que cede electrones y negativas a
las que ganan electrones.
La teoría atómica moderna afirma que toda materia está
constituida, básicamente, por partículas: protones, electrones y
neutrones. Los primeros poseen carga positiva, los segundos,
carga negativa y los neutrones que carecen de carga eléctrica.
Un cuerpo no electrizado posee el mismo número de
electrones que de protones. Cuando se frotan dos cuerpos hay
una transferencia de electrones de uno hacia otro y el cuerpo
que presenta exceso de electrones queda cargado
negativamente, mientras que el que los perdió presenta un
exceso de protones provocando la existencia de carga eléctrica
positiva.
El principio de conservación de la carga se enuncia de la
siguiente manera “La cantidad de carga eléctrica de un
sistema aislado es constante”
ELECTRICIDAD ESTÁTICA Y DINÁMICA
La electricidad puede clasificarse en dos grandes grupos:
electricidad estática y electricidad dinámica.
ELECTRICIDAD ESTÁTICA: recibe también el nombre de
electrostática. Como su nombre lo indica, se refiere a los electrones estáticos o en reposo, es decir sin movimiento. La
electricidad estática se produce por la acumulación de cargas
en un punto de un material.
Los materiales cargados tienden a volver a su estado de
equilibrio y para lograrlo necesitan descargarse. Al hacer esto,
lo consiguen desprendiendo energía la cual se manifiesta generalmente por medio de acciones mecánicas o por simples
chispas. El proceso por el que adquiere carga el material
contiguo se le llama inducción electrostática.
¿Cómo crear electricidad estática? Cuando cargamos un
material estamos acumulando partículas eléctricas en un punto
del mismo. Para lograr esto es necesario mover electrones
libres de un átomo a otro, de tal forma que un material pierda
electrones y el otro los gane.
TIPOS DE ELECTRIZACIÓN
POR CONTACTO: se puede cargar un cuerpo neutro con
sólo tocarlo con otro previamente cargado
POR FROTAMIENTO: al frotar dos cuerpos eléctricamente
neutros (número de electrones = número de protones), ambos
se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.
POR INDUCCIÓN: es un proceso de carga de un objeto sin
contacto directo, cuando se acerca un cuerpo electrizado a un
cuerpo neutro.
POR EL EFECTO FOTOELÉCTRICO: es un efecto de
formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas
que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra
radiación electromagnética.
POR ELECTRÓLISIS: si se coloca un par de electrodos en
una disolución de un electrolito (compuesto ionizable) y se
conecta una fuente de corriente continua (pila, batería) entre
ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el
electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo.
POR EFECTO TERMOELÉCTRICO: es la electricidad
generada por la aplicación de calor a la unión de dos
materiales diferentes.
POR PRESIÓN: un material de tipo especial, el cristal
piezoeléctrico, convierte lo energía mecánica en eléctrica al
ser presionado.
AISLANTES Y CONDUCTORES
En ciertos materiales, típicamente en los metales, los
electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren
libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas
partículas se denominan electrones libres y son el vehículo
mediante el cual se transporta la carga eléctrica. Estas
sustancias se denominan CONDUCTORES.
En contrapartida a los conductores eléctricos, existen
materiales en los cuales los electrones están firmemente
unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas
sustancias no poseen electrones libres y no será posible el
desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son
denominadas AISLANTES O DIELÉCTRICOS.
Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen
múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los
materiales SEMICONDUCTORES por su importancia en la
fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la
actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se
comportan como dieléctricos, pero sus propiedades
conductoras pueden ser alteradas con cierta facilidad
mejorando su conductividad en forma prodigiosa ya sea
mediante pequeños cambios en su composición,
sometiéndolos a temperaturas elevadas o a intensa
iluminación.
A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales
adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al
flujo de cargas se hace cero. Se trata de los
SUPERCONDUCTORES. Una vez que se establece una
corriente eléctrica en un superconductor, los electrones
fluyen por tiempo indefinido.
ELECTRICIDAD DINÁMICA
Para que la electricidad sea realmente útil, ésta debe
permanecer en movimiento, es decir, debe ser dinámica o
activa y la fuente que la genere debe estar en constante
renovación de sus cargas eléctricas para que no pierda su
capacidad en pocos segundos de trabajo.
Si en un espacio físico o un cuerpo hay acumulación de
cargas positivas en un sitio y negativas en otro se produce un
movimiento de electrones de la zona negativa a la positiva, al
movimiento de electrones se llama corriente eléctrica.
La corriente eléctrica (I) es una magnitud vectorial y
corresponde a la cantidad de carga (Q) que pasa por un
material conductor, en la unidad de tiempo (t). Su unidad es el
amperio (A).
Donde:
Q: carga eléctrica, Coulomb
t: tiempo, segundos
I: corriente eléctrica, Amperios
¿Cómo se produce la corriente eléctrica?. Imaginemos el
incontable número de electrones concentrados en una terminal
del generador (una batería, un generador o cualquier
dispositivo que cree una fem). Se repelen o se empujan los
unos a los otros, pero sin tener lugar donde desplazarse si no
existe un camino o circuito eléctrico. Ahora bien si
conectamos un hilo de cobre entre el citado Terminal y el otro
del mismo generador (donde hay escasez de electrones) se
habrá establecido un circuito eléctrico. Los electrones del
terminal negativo empujaran los electrones libres del hilo,
siendo alejados del terminal propagándose esta acción casi
instantáneamente de un extremo al otro
del hilo.
Consecuencia de ello es que inmediatamente comenzarán los
electrones a desplazarse por el hilo, avanzando hacia el
terminal positivo del generador en el cual la presencia de
electrones es escasa.
Un electrón considerado en particular no se desplaza
necesariamente de uno al otro extremo del circuito eléctrico.
Solo puede hacerlo en una pequeña fracción de centímetro por
minuto; pero en cambio su empuje se propaga casi
instantáneamente de uno al otro extremo del circuito.
LA CORRIENTE CONTINUA (CC en español, en inglés
DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a
través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial.
A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las
cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es
decir, los terminales de mayor y de menor potencial son
siempre los mismos). Por ejemplo la suministrada por una
batería, es continua pues la corriente mantiene siempre la
misma polaridad.
CORRIENTE ALTERNA (abreviada CA en español y AC
en inglés, de Alternating Current) es llamada así a la
corriente en la que la magnitud y dirección varían
cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más
comúnmente utilizada es la de una onda senoidal , puesto que
se consigue una transmisión más eficiente de la energía. La
CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los
hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y
de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también
ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más
importante suele ser la transmisión y recuperación de la
información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.
POTENCIAL Y DIFERENCIA
También llamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario para
desplazar una carga positiva de un punto a otro en el interior
de un campo eléctrico; en realidad se habla de diferencia de
potencial entre ambos puntos (VA - VB). La unidad de
diferencia de potencial es el voltio (V).
Un generador de corriente eléctrica permite mantener una
diferencia de potencial constante y, en consecuencia, una
corriente eléctrica permanente entre los extremos de un
conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de
potencial, los distintos conductores difieren entre sí en el valor
de la intensidad de corriente obtenida, aunque el campo
eléctrico sea el mismo.
La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se
mide con un voltímetro, instrumento que se coloca siempre en
derivación entre los puntos del circuito cuya diferencia de
potencial se quiere medir.
En lugar de manejar directamente la energía potencial Ep de
una partícula cargada, es útil introducir el concepto más
general de energía potencial por unidad de carga. Esta
magnitud se denomina potencial; el potencial en cualquier
punto de un campo electrostático se define como la energía
potencial por unidad de carga en dicho punto.
El potencial se representa por la letra v. Tanto la energía
potencial como la carga son escalares, de modo que el
potencial es una magnitud escalar.
La diferencia Va-Vb se denomina diferencia de potencial a y
b, y se designa abreviadamente por Vab. El término
"diferencia de potencial" se sustituye a veces por el de
"voltaje" entre a y b. La diferencia entre b y a, Vb-Va es
opuesta a la que existe entre a y b: Vab=Va-Vb = -(Vb-Va)=Vba
El trabajo
puede ser positivo, negativo o nulo. En
estos casos el potencial eléctrico en B será respectivamente
mayor, menor o igual que el potencial eléctrico en A. La
unidad en el SI para la diferencia de potencial que se deduce
de la ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa
mediante una nueva unidad, el voltio, esto es: 1 voltio = 1
Joule/Coulomb.
Aplicando esta definición a la teoría de circuitos y desde un
punto de vista más intuitivo, se puede decir que el potencial
eléctrico en un punto de un circuito representa la energía que
posee cada unidad de carga al paso por dicho punto. Así, si
dicha unidad de carga recorre un circuito constituyéndose en
corriente eléctrica, ésta irá perdiendo su energía (potencial o
voltaje) a medida que atraviesa los diferentes componentes del
mismo. Obviamente, la energía perdida por cada unidad de
carga se manifestará como trabajo realizado en dicho circuito
(calentamiento en una resistencia, luz en una lámpara,
movimiento en un motor, etc.). Por el contrario, esta energía
perdida se recupera al paso por fuentes generadoras de tensión.
Es conveniente distinguir entre potencial eléctrico en un punto
(energía por unidad de carga situada en ese punto) y corriente
eléctrica (número de cargas que atraviesan dicho punto por
segundo).
EL VOLTAJE
Para que haya un flujo de corriente a través de un circuito es
necesario aplicar una fuerza capaz de mover los electrones
libres que se encuentren en él, llamada voltaje y es proporcionada por una fuente la cual, posee una diferencia de
potencial entre sus terminales debido a la acumulación de
cargas eléctricas.
LA FUENTE DE VOLTAJE
Suministra la fuerza necesaria para impulsar una corriente de
electrones a través de los circuitos. Dicha fuerza recibe el
nombre de voltaje.
Son los dispositivos con los que se mantienen en forma
continua los voltajes y corrientes dentro de un circuito.
También mantienen una diferencia de voltaje entre sus
terminales, estos se conocen como fuentes de energía como
por ejemplo: Pilas, baterías, dinamos, celdas solares., los
adaptadores, generadores de AC.
FUENTES DE CORRIENTE: mantienen un flujo determinado
de corriente hacia el circuito que tengan conectado, no son
muy conocidas y se construyen en base a circuitos
electrónicos.
RESISTENCIA ELÉCTRICA.
La resistencia eléctrica, es una propiedad de un objeto o
sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una
corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico
determina (según la llamada ley de Ohm) cuánta corriente
fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado.
La unidad de resistencia es el ohmio(), que es la resistencia
de un conductor si es recorrido por una corriente de un
amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. En
algunos cálculos es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega
omega (). En una resistencia siempre la corriente va del
punto de alto voltaje (+) al punto de menor voltaje (-), esto
significa que la resistencia es siempre un elemento pasivo. Si
cambia la polaridad del voltaje entonces cambia el sentido de
la corriente.
Las resistencias pueden ser para uso electrónico o industrial.
¿CON QUÉ SE MIDEN?
En la práctica las resistencias son medidas con un instrumento
llamado óhmetro, el cual debe ser conectado con la resistencia
que se quiere medir sin importar la polaridad.
Nunca debemos medir la resistencia en un circuito por el cual
está circulando corriente.
CIRCUITOS ELÉCTRICOS Y SUS COMPONENTES.
Es una combinación de componentes conectados entre si de
manera que proporcionen una o más trayectorias cerradas que
permitan la circulación de la corriente y el aprovechamiento
de ésta para la realización de un trabajo útil.
También podemos decir que es
un trayecto continuo
compuesto por conductores y dispositivos, que incluye una
fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por
el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito
cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se
denominan abiertos. Un cortocircuito es un circuito en el que
se efectúa una conexión directa, sin resistencia, entre los
terminales de la fuente de fuerza electromotriz.
El flujo de una corriente en un circuito está determinado por
tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la
diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se
denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La
segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide
en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos
6.250.000.000.000.000.000 (6,25x10 18) electrones por
segundo por una sección determinada del circuito. La tercera
magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las
sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta
oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia
limita el paso de la corriente. La unidad empleada para
cuantificarla es el ohmio(), y corresponde a la corriente de 1
amperio en un circuito con una fem de 1 voltio.
Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden
observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable
aumenta y un imán o brújula colocada cerca del cable se
desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al
circular la corriente, los electrones que la componen
colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que
aparece en forma de calor.
Todo circuito, por sencillo que parezca, posee tres
características importantes:
Una fuente de voltaje, puede ser una pila, una batería o el
tomacorriente de su casa la cual suministra la fuerza necesaria
para impulsar los electrones libres a través del circuito.
Una carga o receptor de energia, que es el artefacto que
aprovecha el paso de la corriente eléctrica a través de él para
cumplir un determinado trabajo, convirtiendo la energía
eléctrica en otras formas de energía. Puede ser una lámpara, un
motor, un parlante, o cualquier otro aparato que funcione por
medio de la corriente eléctrica.
Los conductores eléctricos, sirven para completar el circuito
entre la fuente de voltaje y la carga, proporcionando un
camino para la circulación de la corriente.
Pueden existir otros componentes como interruptores y otros
dispositivos para controlar el paso de la corriente, además de
dispositivos de protección que protegen la carga contra niveles
de voltaje o corrientes anormales.
LEY DE OHM.
La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias
leyes definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley
de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico
alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm, “la cantidad de
corriente que fluye por un circuito formado por resistencias
puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz
aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la
resistencia total del circuito”. Esta ley suele expresarse
mediante la fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de
corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R
la resistencia en ohmios.
POTENCIA ELÉCTRICA.
Al circular la corriente eléctrica, los electrones que la
componen colisionan con los átomos del conductor y ceden
energía, que aparece en la forma de calor. La cantidad de
energía desprendida en un circuito se mide en julios. La
potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1
julio por segundo. La potencia "P" consumida por un circuito
determinado puede calcularse a partir de la expresión:
P=V.I =V2 /R=I2.R
Donde:
V: diferencia de potencial o voltaje aplicado a la resistencia,
Voltios
I: corriente que atraviesa la resistencia, Amperios
R: resistencia, Ohmios
P: potencia eléctrica, Watios
Para cuantificar el calor generado por una resistencia eléctrica
al ser atravesada por una corriente eléctrica, se usa el siguiente
factor de conversión:
1 Watt = 0,2389 calorías / segundo
CIRCUITOS EN PARALELO.
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por
ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una
batería, están dispuestos de manera que todos los polos,
electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único
conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada
unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela.
El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la
mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada
caso, el valor de las resistencias en paralelo es menor que el
valor de la más pequeña de cada una de las resistencias
implicadas. Si las resistencias están en paralelo, el valor total
de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula:
CIRCUITOS EN SERIE.
Donde:
Re: resistencia equivalente de la disposición, ohmios
Ri: resistencia individual i, ohmios
Un circuito en serie es aquel en que los dispositivos o
elementos del circuito están dispuestos de tal manera que la
totalidad de la corriente pasa a través de cada elemento sin
división ni derivación. Cuando en un circuito hay dos o más
resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando
los valores de dichas resistencias y se puede calcular mediante
la ecuación:
Re=R1+R2+R3+…Rn
Donde:
Re: resistencia equivalente de la disposición, ohmios
Ri: resistencia individual i, ohmios
La evaluación de la tensión que pasa por cualquier resistor o
cualquier combinación de resistores en un circuito en serie se
puede reducir a un solo elemento utilizando la regla del divisor
de tensión.
La figura nos muestra un circuito en serie donde la corriente I
atraviesa todos los resistores sin sufrir derivación alguna
a. Resistencia total: Rt = R1 + R2 + R3 +…RN
b. Corriente: I = V/RT
c. Tensión a través del resistor RX (donde x puede ser
cualquier número de 1 a N resistencias): Vx = I.Rx
d. La tensión a través de dos o más resistencias en serie que
tienen una resistencia total es igual a:
R’T: V’T = I.RT