Potencia eléctrica y el efecto joule

La potencia eléctrica se define como la rapidez con la que un aparato que emplea energía eléctrica realiza un trabajo; de igual manera se interpreta como la energía que consume una maquina o cualquier aparato eléctrico en un segundo. La potencia eléctrica se mide en watts (W) en el SI, que resulta de multiplicar la unidad de voltaje volt (V), por la unidad de intensidad de corriente que es el ampere (A). Matemáticamente se expresa:

De igual forma, con base a la ley de Ohm, la potencia eléctrica la podemos calcular con las siguientes expresiones:

Ello nos indica que podemos calcular la potencia eléctrica si conocemos la intensidad de corriente y la resistencia, o si tenemos los valores del voltaje y la resistencia.

Los valores de la potencia eléctrica de los aparatos eléctricos que utilizas vienen etiquetados en todos ellos, para que puedas realizar comparaciones sobre el consumo de energía que realizan y puedas tomar la decisión que más se ajuste a tus necesidades y requerimientos, al momento de compararlos. La energía eléctrica que consumimos en nuestras casas lo mide la CFE en kilowatt-hora (kWh), la cual luego es multiplicada por el costo de una unidad de ella, la cual es aproximadamente de 0.623 pesos por los primeros 300 kWh consumidos al bimestre.

Problema

1.    

¿Cuál es la potencia eléctrica que desarrolla una parrilla eléctrica conectada a u tomacorriente de 110 V, si circula una corriente por ella de 7 A? de igual manera encuentra la energía consumida en kWh si la utilizamos en 35 minutos.

Encuentra la cantidad en pesos que te ahorras al bimestre en tu casa, al sustituir un foco incandescente de 75 W por un foco ahorrador de 22 W, el cual provee la misma iluminación que el primero. Considera que en promedio se enciende por un lapso de 270 minutos al día y que el costo de 1 kWh es de 0.623 pesos.

Efecto joule y ley de joule

Los aparatos eléctricos generan calor al entrar en funcionamiento, debido a la circulación de la corriente eléctrica a través de él. La energía cinética de los electrones, al circular se transforma en calor  y eleva la temperatura del conductor, a si se origina el efecto joule.

La ley de joule afirma que: el calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente.

Matemáticamente se expresa:

Ejemplos de la aplicación de esta ley son la plancha, la parrilla eléctrica, los secadores de pelo y las resistencias que se utilizan en los refrigeradores sin escarcha para derretir el hielo acumulado durante su funcionamiento en el evaporador.

Problema

La plancha que utilizan en tu casa para quitar las arrugas de tu uniforme escolar, tiene una potencia de 1200 W. Calcula la cantidad de calor que produce al entrar en 

funcionamiento durante 75 minutos, si está conectada a un voltaje de 120 V

Circuitos eléctricos

El circuito eléctrico es  un sistema por el cual fluye la corriente a través de un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial o voltaje. En cualquier circuito eléctrico identificamos tres elementos: voltaje, intensidad de corriente y resistencia. Se dice que un circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema, y abierto cuando no circula por él. Si deseamos cerrar o abrir un circuito, utilizamos un interruptor.

Como ejemplo consideramos el foco de tu cuarto, cuando esta encendido el circuito está cerrado y cuando se apaga el circuito está abierto, el interruptor viene siendo el apagador, la resistencia el foco.

Ejemplos de circuitos eléctricos 

Para que una corriente eléctrica circule por un circuito es necesario que se disponga de 3 factores.

1.    

Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) Como por ejemplo una batería, un generador o cualquier otro dispositivo capaz de bombear o de poner en movimiento las cargas eléctricas negativas cuando se cierre el circuito.

2.    

Un camino que permita a los electrones fluir interrumpidamente desde el polo negativo de la fuente de energía hasta el polo positivo de la propia fuente. En la práctica este camino lo constituye el conductor o cable metálico generalmente el cobre.

3.    

Una carga o un consumidor conectado al circuito que ofrezca resistencia al paso de la corriente eléctrica por ejemplo, una bombilla o una lámpara, una motor, la resistencia de un secador de pelo, un televisor o cualquier otro equipo que funcione con corriente eléctrica.

Cuando las cargas eléctricas circulan normalmente por un circuito sin encontrar en su camino nada que interrumpa el paso de los electrones decimos que estamos ante un circuito eléctrico cerrado.

Si en la circulación de la corriente se interpone por cualquier motivo y la carga conectada deja de recibir corriente entonces hablamos de un circuito eléctrico abierto normalmente en casa podemos abrir y cerrar ese circuito a voluntad utilizando un interruptor que se instala en el camino de la corriente eléctrica.

Los circuitos eléctrico pueden estar conectados en serie, en paralelo y mixtos que son la combinación de los dos primeros.

Los circuitos eléctricos en serie tienen las siguientes características: los elementos se conectan uno después del otro, si la corriente tiene una misma trayectoria; el circuito se interrumpe si se abre en cualquier punto, esto se aprovecha para proteger y controlar sistemas eléctricos; los fusibles y centros de carga se conectan en serie. En este tipo de circuitos existe la misma cantidad de corriente en todos los elementos del circuito, el voltaje se distribuye entre todos sus elementos, la suma de la caída de voltaje de cada elemento es igual al voltaje aplicado (ley de Kirchhoff).

A continuación te presentamos un circuito en serie con sus elementos simbolizados.

Circuito eléctrico con tres resistencias conectadas en serie.

Al conectar en un circuito dos o más resistencias en serie, podemos calcular la resistencia equivalente de la combinación de ellas, utilizando la siguiente expresión matemática:

El voltaje del circuito se calcula con la suma de las caídas de voltaje que hay en cada resistencia, como la corriente es igual en cada una de ellas, calculamos cada voltaje con la ley de ohm, así tenemos que:

V_T = V₁ + V₂  + V₃ +… + V_n

Como V = IR tenemos:

V_T = IR₁ + IR₂  + IR₃ +… + IR_n

Los circuitos eléctricos en paralelo o también llamados circuitos de conexiones en derivación, presentan las siguientes características: los elementos se conectan entre dos alambres conductores que conducen hacia la fuente de voltaje; la corriente se divide entre los elementos conectados al circuito; el voltaje permanece con la misma cantidad en todos los elementos del circuito; si el valor de la resistencia es pequeño, la intensidad de la corriente será grande.

A los alambres conductores y elementos del circuito se les llama ramales, mientras más ramales hay en el circuito más trayectorias habrá para la corriente, por lo que disminuye la resistencia total. Gracias a esto se presenta la siguiente propiedad: La resistencia total de un circuito siempre tendrá menor valor que la del ramal con la resistencia de menor valor.

Un ejemplo en donde podemos encontrar la utilización de este tipo de circuito es en el la instalación eléctrica de nuestras casas, ya que gracias a sus características podemos conectar los aparatos eléctricos a los enchufes para que funciones correctamente, al tener el mismo voltaje cada enchufe. Te presentamos un ejemplo de un diagrama de circuito en paralelo.

Circuito eléctrico con tres resistencias conectadas en paralelo

Para calcular la resistencia total del circuito utilizamos la siguiente expresión matemática:

Como la intensidad de la corriente se divide en cada resistencia. Para calcular la intensidad de la corriente en cada una de ellas, nos ayudamos de la ley de ohm, con este podemos encontrar la intensidad de la corriente en todo el circuito, con la siguiente formula:

Problema

Encuentra la resistencia total y la intensidad de corriente del circuito eléctrico de la figura anterior

Los circuitos mixtos son aquellos en los que se conectan las resistencias agrupadas tanto en serie como en paralelo. La forma de resolver este tipo de circuitos en calcular las resistencias equivalentes parte por parte de cada conexión, ya sé que se encuentre en serie o en paralelo, con esto simplificamos el circuito hasta encontrar la resistencia equivalente de todo el sistema eléctrico. Por lo general se empieza a resolver en la parte contraria a la entrada de voltaje al circuito eléctrico. Te presentamos un ejemplo resuelto a continuación para que observes como se resuelve.

Problema

En el siguiente circuito de conexiones mixtas de resistencias, calcula la resistencia total o equivalente del circuito la intensidad de la corriente total que circula por el mismo.

Ley de ohm

Esta ley es de gran importancia cuando se elaboran circuitos eléctricos. Seguramente habrás notado que toda la corriente que circula en tu casa es controlada por un switch o centro de carga que contiene dos o tres implementos que de seguro conoces, sobre todo cuando deja de haber corriente en tu casa: los fusibles. Estos implementos se basan en esta ley para poder controlar las altas y bajas de la diferencia de potencial o voltaje y así poder proteger tus aparatos eléctricos por una sobre carga o corto circuito, ya que de presentarse estas situaciones, el alambre o lamina que está dentro de los fusibles, se rompe para que deje de circular corriente a tu casa. Esta es una aplicación de la ley de ohm por medio de la resistencia.

Los fusibles son ejemplos de la aplicación de la ley de ohm para poder proteger los aparatos eléctricos que utilizamos, de las sobrecargas de voltaje.

El físico y profesor alemán George Simón ohm, al realizar sus experimentos, utilizo instrumentos de medición muy confiables y, por lo tanto, pudo observar que a al aumentar la diferencia de potencial en un circuito, mayor es la intensidad de la corriente eléctrica; también observo que al incrementar la resistencia del conductor disminuye la intensidad de la corriente eléctrica. Gracia a estos resultados, en 1827 enuncio la siguiente ley: “La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicando a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”.

Matemáticamente se expresa:

Problemas

1.    

Encuentra la intensidad de la corriente de un aparato eléctrico con una resistencia de 25 Ω y estar conectado a un tomacorriente de tu casa, la cual tiene una línea de 115 V.

2.    

Las series de focos de navidad para protegerse utilizan fusibles que vienen en un compartimiento de la clavija. Calcula la resistencia de una serie de foquitos por la cual circula una corriente de 3 A y se conecta a una línea de 125 V

Resistencia eléctrica

Existen materiales que son buenos conductores de la electricidad y otros que no los son, debido a que estos obstruyen más el flujo de electrones que los primeros, por lo que los electrones encuentran cierta resistencia al circular por el material. A continuación te presentamos un esquema de los factores que influyen en la resistencia de los conductores.

La unidad de la resistencia en el SI es el Ohm (Ω). Si deseamos conocer la resistencia de un alambre conductor a una determinada temperatura (0^o C), utilizamos la siguiente formula:

Para calcular la resistencia de un conductor a cierta temperatura t, si conocemos su resistencia a una temperatura de 0^o C utilizamos la siguiente expresión:

Problema

1.    

Determina la resistencia eléctrica de una línea conductora fabricada con alambres e aluminio, la cual será tendida a lo largo de 12 km, cuya sección transversal tiene un área de 3.14 cm². Hay que considerar que la temperatura promedio del poblado en invierno es de 0^o C y se desea conocer la resistencia en ese periodo.

2.    

Con el resultado del problema anterior, encuentra la resistencia del mismo conductor si se instala en un lugar cuya temperatura la mayor parte del día es de 45^o C a la intemperie.

Electrodinamica

 La electrodinámica es la parte de la electricidad que estudia las cargas eléctricas en movimiento.

Comenzaremos definiendo la corriente eléctrica como el movimiento de las cargas negativas a través de un conductor, originada por el movimiento o flujo electrónico a través de un conductor, debido a la existencia de una diferencia de potencial que permite que los electrones circulen de una terminal negativa a una positiva. El flujo de electrones se presenta en los metales, los líquidos llamados electrolitos y en los gases.

Existen dos tipos de corriente eléctrica:

La continua (CC): que obtenemos de pilas, baterías y utilizamos en relojes, lámpara de mano, dispositivos de audio como mp3, teléfonos celulares o el control del televisor.

Corriente alterna (CA): es la que utilizamos en nuestros aparatos electrodomésticos y se obtiene a partir de plantas generadoras de corriente eléctrica.

La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo. Expresado matemáticamente tenemos:

La intensidad de la corriente eléctrica tiene por unidad en el SI al Ampere (A) y se utiliza mucho en la práctica unidades muy pequeñas de ella, como el miliampere (mA) = 1 x10^-3 A y el microampere (µA) = 1 x10^-6 A.

El amperímetro es un instrumento que nos permite medir la intensidad de la corriente eléctrica; es de gran ayuda, ya que la electricidad no se puede ver, solamente se puede detectar y cuantificar por los efectos que produce.

Problema

Por el cable del cargador de tu celular circula una carga de 8 milicoulombs en 0.04 s. encuentra la intensidad de la corriente eléctrica que circula a través del cable conductor.

Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico

Las cargas eléctricas poseen diferentes tipos de carga, esto permite que al interactuar entre ellas se presenten las siguientes situaciones: las cargas de diferente signo se atraen y las cargas de igual signo se repelen, lo cual sucede aun cuando se encuentran separadas, significando que las cargas siempre se encuentran rodeadas por un campo eléctrico que influye sobre la región situada alrededor de las cargas. Este campo eléctrico no se puede ver, pero la fuerza que ejerce sobre los objetos cargados permite detectar su presencia y medir su intensidad.

El campo eléctrico de las cargas se puede representar gráficamente mediante líneas de fuerza. A continuación te presentamos en las siguientes figuras, ejemplos de esta representación.

Para calcular la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva llamada carga de prueba. Esta es colocada en un punto de la región a investigar si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico se dice que en ese punto existe un capo eléctrico, cuya intensidad es igual al cociente entre la fuerza y el valor de dicha carga de prueba. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Ahora bien, si deseamos calcular el campo eléctrico a una determinada distancia del centro de una carga eléctrica utilizamos la siguiente expresión matemática:

Cuando tenemos varias cargas alrededor de un punto y se desea conocer la intensidad del campo eléctrico en dicho punto, la resultante será la suma vectorial de cada uno de los campos eléctricos producidos individualmente por cada una de las cargas, como se puede observar en la siguiente figura

Problema

1)    Una carga de prueba de 4mC recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 3 x 10^-4. Encuentra la intensidad del campo eléctrico en el punto donde se encuentra colocada la carga.

2)    Al estar parado a una distancia de 20 cm frente al televisor de tu habitación y recordar lo visto en tu clase de fisca, planeas aplicar los visto en clase al encontrar el campo eléctrico que este genera, sabiendo que tiene una carga eléctrica de 3.4 nC. 

Ley de coulomb

En el año de 1785, charles coulomb estableció, gracias a su experimentos sobre cargas eléctricas, la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas, la cual afirma lo siguiente “la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q₁ y q₂ es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que la separa”. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Cabe mencionar que la expresión de esta ley solo es válida cuando las cargas se encuentran en el vacío. Si las cargas se encuentran en un medio o sustancia aislante, la fuerza sufre una disminución, la cual variara de acuerdo al medio de que se trate.

La relación que existe entre la fuerza eléctrica de dos cargas situadas en el vacío y en otro medio o sustancia aislante, se conoce como permitividad relativa o coeficiente y eléctrico del medio o sustancia. Matemáticamente se representa como:

Problema

Al realizar un experimento en el laboratorio de física sobre cargas eléctricas dos esferas metálicas conductoras idénticas están situadas con sus centros alejados a 0.30 m como se muestra en la siguiente figura. A una de ellas se le dio una carga de 12 x 10^-9 C y a la otra una carga de -18 x 10^-9 C. encuentra la fuerza electrostática que ejerce una esfera sobre la otra

Electrostática

La electrostatica es la rama de la electricidad encargada de estudiar las cargas electrostáticas en reposo. Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos por materia, la cual a su vez esta confomada por pequeñas partículas que no son visibles a simple vista, llamadas atomos. Los atomos tiene electrones que contienen carga eléctrica negativa, protones que poseen carga eléctrica positiva y por electrones que no tienen carga eléctrica.

Asi como podemos afirmar que la carga eléctrica es una propiedad que poseen los electrones y los protones. Para representar las cargas positivas ultilizamos el signo positivo (+) y para las cargas negativas el signo menos (-).

La carga eléctrica se puede transmitir de una particula a otra o de un cuerpo a otro; a este proceso le llamamos “electrizar un cuerpo” y consiste en que las partículas o cuerpos ganan o pierden electrones al interactuar entre ellos mismos. Existen tres formas de electrizar un cuerpo que las presentamos a continuación.

La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas en el sistema internacional (SI) se llama coulomb (C) y se define como las cantidad de electrones que posee en exceso un cuerpo con respecto a lo que posee a su estado neutro. La equivalencia de electrones es la siguiente:

1C = 6.25 x 10¹⁸ electrones

De acuerdo con este podemos proporcionar las cargas eléctricas del electrón y el protón en Coulombs. El proton (+e) tiene una carga de 1.6 x 10^-19 y el electron (-e) tiene una carga -1.6 x 10^-19.

Exiten materiales en nuestro entorno que al estar formados por atomos contienen protones y electrones, a pesar de esta característica común entre ellas, no presentan la misma propiedad de poder conducir la electricidad.asi podemos clasificarlo de la siguiente forma

Clasificación de los materiales
Materiales conductores	Materiales aislantes o dieléctrico	Materiales semiconductores
Son los que se pueden electrizar en toda su superficie, al estar libres los electrones para moverse en todo el material.	Son los materiales que se electrizan en los puntos donde son tocados por un cuerpo cargado o en la parte donde son frotados y se debe a que en ellos la movilidad de los electrones es nula.	Son materiales que presentan las propiedades intermedias de los conductores y los aislantes y se utilizan en la fabricación de implementos de electrónica.

Leyes de la Electricidad Electricidad

La electricidad es una propiedad física manifestada a través de la atracción o del rechazo que ejercen entre sí las distintas partes de la materia

Funcionamiento del electroimán.

Se aplica una corriente, con una batería o cualquier otra fuente de electricidad, y se hace fluir por el cable. Esto crea el campo magnético alrededor del cable bobinado, magnetizando el metal como si fuera un imán permanente. Los imanes pueden activar y desactivar las propiedades del imán.

Historia de la electricidad

Desde la aparición del hombre, este se ha preocupado por tratar de entender los fenómenos de la naturaleza y, en algunos casos, reproducirlos.

El estudio de la electricidad comenzó tras observar que diferentes objetos ligeros eran atraídos al acercar un trozo de material fósil llamado ámbar. La gente se pregunta qué clase de “magia” o “poder sobrenatural” era lo que hacía que ocurriera ese fenómeno

Se puede considerar que los griegos fueron los primeros en experimentar resultados con la electricidad. Tales de Mileto, matemático griego, fue el primero en afirmar lo que pasaba con este material al frotarlo con la piel de un animal.

Al transcurrir el tiempo, surgieron diferentes personajes que dedicaron su vida a estudiar y desarrollar los conceptos y propiedades de la electricidad. Entre ellos podemos mencionar a benjamín Franklin, quien es considerado el padre de la electricidad por muchos autores, al inventar el pararrayos. Existen muchos otros personajes que hicieron sus aportaciones a la electricidad y, con ello, contribuciones a la sociedad moderna.

En la actualidad somos testigos de los avances que se han desarrollado en materia de electricidad y electrónica, por ejemplo: el teléfono celular, las  cámaras digitales, las consolas de videojuego, la televisión y muchos más que han utilizado los avances para fabricarlos más pequeños, fáciles de utilizar incluso integrar más funciones.