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.