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miércoles, 20 de junio de 2012

Instrumentos eléctricos de medición

El voltaje y la corriente eléctrica pueden ser medidos con instrumentos denominados voltímetros y amperímetros, respectivamente. Se pueden encontrar tanto digitales como análogos, en los cuales el dispositivo principal de su funcionamiento es el galvanómetro.

Galvanómetro
El amperímetro es un dispositivo para medir la corriente eléctrica y debe conectarse en el circuito de manera tal que la corriente pase directamente a través de él, es decir, en serie.
Amperímetro


Por su parte el voltímetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B  en un circuito y debe conectarse como un amperímetro.
Voltímetro


Un amperímetro ideal debe tener una resistencia muy pequeña debido a que se conecta en serie con el circuito y es necesario que no afecte el valor de la medición.


Potencia eléctrica y el efecto Joule

La diferencia de potencial entre dos puntos es igual a

Sabemos que se estableció que la potencia es la relación existente entre el trabajo efectuado por una unidad de tiempo, es decir,
Debido a que la corriente eléctrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de tiempo, podemos expresar la potencia eléctrica en relación a la diferencia de potencial y la corriente, por lo tanto:
Ahora, al aplicar la Ley de Ohm a la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:


  
 La potencia eléctrica se mide en watts, considerando que la energía eléctrica es el producto de la potencia por el tiempo, Comisión Federal de Electricidad (CFE) calcula el costo de esa energía a partir de la potencia en kilowatts y el tiempo en horas, es decir, en kilowatthoras (kWh), el cual equivale a 3.6 x 10 a la 6 J de energía.

EJEMPLOS:
Ejemplo n° 1

Una plancha tiene resistencia interna de 24 Ohms y se encuentra conectada a una toma de corriente de 120 V. Determina la potencia que consume la plancha.

Aplicando la ecuación tenemos:

Ejemplo n° 2

Determina la corriente que utiliza un aparato eléctrico que funciona con 4.5 V. y consume un potencia de 0.11 Watts.

Para determinar la corriente, podemos despejarla de la ecuación, por lo tanto:

Circuitos eléctricos resistivos en serie, paralelo y mixto



Los circuitos eléctricos son representaciones gráficas de elementos conectados entre sí para formas una trayectoria por la cual circula una corriente eléctrica, en la que la fuente de energía y el dispositivo consumidor de energía están conectados por medio de cables conductores, a través de los cuales circula la carga.
Los circuitos eléctricos se utilizan muchos tipos de fuentes de energía eléctrica (fuente de poder), de las cuales la más común es la batería o pila ( mostrada en la imagen de arriba). En una batería ocurre una reacción química que proporciona la energía necesaria para separar las cargas eléctricas en las terminales positiva y negativa. Si un conductor se conecta a las terminales de una batería, pasará una corriente a través de él.

Se abordan los circuitos eléctricos resistivos conectados en serie, paralelo y la combinación de ambos, a la que llamaremos circuito mixto. La representación gráfica de la resistencia representadas en los circuitos (mostrada en la imagen de arriba llamada resistencia)


CIRCUITO EN SERIE:
La corriente eléctrica en un circuito eléctrico en serie es la misma en todos sus elementos. Por otra parte, el voltaje total del circuito, es decir, el que proporciona la fuente de poder, será igual a la sumatoria de todos los voltajes individuales de los elementos que componen el circuito. De manera similar, la resistencia equivale en un circuito eléctrico en serie es la sumatoria de los valores de cada una de las resistencia que lo integran.


CIRCUITO EN PARALELO
El voltaje en un circuito eléctrico en paralelo es el mismo en todos sus elementos. La corriente eléctrica total del circuito será igual a la sumatoria de todas las corriente individuales de los elementos que lo componen. La resistencia equivale en un circuito eléctrico en paralelo es igual al inverso de la suma algebraica de los inversos de las resistencias que lo integran, y su valor siempre será menor que cualquiera de las resistencias existentes en el circuito.


cuando únicamente existen dos resistencias, se puede emplear la siguiente fórmula para calcular la resistencia equivalente:


Resistencia eléctrica y Ley de Ohm


Todos sabemos que la corriente eléctrica no fluye de la misma manera a través de todos los materiales; algunos ofrecen cierta resistencia, la resistencia de un material depende de su resistividad, su longitud y su área de sección transversal:
La resistividad es una propiedad de los materiales, la cual determina la facilidad que representan para permitir el flujo de la corriente eléctrica. La resistencia de un material se mida en Ohms en honor al físico alemán Georg Simón Ohm (1789-1584)



Los valores de resistencia en los conductores, como los metales, con muy pequeños; sin embargo, en los materiales como el hule, la porcelana o el teflón, son grandes.
La resistencia, por lo tanto, no sólo depende de la resistividad del material, sino de su forma.

Corriente eléctrica


Se le denomina corriente eléctrica a todo campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre los electrones libres de un conductor, provocando que éstos se muevan, y se define como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección transversal de un conductor por unidad de tiempo:  
 
En el sistema internacional, la corriente eléctrica se mide en Coulomb/segundo, unidad que se denomina Ampare (A), en honor del físico francés André-Marie Ampare (1775-1836). Cuando la corriente eléctrica pasa a través del conductor se producen algunos efectos, por ejemplo: La temperatura del conductor aumenta y se genera un campo magnético alrededor de él.

Se podría decir que la corriente eléctrica se comporta como un fluido, en el sentido de que, si consideramos el conductor una tubería, la corriente que fluiría a través de ésta sería el agua.
Sabrás que el gesto volumétrico se refiere a la cantidad de líquido que pasa por una tubería cada segundo osea que si por cualquier sección de la tubería circula un litro de agua en un segundo, la misma cantidad de agua pasará por cualquier otro punto. Lo mismo sucede con la corriente eléctrica: la intensidad de corriente en cualquier parte de un conductor es la misma.

EJEMPLOS:
Ejemplo n°1
Un desfibrilador es un aparato que se utilizara durante un paro cardiaco para inducir una corriente eléctrica al corazón y normalizar su pulso. Este aparato aplica una corriente de 18 A durante 2 milisegundos al torso de una persona. Determina la cantidad de carga que fluye en este periodo.

Para este problema aplicaremos la siguiente ecuación para determinar la cantidad de carga

así que tenemos:

Ejemplo n°2
Atravez de un rayo que toca el piso en una milésima de segundo fluye una carga de 35 Coulomb. Determina la cantidad de corriente eléctrica.

Sustituyendo valores en la ecuación ya antes mostrada tenemos:

martes, 19 de junio de 2012

Datos acerca de la electricidad


Tales de Mileto

1.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA ELECTRICIDAD 

Se dice que fue el filósofo griego Tales de Mileto el primero en estudiar los fenómenos eléctricos. La historia cuenta que aproxima en el año 600 a.C. Tales observó que al frotar una barra de ámbar con un trozo de lana o cuero, aquélla era capaz de atraer pequeños objetos, como hojas o paja. De la misma manera, los griegos observaron que ciertas piedras que contenian magnetica eran capaces de atraerse entre sí  y a pequeños objetos de hierro.Sin embargo, no fue sino hasta el siglo XVII cuando William Gilbert estableció la diferencia entre materiales conductores y aislantes, a partir de la atracción que tenían con los imanes.
En el siglo XVIII se establecen las bases de la electroestática: Watson introduce el concepto de corriente eléctrica; Benjamin Franklin inventó el pararrayos y expresión matematica que relaciona la fuerza que existe entre dos cargas eléctricas en función de la distancia que las separa, a lo que actualmente se le conoce como Ley de Coulomb; Luigi Galvani estudió los efectos de la electricidad en los músculos de las ranas, lo que permitió sentar las bases del estudio del funcionamiento del sistema neurológico; Volta inventó la pila eléctrica. Todos estos estudios fueron la base de lo que posteriormente se convertiría en el electromagnetismo

2.-CARGA ELÉCTRICA E INTERACCIÓN ENTRE CARGAS

La carga eléctrica, al igual que la masa, constituyen una propiedad fundamental de la materia. Se manifiesta a travéz de fuerzas denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos. Existen dos tipos de carga electrica: positiva (+) y negativa (-), Su unidad de medida en el sistema internacional es el Coulomb (C).
Los cuerpos están formados por moléculas y éstas a su vez átamos. Un átomo contiene un núcleo con carga positiva, alrededor del cual giranelectrones. Los electrones son partículas mucho más ligeras que los protones y tienen carga negativa. El numero de electrones en un átomo es igual al de los protones de su núcleo, por lo tanto un átomo es el´´ectricamente neutro. La magnitud de la carga de un protón es igual a la de un electrón, cuyo valor es de 1.6 x 10 a la -19 C.La carga electrica se puede tranferir de un cuerpo a otro. Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades quitándole o entregándole electrones, se dice que ha sido cargado eléctricamente.




Existen dos formas de cargar eléctricamente un cuerpo: por contacto y por inducción.

La carga por contacto: se produce cuando al frotar un cuerpo cargado negativamente con otro neutro, algunos electrones se ceden de un cuerpo al otro quedando éste cargado negativamente, el nuemro de electrones cedidos es igul al numero de  de electrones aceptados debido a que la carga aléctrica siempre se concerva.


La carga por inducción: sucede de una manera simila, pero sin que haya contacto entre los cuerpos. Debido a los efectos de la fuerza eléctric, un cuerpo cargado negativamnete en las proximidades de uno neutro atraerá hacia sí a las cargas positivas



3.-MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES

La corriente eléctrica puede fluir a travéz de un cuerpo, sin embargo, todos los materiales tienen capacidade para permitir este flujo de corriente (conductividad).
Un material conductor permite el flujo de corriente a través de él, por lo general, los materiales que son bueno conductores de calor lo son de electricidad; en este sentido, los metales como el cobre, oro, plata, el aluminio, etc.
Los materiales que cuentan con poca conductividad se les denomina aislantes por ejemplo: el corcho, el plastico, la baquelita, la madera, etc.


MADERA
 
PLASTICO

CORCHO

Campo Eléctrico

En el caso de la carga eléctrica es posible describir su influencia sobre otras definiendo el campo eléctrico como la fuerza eléctrica por unidad de carga (positiva). El campo eléctrico (E) que existe en un punto es la fuerza electroestática experimentada por una carga eléctrica colocada en ese punto y dividida entre la misma:
En esta ecuación se observa que la intencidad del campo eléctrico es igual a la fuerza que recibe la unidad de carga. En el sistema internacional, la unidad de campo eléctrico es el newton por Coulomb (N/C). El campo eléctrico es un vector cuya dirección y sentido son los de a fuerza que se aplica.
Al considerar el campo eléctrico que existe sobre una carga puntual, aplicando la ley de Coulomb y sustituyendo el valor de la fuerza, tenemos que:

Por lo tanto el valor del campo eléctrico sobre una carga puntual será:
EJEMPLOS:
Ejemplo n° 1

Una pequeña pelota tiene una masa de 0.012 kg y una carga eléctrica de -18 uc. Determina la magnitud campo eléctrico necesario para hacer que la pelota flota.

Considerando que la fuerza que se le aplica a la pelota la podemos determinar a partir de la segunda Ley de Newton (F= ma), donde la aceleración es el valor de la gravedad, tenemos que:


Ejemplo n° 2

Dos pequeñas esferas cubiertas de oro se encuentran separadas 12 cm. Si las esferas éstan cargadas con -3.5 uc y +2 uc, respectivamente, determina el valor del campo magnético que existe en medio de ellas.

Considerando que la separación ente ellas es la misma, es decir, r1 = r2, el cálculo debe realizarse en la parte media de la separación, por lo tanto:



El campo puede representarse por las llamadas líneas de campo eléctrico, o líneas de fuerza, las cuales fueron propuestas originalmente por el físico inglés Michel Faraday (1791-1867). Estas líneas proporcionan información sobre la dirección e intencidad del campo eléctrico.
En la siguiente imagen se muestra una carga puntual negativa; observa que las lineas están dirigidas hacia dentro, lo que significa, que la fuerza es de atracción.
En general, como menciona Cutnell, "Las lineas de campo eléctrico siempre están dirigidas hacia afuera de las cargas positivas y hacia adentro de las negativas"

Las lineas de campo eléctrico no siempre son rectas. Por ejemplo, mencionaremos en los que existen dos cargas eléctricamente diferentes, y otros son eléctricamente iguales.
en la siguiente figura, existen  dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos opuestos, y las líneas de fuerza son curvas. Observa que las lineas de campo eléctrico empiezan con una carga positiva y terminan con una carga negativa. A este arreglo de cargas se le conoce como dipolo eléctrico.




En caso contrario, como se muestra a continuación, muestra que para dos cargas puntales separadas que tienen la misma magnitud y signos (positiva), observa que las líneas de campo eléctrico también son curvas; sin embargo, el campo eléctrico en la región más cercana a ambas cargas es relativamente débil.