corriente electrica 2010

CORRIENTE ELÉCTRICA - CIRCUITOS ELÉCTRICOS 2010

En el plástico, el vidrio, la loza, la porcelana, el caucho, la madera, etc. la electricidad se manifiesta solamente en el área frotada porque estos materiales no permiten que las cargas se desplacen a través de ellos. Por tal razón reciben el nombre de AISLADORES.- Por el contrario, otros cuerpos tales como los metales (hierro, cobre, aluminio, etc.), el agua salada, el cuerpo humano, etc. permiten que la electricidad circule con facilidad, oponiendo solo escasa resistencia. Esta resistencia, denominada Resistencia específica es una constante física que puede medirse para cada sustancia.-Estos cuerpos, que dejan pasar la electricidad con facilidad, oponiendo sólo una débil resistencia, se denominan CONDUCTORES .La Resistencia específica de los conductores es muchísimo menor que la de los aisladores.-Cuando las cargas están en movimiento dentro del conductor, se dice que hay una CORRIENTE ELÉCTRICA y al camino que recorre se lo denomina Circuito eléctrico

Unidades de medidas y leyes de un circuito eléctrico:La diferencia de potencial eléctrico entre el polo positivo y el negativo se mide en “volt” y se abrevia “V “La intensidad de corriente que circula por el circuito se mide en “ampere” , que se abrevia “A”La resistencia eléctrica se mide en “ohm” y se abrevia (se lee omega)En todo circuito eléctrico se verifica la LEY DE OHM, que dice:

Diferencia de potencial E (volt) = Resistencia del circuito (ohm) . Intensidad de corriente (ampere)

Que se lee así: La diferencia de potencial, medida en volt (V) , entre dos puntos de un circuito eléctrico, es igual al producto de la resistencia , medida en ohm (, por la intensidad de corriente , medida en ampere (A)

LA CORRIENTE ELÉCTRICAGENERADORES ELÉCTRICOS.-

En todas las experiencias de electricidad estática descriptas hasta ahora, la cantidad de electricidad puesta en juego es muy limitada y se obtiene por frotamiento de trozos de resina (plástico) o vidrio con paños de lana y seda respectivamente.-La cantidad de electricidad obtenida de esta forma es muy pequeña y debemos volver a frotar cada vez que se los cuerpos se descargan.- Hay, sin embargo, otras formas más eficientes de producir electricidad.-El primer generador “continuo y estable” de electricidad fue creado por Alejandro Volta (Italiano - 1745-1827) alrededor del año 1800 y consistió en la pila, que veremos en detalle a continuación.-.-

E X P E R I M E N T O

Objetivo: Construcción de una Pila de Volta y análisis de su funcionamiento.-Útiles necesarios: 1 vaso de precipitado 1 foquito de linterna de 1 volt2 trozos de cable de cobre 1 varilla de vidrio1 placa de cobre 10 cm3 de ácido sulfúrico1 placa de cinc 100 cm3 de agua destilada1 portalámpara 1 trozo de alambre de cobre

Ensamblando las partes de acuerdo al diagrama . Vertemos 100 cm3 de agua destilada en el vaso y le agregamos 10 cm3 de ácido sulfúrico- Cerramos el circuito haciendo que la lámpara haga contacto y observamos que se enciende ¿Qué es lo que ha ocurrido? ¿Cómo funciona la pila de volta?- Para comprender el funcionamiento de la pila eléctrica haremos un símil hidráulico con dos frascos de vidrio con un conducto comunicante que se puede cerrar o abrir, a voluntad, mediante una válvula.- Si vertemos agua en uno de los frascos, manteniendo la válvula abierta. Podemos ver que el nivel de agua crece en ambos frascos y se mantiene igual.-

Iepm – Física 5to Año. Pág.: 1/6

Si cerramos la válvula y vertemos agua en uno de los frascos, vemos que éste aumenta su nivel sin que varíe el del otro frasco. Hemos acumulando de esta forma una cantidad de energía hidráulica potencial.-Una vez conseguido el desnivel, abrimos la válvula. Podemos constatar que se produce una corriente de agua en el conducto comunicante, que continuará hasta que los niveles en ambos frascos se igualen, es decir hasta que se haya consumido la energía potencial acumulada.-En la pila de Volta ocurre algo similar. Al sumergir las placas de cinc y cobre en la solución de ácido sulfúrico en agua, ambas placas adquieren un potencial eléctrico originado en procesos químicos que se desencadenan al poner en contacto los metales con el agua acidulada.-

La placa de cobre adquiere un potencial mayor y se denomina placa positiva, en tanto que el cinc alcanza un potencial menor y se denomina placa negativa.- La energía eléctrica se desplaza por el circuito externo desde el potencial mayor (+)al potencial menor (-), es decir que va, por fuera de la pila, desde la placa de cobre hacia la placa de cinc. (Dentro de la pila la corriente va del polo negativo al positivo, es decir del cinc al cobre). Si mantenemos el circuito conectado podremos observar que la lámpara seguirá encendida por horas ya que los procesos químicos de este tipo de pila permanecen durante un tiempo, generando corriente eléctrica constantemente porque la diferencia de potencial entre las placas se mantiene.-El fin de la vida útil de la pila ocurre cuando se degradan los componentes, (chapas metálicas y solución ácida) y cesa la actividad química. Desaparece entonces la diferencia de potencial y deja de circular electricidad por el circuito.-

PILAS SECASAcabamos de conocer los detalles de la pila de Volta, cuya construcción es muy sencilla pero su utilización no resulta práctico ya que el frasco de agua acidulada es difícil de manejar.-Mucho más conocidas y populares son las llamadas pilas secas , que están construidas de la siguiente forma:a) Una varilla central de carbón que constituye el polo positivo (reemplaza a la placa de cobre) .-b) Una mezcla de polvo de carbón y bióxido de manganeso (Mg O2) rodea la varilla de carbón.-c) Una pasta gelatinosa de cloruro de amonio (Cl N H4) hace las veces de la solución de agua y ácido.-d) Un recipiente de chapa de cinc que actúa como polo negativo.-e) Una envoltura protectora de cartón o hojalata.-

El principio de funcionamiento es similar al de la pila de Volta, es decir que, el cloruro de amonio, al ponerse en contacto con la varilla de carbón y con el recipiente de cinc, crea una diferencia de potencial de aprox. 1,5 volt, que genera una corriente eléctrica por el circuito externo.-Este tipo de pila tiene la enorme ventaja que puede manipularse sin inconvenientes y con gran seguridad.-

CARGAS ELÉCTRICAS EN MOVIMIENTO - CIRCUITO ELÉCTRICO

El aprovechamiento utilitario de la electricidad se basa esencialmente en la circulación de las cargas eléctricas, a través de un conductor , que constituye el elemento básico de un circuito eléctrico.-Ya hemos dicho que las cargas circulan por el circuito externo, del polo positivo al polo negativo, en tanto que dentro de la pila, las cargas van del polo negativo al positivo.-Todo conductor eléctrico ofrece siempre alguna resistencia al paso de la electricidad, motivada por el roce y el choque de las cargas con los átomos cable. Este fenómeno se denomina “resistencia eléctrica” y depende, para cada sustancia, de la “Resistencia específica”, que es una “Constante física” para cada sustancia.- La resistencia se pone en evidencia por el aumento de temperatura que se verifica en el conductor.-En algunos casos, el calor generado por el paso de la corriente por la resistencia llega a ser tan intenso que el metal se pone al “rojo blanco” y emite luz, como ocurre en las lámparas eléctricas.-

Hay dos tipos de corriente eléctrica: 1) Corriente continua: los polos positivo y negativo permanecen invariables y la electricidad viaja, por el circuito externo del polo positivo al negativo. Este tipo de corriente es la que emiten las pilas y baterías. Los voltajes que se manejan usualmente son 1,5 - 6 - 9 y 12 voltios que no resultan peligrosos para el cuerpo humano.-


2) Corriente alterna: los polos positivo y negativo cambian de signo permanentemente y en consecuencia, la corriente eléctrica cambia de sentido de circulación cada vez que cambian los polos.- En nuestro país la electricidad que recibimos en nuestros domicilios cambia de polaridad 50 veces por segundo, (50 Hertz) y llega a nuestras casas con una tensión de 220 voltios, por lo que debe manejarse con mucha cautela ya que, una descarga de este voltaje, además de quemaduras que produce en el lugar de contacto con la piel, puede producir adicionalmente fenómenos de electrólisis en el cuerpo, cuyos efectos resultan extremadamente graves.-

Los circuitos eléctricos no deben tener cortes o interrupciones que impidan el paso de las cargas. Sin embargo, se siempre colocan ex profeso dispositivos llamados “llaves”, que permiten interrumpir y reponer a voluntad el paso de la corriente. En un circuito “abierto” no circula electricidad. En un circuito “cerrado” circula corriente y se producen todos los fenómenos físicos y químicos que genera el paso de la electricidad.-Una lámpara eléctrica no es otra cosa que un circuito con un fino alambre llamado “filamento” que ofrece una gran resistencia al paso de la corriente. Al pasar la electricidad por esta resistencia, se produce un gran aumento de temperatura del filamento, que se pone de color rojo-blanc y emite gran cantidad de luz y calor.-

CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Los circuitos eléctricos constan, por lo menos de las partes que se describen y cumplen las leyes que a continuación se detallan:a) La fuente de energía (E):, que establece una diferencia de potencial entre un polo llamado “Polo vivo” o “Polo positivo” y el otro, que se designa como “Polo negativo”.- La electricidad circula por el circuito exterior del polo positivo al polo negativo Si en un circuito hay varias fuentes de energía (E1, E2, ....,En) , La E total(V) se obtiene sumando la E que tienen el mismo sentido y restando las que van en sentido contrario.- Etotal (V) = E(V)+ - E(V) - b) El conductor eléctrico: hecho de un material que permite el fácil desplazamiento de los electrones (cobre, acero, etc.) .Constituye el circuito exterior, que une el polo positivo con el polo negativo y que es recorrido por la corriente eléctrica (I).-

c) Las Resistencias eléctricas (R): Constituidas por materiales que se oponen al paso de los electrones, lo que originan energía calórica en una cantidad que es proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente que la recorre.-d) La Ley de Ohm: establece que la diferencia de potencial (E), la resistencia (R) y la intensidad de corriente (I) , están relacionados por la siguiente expresión matemática:

E(volt) = R(ohm) . I (ampere) de esta expresión se deduce que: E(volt) E(volt) R(ohm) = ------------ I(ampere) = -------------- I(ampere) R(ohm)

Ejercicios: a) Si una resistencia R = 20 es recorrida por una corriente eléctrica I = 5 A , calcular el potencial E (V) que equilibra el circuito: E(V) = 20 x 5 A Respuesta: E(V) = 100 V

b)Un circuito, cuya resistencia total R = 220 está conectado a la red de corriente alterna


(E=220 V), calcular la intensidad de corriente I(A): E(V) I(A) = ------------- R() 220 V I(A) = -------------- = 1 A 220 () Respuesta: I = 1 A

c) Un circuito eléctrico que incluye una fuerza electromotriz E = 90 V, es recorrido por una intensidad de corriente I = 0,01 A . Calcular la resistencia R() 90 V R()= --------- = 9000 0,01 A Respuesta: R = 9000

e) Asociación de resistencias en un circuito: (serie y paralelo) Hay dos formas en las que pueden estar asociadas dos o más resistencias eléctricas: - Resistencias en serie : Se dice que dos o más resistencias (R1, R2, .....,Rn) están conectadas en serie cuando el extremo final de una está conectado el extremo inicial de la siguiente. Por tal razón, todas las resistencias son recorridas por la misma intensidad de corriente.- La resistencia total resultante en este caso (Rt) es igual a la suma de todas las resistencias conectadas en serie: Rt (serie) = R1 + R2 + R3 + ..............+ Rn

Ejemplo: Un circuito eléctrico con una fuerza electromotriz E = 100 V , tiene conectadas 4 resistencias conectadas en serie: R1 = 2 ; R2 = 98 ; R3 = 40 y R4 = 60 Calcular la intensidad de corriente I(A) Rt(serie) = R1 + R2 + R3 + R4 = 2 + 98 + 40 + 60 = 200 100 V I(A) = ----------- = 0,5 A 200 Respuesta: I = 0,5 A -Resistencias en paralelo: Dos o más resistencias (R1, R2, R3 , .........., Rn) están conectadas en paralelo cuando los extremos iniciales de todas están unidos en un punto, al igual que los extremos finales de todas ellas .- En este caso la resistencia equivalente (Re) es tal que la inversa de Re(paralelo) es igual a la suma de las inversas de las resistencias componentes: 1 1 1 1 1 ---------- = ------- + -------- + ------- + ......... + ------- Re1,2,..n R1 R2 R3 Rn

Ejercicio: Un circuito está formado por 2 resistencias conectadas en paralelo: R1 = 20 y R2 = 80 .Calcular la intensidad I(A) si se lo conecta a una fuerza electromotriz E = 10 V.- 1 1 1 ------------- = -------- + --------- Re1,2 R1 R2 1 1 1 4 + 1 5


---------- = -------- + -------- = -------------- = ------- Re1,2 20 80 80 80 80 --------- = 16 = Re(par) 5 10 V I(A) = --------- = 0,625 A 16 Respuesta: I = 0,625 A

f) CAÍDA DE POTENCIAL ELÉCTRICO: Toda resistencia (o asociación de resistencias) de un circuito eléctrico origina una caída de potencial (diferencia de potencial d.d.p.) que es igual al producto de la resistencia multiplicado por la intensidad de corriente. Esto se denomina LEY DE LAS MALLAS, que se expresa así: LEY DE LAS MALLAS:La suma de las caídas de potencial (d.d.p.) medida en volt de todas las resistencias debe ser igual a la fuerza electromotriz E(V) En símbolos: R() . I(A) - E(V) = 0 Ejercicio: Un circuito eléctrico que está conectado a una fuerza electromotriz E = 220 V, tiene 2 resistencias en serie R1 = 120 y R2 = 100 . Calcular la caída de potencial que genera cada resistencia y verificar que se cumple la Ley de las mallas , es decir : d.d.p.(V) = S R() . I(A) = E(V) 1º) Cálculo de Rt Rt(serie) = (R1 + R2) = 120 + 100 = 220 2º) Cálculo de I(A) 220 V I(A) = ----------- = 1 A 220 º) Cálculo de las d.d.p. de cada resistencia -d.d.p. en R1 = R1 () . I(A) = 120 x 1(A) = 120 V -d.d.p. en R2 = R2 ( . I(A) + = 100 () x 1 A = 100 V ----------- d.d.p. = 220 V = E(V) Respuesta: Se verifica que la de d.d.d.p. = 220 V coincide con E(V)

g)LEY DE KIRCHHOFF: (Ley de los nudos):En todo circuito eléctrico. la suma de las intensidades (I1+I2+I3+....+In) que concurren a un nudo , es igual a la suma de las intensidades (I4+I5+I6+....+I7) que salen de ese nudo.-Si asignamos signo positivo a las intensidades que llegan al nudo y signo negtivo a las intensidades que salen, podemos escribir la expresión matemática de esta Ley

In(+) + Ij(-) = 0

que se lee así:En cualquier nudo de un circuito eléctrico, la sumatoria de las intensidades que llegan es igual a la sumatoria de las intensidades que salen .-


EJERCICIO COMBINADO DE APLICACIÓN DE LA LEY DE MALLAS Y LA LEY DE KIRCHHOFF

En el circuito eléctrico de la figura los valores de los distintos elementos son:

R1 = 100 E=32 VRR3= 60 R4= 240R5= 18 Se pide calcular las intensidades de corriente: I (A) en cada rama.-


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