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FISICA 2 MODULO 2

CONTENIDO 1. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD

Conductores y aisladores. Semiconductores. Carga eléctrica, Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Fenómenos electrostáticos. Máquinas electrostáticas. Corriente eléctrica. Poten-cial eléctrico. Diferencia de potencial eléctrico. Trabajo eléctrico y potencia. Unidades. Elementos de circuitos y su comportamiento. Corriente, tensión y resistencia eléctricas, ley de Ohm, circuitos en serie y paralelo. Leyes de Kirchhoff. Unidades. Resistencia y tempe-ratura. Efecto Joule. Corto-circuito y sobrecarga eléctrica.

2. ELECTROMAGNETISMO

Propiedades magnéticas de la materia, leyes del magnetismo. Campo magnético como magnitud vectorial. Unidades. Fenómenos electromagnéticos. Inducción electromagnética. Relaciones con la intensidad de corriente. Llaves de corte automático: llave termomagné-tica y disyuntor diferencial. Fuerza electromotriz inducida. Unidades. Fuerza y campo. Principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas: motores y generadores. Genera-ción de una corriente alterna sinusoidal

Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 2. Electricidad Guía 3. Electrostática

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Electricidad

¿Qué es la Electricidad?

La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas

eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la in-

ducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. La electricidad es una forma de energía tan versátil

que tiene un sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación y computación.

La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:

Carga eléctrica: es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se mani-

fiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas.

Corriente eléctrica: un flujo o desplazamiento de partículas cargadas eléctricamente por un material

conductor; se mide en amperios (A).

Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica incluso

cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra carga, menor cuanto

mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además las cargas en movimiento producen cam-

pos magnéticos.

Potencial eléctrico: es la capacidad que tiene un campo eléctrico de realizar trabajo; se mide en vol-

tios (V).

Magnetismo: La corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos variables

en el tiempo generan corriente eléctrica.

Los fenómenos de electricidad se pueden clasificar en dos tipos principalmente: electricidad estática y

corriente eléctrica. La electricidad estática consiste básicamente en el comportamiento de las cargas eléctri-

cas cuando están descansando (la diferencia neta de sus cargas). Al movimiento de electrones en materiales

conductores en una dirección específica se le conoce como “corriente eléctrica.”

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se

atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aun-

que fue Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos,

después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción; por eso los denominó

positivo y negativo.

Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas

formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833, y que

le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción

de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell. Posteriormente, los trabajos de Joseph John

Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer

la naturaleza discreta de la carga.

Teoría atómica

Todos los cuerpos del Universo están for-

mados por materia, ya sean estos sólidos, líquidos

o gaseosos. Por ejemplo, una barra de acero, un

trozo de madera, un litro de agua, el aire que respi-

ramos, etc. El átomo es la porción más pequeña en

que se puede dividir la materia conservando sus

propiedades como elemento químico. A su vez, los

átomos están compuestos por ciertas partículas

subatómicas (electrones, protones y neutrones). La

parte central del átomo se denomina “núcleo atómico” y las partículas que se encuentran en esta zona se lla-

man “nucleones”. Los nucleones fundamentales son el portón (carga positiva) y el neutrón (carga neutra). La

región que rodea al núcleo atómico se denomina “nube electrónica” o “envoltura electrónica” y contiene de

manera exclusiva a los electrones (carga negativa).


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El átomo más simple que existe es el átomo de hidrógeno (H), el cual está compuesto por un protón y

un electrón. Existen otros elementos cuyos átomos contienen más partículas. Por ejemplo, el átomo de oxí-

geno (O) tiene ocho protones, ocho neutrones y ocho electrones.

Átomo de hidrógeno y átomo de oxígeno

Cargas positivas y negativas

Los átomos usualmente presentan igual cantidad de protones y electrones, en este caso decimos que se

trata de un átomo eléctricamente neutro. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias un átomo puede ganar o

peder uno o más electrones. Cuando un átomo gana uno o más electrones (exceso de electrones) queda car-

gado negativamente y cuando un átomo pierde uno o más electrones (exceso de protones) queda con carga

eléctrica positiva.

Por tanto existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas eléctricas del mismo

signo se repelen y las cargas eléctricas de signo contrario se atraen.

Medición de la carga eléctrica

Cuando un cuerpo está electrizado posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso de

electrones (carga negativa). Por ese motivo, el valor de la carga de un cuerpo, representada por Q, se puede

medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. Pero esta forma de expresar el valor de la

carga no resulta práctica, pues se sabe que en un proceso común de electrización el cuerpo pierde o gana un

número muy elevado de electrones. De este modo, los valores de Q estarían expresados por números suma-

mente grandes.

En la práctica se procura utilizar una unidad de carga más adecuada. En el Sistema Internacional de

unidades (SI), la unidad de carga eléctrica es el Coulomb (símbolo C). Cuando decimos que un cuerpo posee

una carga de 1 C, ello significa que perdió o ganó 6,25x1018

electrones (seis trillones doscientos cincuenta

mil billones de electrones).

Generalmente se suele trabajar con cargas eléctricas mucho menores que 1 C. En este caso, es costum-

bre expresar los valores de las cargas de los cuerpos electrizados mediante submúltiplos, en milicoulombs (1

mC = 10–3

C) o bien en microcoulombs (1 μC = 10–6

C). La unidad de carga más pequeña conocida en la

naturaleza es la carga del electrón, su valor es 1,60x10–19

C.

Conductores y aislantes

Cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos, como los metales por ejemplo, los elec-

trones de las órbitas más alejadas del núcleo no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren

libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres. Por tanto, en

materiales que poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos,

y por lo tanto, decimos que estas sustancias son “conductores eléctricos”. Por otro lado, existen situaciones

de conducción no metálica (por ejemplo en algunos baños químicos) en las que las cargas son conducidas a

través de un líquido en solución (electrolito).

Al contrario de los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firme-

mente unidos a sus respectivos átomos; es decir, estas sustancias no poseen electrones libres. Por tanto, no

será posible el desplazamiento de carga eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan “ais-

lantes eléctricos” o “dieléctricos”. La porcelana, el caucho (hule), la mica, el plástico, la madera, el vidrio,

etc., son ejemplos típicos de sustancias aislantes.


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Diferencias entre electricidad estática y dinámica

La electricidad estática contiene electrones estáticos o en reposo y se da cuando los electrones se

acumulan en un punto determinado de un material. Cuando un cuerpo adquiere una carga, ya sea positiva en

el caso que pierde electrones o negativa en el caso que los gane, afecta a los demás cuerpos que se encuen-

tran alrededor atrayéndolos o repeliéndolos; este efecto dependerá de la carga del cuerpo: cargas iguales se

repelen y cargas diferentes se atraen. Si un cuerpo está cargado (tiene exceso de electrones), debe volver a su

estado de equilibrio, y esto lo logra descargándose, es decir, pasa el exceso de electrones a otro cuerpo, a

través del desprendimiento de energía, en forma mecánica o por chispas.

El término dinámico significa „movimiento‟; cuando hablamos de electricidad dinámica, nos referi-

mos a los electrones en movimiento. Para que la electricidad sea realmente útil, debe encontrarse en movi-

miento, y la fuente que genere este tipo de electricidad debe tener sus cargas eléctricas en constante renova-

ción. De esta forma, la electricidad será realmente útil y podremos aplicarla en diferentes ámbitos, por ejem-

plo, encender una lámpara, un televisor, un celular, etcétera.

Electrostática

A todos nos ha pasado que, en ocasiones, cuando tocamos a una persona o algún objeto, este nos pro-

duce chispas, es decir se descarga; esto sucede porque esa persona u objeto estaban cargados estáticamente.

El proceso por el cual un cuerpo adquiere carga se llama electrización.

Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, pro-

ducido por un cuerpo eléctricamente neutro. Se puede producir por uno o más de los siguientes métodos:

Por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de

protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Por contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. Ambos que-

dan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero

debe quedar con carga positiva.

Por inducción: Se puede cargar un cuerpo neutro acercando otro cargado sin llegar a tocarlo. Las cargas del

mismo signo son rechazadas al otro extremo del objeto y las de signo diferente se acercan al objeto cargado.

El peine cargado electrostáticamente con defecto de elec-

trones después de habernos peinado con el mismo atrae a los pa-

pelitos restableciéndose, de esa forma, el equilibrio electrónico de

los átomos que lo componen (los papeles le ceden a éste los elec-

trones que perdieron al pasárnoslo por el pelo).

Las máquinas fotocopiadoras e impresoras láser hacen uso

de la carga eléctrica estática. Su principio de funcionamiento se basa en que un rayo de luz ilumina la imagen

o texto por medio de un proceso de escaneo y la transfieren a un tambor fotosensible como carga estática. El

polvo de impresión o toner, que posee características magnéticas, al pasar al tambor se adhiere a las partes

sensibilizadas por el rayo de luz. A continuación cuando el papel pasa por el tambor fotosensible, el polvo

del toner se desprende y se adhiere a su superficie, transfiriendo así todo el contenido del tambor. Para que el

polvo del toner no se desprenda del papel antes de salir de la fotocopiadora o impresora, se hace pasar por un

rodillo caliente que se encarga de fijarlo.


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En electrónica, la electricidad estática puede causar daños a

los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas

para descargar la electricidad estática que pudieran haber adquiri-

do. Esto puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas

de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela

o alfombras, o por frotamiento de su vestimenta contra una silla de

plástico. Las tensiones generadas así serán más altas en los días

con baja humedad relativa ambiente. Hoy las alfombras y las sillas

se hacen con materiales que generen poca electricidad por frota-

miento. En los talleres de reparación o en fábricas de artefactos

electrónicos se tiene el cuidado de evitar la generación o de des-

cargar estas cargas electrostáticas. Se piensa que la explosión en

2003 de un cohete en el Centro de Lanzamiento de Alcántara en

Brasil, que mató a 21 personas, se debió a chispas originadas por

electricidad estática.

Como ya lo dijimos, cuando cargamos un material lo que en realidad estamos haciendo es pasar elec-

trones libres de un átomo a otro, y la forma más sencilla de realizarlo es por frotamiento. Algunas veces la

acumulación de cargas resulta peligrosa, por ejemplo, en los camiones que transportan gas, porque el movi-

miento del camión hace que el aire roce en él, es decir, el aire le pasa electrones al camión por medio de fric-

ción y lo carga electrostáticamente por lo que cualquier chispa podría provocar una explosión. Por esa razón,

estos vehículos llevan arrastrando un dispositivo en la parte inferior, así el exceso de electrones se descarga a

tierra. En algunos países, a este dispositivo se lo conoce como colita rutera y consiste en una tira de goma

con un alambre de acero en su interior que asoma por ambos extremos.

No necesariamente debe existir contacto directo entre dos materiales para que estos se descarguen;

muchas veces, cuando un cuerpo se encuentra muy cargado, los electrones saltan de un material a otro pro-

duciendo un arco eléctrico entre ellos. Un ejemplo son las nubes que, al frotarse con las moléculas de aire,

adquieren carga eléctrica. Cuando una nube se encuentra completamente ionizada o cargada negativamente,

se establece un canal o conducto natural que es capaz de atraer iones cargados negativamente desde la nube

hasta la tierra y, por lo tanto, buscarán una salida para este exceso de electrones, entonces, se produce lo que

conocemos como rayos. Los rayos transportan gran energía y pueden llegar a ser muy peligrosos si no se les

proporciona una ruta más corta a tierra, por ello se hace uso de los pararrayos que son muy efectivos para dar

esta salida.


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Ley de Coulomb

Ley de Coulomb describe la relación entre fuerza, carga y distancia. La ley de Coulomb es válida úni-

camente para objetos cargados cuyas dimensiones sean pequeñas comparadas con la distancia que las separa.

Esto se expresa diciendo que dicha ley es válida para cargas puntuales, es decir, cargas eléctricas que se su-

ponen concentradas en un punto.

Consideremos dos cuerpos electrizados con cargas Q1 y Q2 (en Coulomb), separados una distancia L

(en metros) y situadas en el vacío, tal como se muestra en la figura.

Las dimensiones de dichos cuerpos deben ser muy pequeñas (cargas

puntuales). La ley de Coulomb establece que estas cargas se atraen o repelen

mediante una fuerza eléctrica F, la cual es disminuye proporcionalmente al

cuadrado de la distancia que separa las cargas y aumenta proporcionalmente

al producto del valor de la carga eléctrica de los objetos cargados (Q1 y Q2). Matemáticamente la ley de

Coulomb está dada por:

F = k0 Q1 · Q2

L2

Donde k0 es la constante electrostática del vacío que en el sistema internacional de medidas su valor es

9.0x109 N m

2/C

2.

Si se toma en cuenta el medio material que se encuen-

tra entre las cargas (por ejemplo agua, aire, aceite, etc.), se

observa que el valor de la fuerza de interacción entre ellas se

modifica según la capacidad de conducir la electricidad que

tenga dicho material. Cuanto mayor sea este valor, mayor

será el efecto aislante del material y menor la fuerza de

atracción entre las cargas. Este factor de reducción se deno-

mina “constante dieléctrica del medio”, y se representa por

la letra K. Luego la fuerza de interacción entre las cargas es:

F = k0 Q1 Q2

K L2

Observar que la fuerza entre dos cargas prácticamente no se altera cuando pasan del vacío al aire.

Aplicaciones en los calzados de seguridad

Teniendo en cuenta estas consideraciones, los zapatos de seguridad se fabrican según tres normas.

Calzado Conductor: El calzado conductivo, sin embargo, está hecho de materiales que permiten el

flujo de la electricidad con una resistencia relativamente menor. La resistencia se mide en unidades

de ohms (Ω). El calzado conductivo tendrá una resistencia de 0 a 500.000 Ω, lo que significa que los

zapatos conducen la electricidad inmediatamente de la persona que los utiliza al piso, asumiendo que

el piso también es conductivo. De esta manera se evita que el calzado acumule cargas electrostáticas

que podrían descargarse en una chispa. La chispa de una persona tiene suficiente energía como para

incendiar muchos solventes comunes y explosivos. Por esta razón, los trabajadores que utilizan estos

materiales regularmente utilizan zapatos consultivos. Estos zapatos drenan rápidamente cualquier

carga eléctrica que los trabajadores pudieran acumular en sus cuerpos, reduciendo el peligro de una

ignición accidental de los materiales peligrosos.

Calzado Antiestático: Los zapatos de disipación estática están construidos muy parecidos a los za-

patos consecutivos. Los materiales con los que están hechos permiten que la carga eléctrica "drene"

que los utiliza sobre una superficie del piso conductiva. La diferencia con estos zapatos es que tienen

un mayor nivel de resistencia al flujo eléctrico (entre 1 millón y 100 millones de Ω). Este factor sig-

nifica que la carga se moverá más lentamente desde la persona. Este proceso es una característica de

seguridad vital cuando hay posibilidad de que los trabajadores estén trabajando cerca de alto voltaje,

Material Dieléctrico K

Vacío 1,0

Aire 1,00054

Teflón 2,1

Polietileno 2,25

Benceno 2,28

PET 3,1

SiO2 3,9

Papel 4 - 6

Al2O3 5,9

TiO3 100

PMN [Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3] 10000


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donde podría ser peligroso que el calzado permitiera que la corriente pasara rápidamente a través de

una persona.

Los zapatos de disipación estática se utilizan principalmente en la industria que tienen que proteger

los artículos que fabrican de las chispas provocadas por los humanos. La chispa dada por una perso-

na puede dañar los electrónicos sofisticados, como las computadoras. El calzado de disipación estáti-

ca permite a los trabajadores liberar lentamente cualquier carga de sus cuerpos para que no dañe los

artículos que están manejando. Al mismo tiempo, estos zapatos tienen suficiente resistencia como

para reducir el peligro de electrocutarse para alguien que accidentalmente toque un cable en vivo.

Calzado eléctricamente aislante: protege frente al paso de una corriente eléctrica por el cuerpo hu-

mano (para tensiones inferiores a 1000 V). Este tipo de botas de seguridad tiene el principal objetivo

de proteger al trabajador ante el riesgo de descargas eléctricas. Entre sus puntos fuertes destaca su

gran resistencia óhmica. Debemos tener presente el hecho de que, ante un accidente eléctrico, lo que

daña el cuerpo no es la tensión sino la intensidad de corriente que a través de él.

Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 2. Electricidad Guía 4. Electrodinámica

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Electricidad

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica consiste en el flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. En el caso de

los conductores metálicos (por ejemplo un alambre de cobre), la corriente eléctrica está constituida

por un flujo de electrones. En los conductores líquidos (por ejemplo una solución de cloruro de so-

dio o sal común en agua) la corriente eléctrica está constituida por el movimiento de iones positivos

(cationes) e iones negativos (aniones). En el caso de los gases (por ejemplo en las lámparas de va-

por de mercurio) la corriente está constituida por el movimiento de cationes, de aniones, y también

de electrones libres.

En un alambre la corriente eléctrica es un flujo de electrones, y en un electrolito la corriente eléctri-

ca corresponde a un flujo de cationes y aniones. La intensidad de la corriente eléctrica (representada

por la letra I) en el SIU se denomina ampere (símbolo A) y se define como:

1 A =1 C / s

Es decir, si en un conductor circula una corriente de 1 A, ello significa que por dicho conductor está

circulando una carga de 1 C en cada segundo. Generalmente se utilizan submúltiplos del ampere,

tales como el miliampere (1 mA = 10–3

A) y el microampere (1 μA = 10–6

A).

Tipos de corriente

Hay dos tipos de corriente eléctrica: corriente directa o continua (CD ó CC) y corriente alterna

(CA). La corriente directa es aquella que fluye en una sola dirección (unidireccional o de sentido

constante). Este tipo de corriente es proporcionada, por ejemplo, por las pilas (que se emplean en

las linternas, radios, etc.) o bien por las baterías o acumuladores del automóvil.

La corriente alterna es aquella que cambia periódicamente de dirección, desplazándose unas veces

en una dirección y otras en dirección contraria. Este tipo de corriente es que la suministran las em-

presas de electricidad en casi todas las ciudades del mundo y es utilizada en nuestros hogares (elec-

trodomésticos, equipos de sonido, televisión, computadoras, etc.) y en la industria. Una corriente

alterna puede transformarse en corriente continua por medio de dispositivos especiales, denomina-

dos “rectificadores”, obteniéndose una corriente rectificada.

Fuerza electromotriz o Tensión

La fuerza que impulsa a la corriente a lo largo de un conductor es denominada fuerza electromotriz

(FEM), su unidad en el SIU es el volt (v) y normalmente se usa el término “voltaje” en lugar de

FEM. Se suele representar por las letras E o V. Sin embargo, es sumamente útil tener en mente la

expresión “fuerza electromotriz”, ya que ésta fortalece la idea de una fuerza que empuja o jala las

cargas alrededor del circuito para hacer que fluya corriente. Esta fuerza eléctrica o voltaje, siempre

aparece entre dos puntos, y se dice que es la “diferencia de potencial” entre dichos puntos.

El voltaje suele expresarse mediante múltiplos, tales como el kilovolt (1 kV = 103 V) y el megavolt

(1 MV = 106 V), y también mediante submúltiplos como el milivolt (1 mV = 10

–3 V) y el microvolt

(1 μV = 10–6

V).


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Resistencia

La resistencia (R) representa la oposición al flujo de cargas a través de un conductor. Tanto mayor

sea el valor de R mayor será la oposición que ofrece el conductor al paso de la corriente a través de

él. En el SIU, la unidad de medida para la resistencia se denomina ohm y se representa por la letra

griega . En la industria se utilizan los siguientes submúltiplos: el miliohm (1 m = 10–3

), el

microhm (1 μ = 10–6

), y los múltiplos: kilohm (1 K = 103 ) y el magaohm (1 M = 10

6

).

Resistividad de un material

La experiencia nos muestra que si consideramos un conductor como el mostrado en la figura, el

valor de su resistencia dependerá de su longitud y del área de su sección transversal.

Al realizar mediciones cuidadosas se observa que la resistencia de un material es directamente pro-

porcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal, es decir:

R = · L / A

Donde se denomina “resistividad eléctrica” del material. Su unidad en el SIU es m. La resisti-

vidad es una propiedad característica del material que constituye el conductor, es decir, cada sustan-

cia posee un valor diferente de resistividad. La tabla siguiente presenta valores de resistividad eléc-

trica de algunas sustancias, a una temperatura de 20 º C. Si se tienen varios alambres de la misma

longitud y del mismo grosor, pero hechos de diferente material, el de menor resistividad será el de

menor resistencia. Es decir, que cuanto menor sea la resistividad de un material, tanto menor será la

oposición que este material ofrezca al paso de la corriente a través de él.

Material Resistividad ( m)

Plata 1.59 × 10–8

Cobre 1.70 × 10–8

Oro 2.44 × 10–8

Aluminio 2.82 × 10–8

Tungsteno 5.60 × 10–8

Hierro 10 × 10–8

Platino 11 × 10–8

Plomo 22 × 10–8

Mercurio 94 × 10–8

Níquel – cromo 1.50 × 10–6

Carbón 3.50 × 10–5

Germanio 0.46

Silicio 640

Vidrio 1010

– 1014

Caucho duro ≈1013

Azufre 1015

Cuarzo fundido 75 × 1016


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Ley de Ohm

La relación entre el voltaje aplicado (V), la corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico

está dada por la ley de Ohm, la que establece que para un valor fijo (constante) de resistencia, la

corriente es directamente proporcional al voltaje, es decir:

R = V / I

Por tanto, si el voltaje se duplica, también se duplica la corriente, si se triplica el voltaje se triplica

la corriente, si el voltaje se reduce a la mitad la corriente también se reducirá a la mitad, etc.

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica, representada por la letra P, es la tasa (velocidad) de producción o consumo de

energía, como la potencia de un generador o la potencia disipada en una lámpara. La energía en el

SIU se expresa en joules (J) y la potencia se mide en watts (W) o con frecuencia en kilowatts (kW),

donde:

1 W = 1 J / s 1 kW = 1000 W

El consumo de energía eléctrica por lo general se suele medir en kilowatts–hora (kWh), el cual se

define como el consumo de un artefacto de 1000 W de potencia durante una hora. Sin embargo, es

práctica común en la industria utilizar otras unidades para expresar la potencia eléctrica, como son

los caballos fuerza (hp) y la Unidad Térmica Británica (BTU). Las equivalencias de estas unidades

con el watt son:

1 hp = 746 W 1 W = 3.41 BTU/h

Ley de Watt

La ley de Watt, establece que la potencia en un aparato eléctrico se puede determinar mediante cualquiera de las siguientes expresiones equivalentes

P = V · I P = I2 · R P = V

2 / R

Es decir, si se conoce el voltaje aplicado y la intensidad de corriente que circula por el circuito, se

puede calcular la potencia desarrollada en el equipo.

El efecto Joule

La resistencia es la componente que transforma la energía eléctrica en energía calorífica, por ejem-

plo en un horno eléctrico, una tostadora, un hervidor de agua, una plancha, etc. El efecto Joule pue-

de predecir la cantidad de calor que es capaz de entregar (disipar) una resistencia.

El efecto Joule establece que la cantidad de energía calorífica (Qc) producida por una corriente

eléctrica depende directamente del cuadrado de la intensidad de corriente (I), del tiempo (t) que esta

circula por el conductor y de la resistencia (R) que opone el mismo al paso de la corriente. La canti-

dad de calor se puede determinar mediante cualquiera de las siguientes expresiones equivalentes:

Qc = V · I· t Qc = I2 · R· t Qc = V

2 · t / R


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Aplicaciones del efecto Joule

Todos los dispositivos eléctricos que se utilizan para calentamiento se basan en el efecto Joule. Es-

tos aparatos consisten esencialmente en una resistencia que se calienta al ser recorrida por la co-

rriente. Las lámparas de incandescencia (o de filamento incandescentes), como la lámpara de tungs-

teno, conocida comúnmente como bombilla de luz, también constituyen una aplicación del efecto

Joule. Sus filamentos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de fusión es muy elevado, al ser

recorridos por una corriente eléctrica, se calientan y pueden alcanzar altas temperaturas (casi 2 500

ºC), volviéndose incandescentes y emitiendo una gran cantidad de luz.

Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en la construcción de fusibles, elementos que se em-

plean para limitar la corriente que pasa por un circuito eléctrico; por ejemplo, en un automóvil, una

casa, un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos están constituidos por una tirilla metálica,

generalmente de plomo, el cual tiene un punto de fusión bajo; de esta manera, cuando la corriente

que pasa por El fusible sobrepasa cierto valor (el amperaje propio de cada fusible), el calor genera-

do por el efecto Joule produce la fusión del elemento, interrumpiendo así el paso de corriente exce-

siva. Por ejemplo, en una casa a medida que se van conectando a la red eléctrica varios aparatos, la

corriente que “entra” a la casa a través del fusible, se va volviendo cada vez mayor. Si no existiera

el fusible y el número de aparatos conectados fuera muy grande, la corriente que circularía en la

instalación podría llegar a ser muy intensa. Esto produciría un calentamiento indeseable, e incluso

peligroso, de los conductores. El fusible impide que esto suceda, porque al fundirse, interrumpe el

paso de la corriente cuando alcanza un valor mayor que el límite superior de seguridad.

En la actualidad, además de los fusibles se emplean en las casas los llamados interruptores termo-

magnéticos (automáticos). En estos últimos elementos, el calentamiento de un dispositivo bimetáli-

co produce su dilatación, haciendo que el circuito se abra. El fusible y el interruptor automático

también protegen a un circuito eléctrico cuando ocurre un “cortocircuito”. Este fenómeno se produ-

ce cuando por un motivo cualquiera, la resistencia conectada de un circuito se vuelve muy pequeña,

haciendo que la corriente alcance un valor muy intenso, lo cual hace que el fusible o interruptor

abra el circuito, impidiendo que se produzcan efectos perjudiciales.

Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas aplicaciones beneficiosas, en los que se re-

quiere el calor que desprende un conductor por el paso de la corriente a través de él. Sin embargo,

en muchas otras aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y

electrónicos requieran de un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesi-

vo de los diferentes dispositivos.


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Análisis de circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes

eléctricos tales que la carga eléctrica fluye en un camino

cerrado, por lo general para ejecutar alguna tarea útil. Los

componentes en un circuito eléctrico pueden ser muy va-

riados, puede tener elementos como resistores, capacito-

res, interruptores, transformadores y componentes electró-

nicos. Los circuitos electrónicos contienen componentes

activos, normalmente semiconductores, exhibiendo un

comportamiento no lineal, que requiere análisis comple-

jos. Los componentes eléctricos más simples son los pasi-

vos y lineales. En este análisis nos vamos a limitar a estos

últimos.

Los circuitos eléctricos se pueden construir con corriente

continua o con alterna y esto depende de la fuente de elec-

tricidad que se utilice. Al comienzo analizaremos los de

corriente continua por ser más simples de comprender.

En todos los casos, un circuito se compone de unos ele-

mentos mínimos sin los cuales un circuito no tiene utilidad

alguna. Estos componentes son la fuente, los conductores

y el o los resistores. Se denomina resistores a cualquier

dispositivo que convierta la energía eléctrica a otra forma

de energía, tales como lámparas, motores, calefactores,

generadores de microondas, etc. En un mismo circuito

puede haber uno o más de cualquiera de estos tres elemen-

tos. Asimismo pueden estar presentes otros elementos

como interruptores, relés, llaves de corte, etc.

Para analizar un circuito en forma teórica se utilizan una

serie de símbolos que representan a los elementos que

pueden estar en un circuito. Los más frecuentes son los que se muestran en la Fig. 1.

Circuitos en serie y circuitos en paralelo

Los tres componentes mínimos para construir un circuito se pueden conectar de múltiples maneras, pero se

consideran dos disposiciones básicas: circuitos en serie y circuitos en paralelo.

Fig. 2. circuito en serie

Fig. 3. circuito en paralelo

Fig. 4. circuito mixto

Fig. 1. Símbolos usuales para circuitos eléctricos


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Se considera que un circuito está en serie cuando la corriente tiene que pasar necesariamente por todos los

resistores para volver a la fuente. En otras palabras, un circuito es en serie cuando los electrones tienen que

pasar a través de cada resistor para poder llegar al siguiente (ver Fig 2).

En un circuito en paralelo la corriente tiene caminos alternativos para seguir, es decir que los electrones se

distribuyen y algunos pasan por unos resistores y otros pasan por otros resistores. Sin embargo, todos los

resistores reciben electrones (ver Fig 3). En este diseño, cada camino alternativo se denomina derivación y

cada punto donde los conductores se bifurcan se denomina nodo. Eventualmente todos los electrones que

forman la corriente se reúnen en algún nodo antes de regresar a la fuente.

Además de estos dos circuitos “puros”, existen muchas otras combinaciones de estos. A todas ellas se las

denominan circuitos mixtos (ver Fig 4).

Leyes de Kirchhoff

El comportamiento de los circuitos eléctricos que contienen solamente resistencias y fuentes electromotrices

de corriente continua está gobernado por las Leyes de Kirchhoff. Para estudiarlo, el circuito se descompone

en mallas eléctricas, estableciendo un sistema de ecuaciones lineales cuya resolución brinda los valores de

los voltajes y corrientes que circulan entre sus diferentes partes.

La resolución de circuitos de corriente alterna requiere la ampliación del concepto de resistencia eléctrica,

ahora ampliado por el de impedancia para incluir los comportamientos de bobinas y condensadores. La reso-

lución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchoff, pero requiere usual-

mente métodos matemáticos avanzados, como el de Transformada de Laplace, para describir los comporta-

mientos transitorios y estacionarios de los mismos.

Primera ley de Kirchoff o ley de nodos

Esta ley dice que "la sumatoria de las corrientes que entran a un nodo es igual a la sumatoria de las que sa-

len", es decir, que si varios cables se unen en un punto (nodo), la sumatoria de las corrientes de los cables es

igual a la sumatoria de las corrientes que salen del nodo.

Esta ley tiene aplicación en los circuitos en paralelo, ya que son estos los que tienen nodos. Para comprender

esta ley debemos tener en cuenta que la corriente o intensidad es el caudal de electrones o la cantidad de

electrones que circulan por segundo a través de una determinada sección del circuito. Cuando la corriente

llega a un nodo, los electrones se distribuyen en cada una de las derivaciones posibles. La cantidad de elec-

trones que se coloque en cada derivación dependerá de la resistencia al paso que se encuentre en esa deriva-

ción.

La primera ley de Kirchoff señala que la suma total de las corrientes de todas las derivaciones que salen de

un nodo es igual a la suma total de corrientes que entran en él. En otras palabras, que todos los electrones que

lleguen a una bifurcación del circuito tendrán que ir hacia alguna de las derivaciones posibles y que ninguno

se puede perder ni pueden aparecer electrones que vengan de otro lado.

También debemos considerar qué ocurre con la tensión en este tipo de circuitos. Recordemos que la tensión

está relacionada con la cantidad de energía que tiene cada electrón para moverse. Esta cantidad de energía no

se modifica cuando la corriente se divide en varias derivaciones. De esto de deduce que la tensión se mantie-

ne constante en todas las derivaciones y que va a ser igual a la tensión que había antes del nodo.


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Segunda ley de Kirchoff o ley de mallas

Esta ley dice que "la sumatoria de todas las caídas de tensión en un circuito es igual a la tensión aplicada".

Para comprender esta ley es necesario entender qué pasa con la energía cuando la corriente atraviesa un re-

sistor. Pongamos por ejemplo una lámpara de filamento para que resulte más sencillo entender. Cuando la

corriente pasa por una lámpara de filamento, los electrones atraviesan por completo el filamento y la lámpara

saliendo finalmente por el otro lado. Sin embargo, en su camino, parte de la energía eléctrica que trasporta-

ban se transformó en energía lumínica y calórica que la lámpara liberó al ambiente. Por lo tanto, la cantidad

de energía de cada electrón (es decir, la tensión) es menor al salir que al entrar en la lámpara. De esto se des-

prende que cada vez que la corriente de electrones pasa por un resistor, hay menor tensión que antes de atra-

vesarlo. Luego, la tensión cae cada vez que la corriente pasa por un resistor.

La segunda ley de Kirchoff afirma que la suma total de las caídas de tensión de todos los resistores es igual a

la tensión suministrada por la fuente (por ejemplo 1,5 v, 3 v, 9 v para las pilas o 220 v para la línea). Apli-

cando este concepto a los circuitos en serie, se observa que cada resistor recibe menos tensión que el anterior

a medida que se avanza en el circuito. Por otra parte, la corriente nunca cambia ya que la cantidad total de

electrones debe atravesar todos los resistores.

Análisis de circuitos eléctricos

1. Para cada uno de los circuitos calcular la resistencia total equivalente (Req), corriente total (It) y po-

tencia eléctrica (P) considerando R1 = 5 Ω R2 = 25 Ω R3 = 50 Ω R4 = 75 Ω

a. .

b.

c. .

d.

e.

f.

g.

h.

i.


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2. Para cada uno de los casos indicar la corriente total. En caso de que ésta supere el límite de la llave termomagnética (TM), indicar qué cambio se podría proponer para corregirla. Considerar a) Tres motores de 1100 w cada uno y un motor de 3000 w que se encienden con el mismo interrup-

tor. TM: 25A / V:220 v b) Diez lámparas de 75 w con un solo interruptor, tres motores de 300 w y uno de 1100 w con inte-

rruptores independientes. TM: 10A / V:220 v c) Seis lámparas de 75 w con un solo interruptor, cuatro motores de 50 w y uno de 300 w con inte-

rruptores independientes. TM: 5A / V:110 v

3. Para cada uno de los siguientes diagramas, indicar si están bien conectados. En caso de no estarlo, in-

dicar qué pasaría si se usara tal como está y cómo habría que corregirlo.

A.

B.

C.

D.

E.

F.

Física 1 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 2. Electromagnetismo Guía 5. Llaves de corte

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Llaves de corte

Disyuntor diferencial

El disyuntor diferencial es una llave de corte de corriente alterna que se acciona cuando hay una diferencia

significativa entre la corriente de entrada y la de salida. La diferencia de corriente que hace que se accione el

dispositivo varia de un producto a otro. Los valores estándares son de 10 mA y 30 mA para los disyuntores

bipolares y de 30 mA y 300 mA para los tetrapolares.

El disyuntor diferencial monofásico se puede reconocer en un tablero eléctrico porque siempre tiene cuatro

bornes mientras que el trifásico tiene cuatro bornes. La mitad de los bornes se encuentran por encima del

dispositivo y los otros demás por debajo. Los dos de la derecha se conectan con la fase y los dos de la iz-

quierda se conectan con el neutro. Generalmente a cada borne le corresponde un tornillo en el frente del dis-

positivo. Otra característica que distingue al disyuntor diferencial tanto monofásico como trifásico, es que en

el frente siempre tiene una sola llave y un botón probador. Con la llave se activa o se desactiva al dispositivo

y con el botón probador se lo desactiva solamente. El botón probador simula una fuga de corriente dentro del

dispositivo sin generarla realmente.

Disyuntor tetrapolar para líneas

trifásicas

Disyuntor bipolar para líneas

monofásicas

Tablero eléctrico en el que se observan

varias llaves termomagnéticas y un

disyuntor diferencial arriba a la derecha

Por dentro del disyuntor, la corriente de entrada y la de salida generan sendos campos magnéticos inducidos

que se oponen mutuamente. El diseño dentro del dispositivo puede variar, pero se basan en el mismo princi-

pio. Si la corriente de entrada y la de salida es la misma, los campos se anulan entre sí y no hay otro efecto.

En cambio se las dos corrientes son diferentes, la diferencia entre ambos hace que se desconecte la corriente.

En el diagrama se puede ver un diseño sencillo para entender este sistema. La

línea de fase que viene del transformador (derecha) se conecta al dispositivo y

pasa por un solenoide, luego por un interruptor y luego sale del dispositivo.

Esta línea de fase que se conecta al borne de salida es la que da corriente a toda

la instalación. El consumo realizado por la instalación se denomina carga. La

línea de neutro que vuelve de la instalación se conecta al borne inferior de la

izquierda, pasa por un interruptor, luego pasa por un solenoide y finalmente se

llega al borne de salida que se conecta con la línea de neutro que va al trans-

formador. En medio de ambos solenoides hay un imán con el extremo superior

fijo y el inferior libre pero unido al interruptor, de modo que cuando el imán

gira abre el interruptor.

Además hay otra conexión que es la que corresponde al botón de prueba y está

representada con una línea azul. Esta línea conecta la línea de fase luego de

que la corriente haya pasado por el solenoide, a la línea de neutro salteando el

solenoide de neutro.


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Cuando el disyuntor está funcionando, circula la corriente por ambos solenoides pero con rotación opuesta

por lo que generan campos magnéticos en direcciones opuestas y se cancelan mutuamente. De esta manera el

imán que se encuentra en medio no recibe ninguna atracción ni repulsión (diagrama A).

Si en algún lugar de la instalación hay una descarga de fase a tierra (diagrama B) la corriente tendrá una “fu-

ga” dado que no regresa la misma cantidad que entró. Eso genera que la corriente en el solenoide de neutro

sea menor y por lo tanto el campo magnético que genera es menor y no cancela totalmente al campo magné-

tico producido por solenoide de fase (diagrama C). Esta diferencia entre los campos magnéticos generados

hace que el imán sea atraído por el solenoide de fase, rote y por lo tanto abra los contactos, cortando la co-

rriente (Diagrama F).

Diagrama A Diagrama B Diagrama C

El funcionamiento del botón de prueba es similar pero sin que haya realmente una fuga de corriente. Cuando

se acciona este botón (diagrama D) se permite que la corriente pueda salir del dispositivo sin haber pasado

por el solenoide de neutro. De esta manera no se genera ningún campo magnético para oponerse al de fase

(diagrama E) y finalmente se abren los contactos por acción del imán (diagrama F).

Diagrama D Diagrama E Diagrama F


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Los casos en los que se puede producir una fuga de corriente son todos aquellos en los que el cable de fase

entra en contacto que algún objeto o persona que esté directica o indirectamente en contacto un suelo de ma-

terial conductor.

En la mayoría de los disyuntores actuales el mecanismo es un poco

diferente. El diagrama se muestran los componentes fundamentales.

El anillo es un imán sobre el que se enrollan tanto el hilo de fase

(amarillo) como el neutro (azul). Si ambas corrientes son iguales, los

dos campos magnéticos generados (flechas amarilla y azul) son igua-

les y se anulan.

Cuando se presenta una fuga queda un campo magnético de fase ma-

yor que el de neutro produciendo una corriente eléctrica inducida en la

bobina de detección (rojo), accionando la apertura de los contactos.

El botón de prueba funciona de igual modo que en el caso anterior.

Llave termomagnética

Una llave termomagnética es una llave de corte que se acciona cuando hay una elevación significativa en la

corriente de fase.

Dependiendo de la cantidad de fases que se unan a ella,

una llave termomagnética puede ser:

Unipolar (o monopolar): sólo se une una fase.

Bipolar: se une una fase y un neutro

Tripolar: se unen tres fases

Tetrapolar: se unen tres fases y un neutro

En cualquiera de estos casos, la llave termomagnética sólo

cuenta con una palanca para activarla o desactivarla.

Para explicar el funcionamiento de este dispositivo se tomará como modelo a una llave termomagnética uni-

polar, es decir que sólo se une a una fase.

El dispositivo consta de dos partes, un mecanismo de corte accionado por un electroimán y otro accionada

por una lámina bimetálica, conectados en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. Cada

una de estas dos partes tienen diferencias en su funcionamiento, tiempo de reacción y corriente mínima que

lo acciona.

En el diagrama se muestra por separado el mecanismo magnético y el térmico.


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Interruptor de acción magnética

La pieza fundamental consiste en una bobina que se enrolla alrededor de un imán. En el diseño que se mues-

tra en el diagrama, el contacto móvil superior se mantiene cerrado mientras la palanca exterior esté subida.

Cuando la corriente pasa por la bobina se genera un campo magnético con el polo norte hacia abajo y el polo

sur hacia arriba. La intensidad del campo magnético que se genera con la corriente de trabajo habitual no es

suficiente para mover el imán que se encuentra dentro de la bobina.

Cuando ocurre un cortocircuito en cualquier lugar de la instalación eléctrica, la resistencia equivalente total

desciende casi hasta cero y la corriente sube a valores muy altos porque encuentra un camino prácticamente

sin resistencia. En estas condiciones la corriente total que pasa por la bobina genera un campo magnético de

mayor intensidad y es suficiente para desplazar al imán hacia abajo, el cual a su vez es capaz de separar el

contacto superior cortando la corriente.

Este nivel de intervención suele estar comprendido entre tres y veinte veces (según la letra B, C, D, etc.) la

intensidad nominal y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace

muy seguro por su velocidad de reacción. La corriente presunta de cortocircuito alcanza valores de 3 kA con

corrientes nominales de 1 a 63 A, y 10 kA para corrientes nominales de 80 y 100 A.

Interruptor de acción térmica

La pieza fundamental consiste en una termocupla o par bimetal que consiste en dos planchas de dos metales

con diferente coeficiente de dilatación térmico. Todos los metales aumentan su tamaño al ser calentados pero

cada metal lo hace en distinta proporción. A este incremento se lo llama coeficiente de dilatación térmico y

es específico de cada material. En el caso de una termocupla los dos metales están soldados entre si y al ser

calentados uno crece más que el otro. Dado que sus extremos están unidos, la única forma en que uno crezca

más que el otro es que ambos se curven.

Termocupla fría Termocupla caliente

La termocupla forma parte del recorrido que hace la corriente antes de salir de la llave termomagnética, de

modo que recibe toda la corriente que está ingresando en la instalación. El paso de la corriente hace que los

conductores se calienten por efecto Joule y cuando supera el valor límite establecido para el dispositivo, la

termocupla comienza a curvarse lentamente hasta que al final se desconecta el contacto inferior y se corta la

corriente o bien empuja un resorte que hace desconectar al dispositivo en otros diseños. Esta corriente es la

que se llama calibre del aparato, y es la característica principal del dispositivo, los valores más normales de

calibre son: 5A, 10A, 16A, 20A, 25A, 30A, 40A, 50A.

En las instalaciones eléctricas las conexiones a todos los aparatos eléctricos se hacen en paralelo para que

mantengan la misma tensión en todas las derivaciones. La consecuencia de esto es que a medida que se co-

nectan más aparatos eléctricos disminuye la resistencia equivalente total y aumenta la corriente sin llegar a

alcanzar valores tan altos como en un cortocircuito (que activaría al interruptor de acción magnética) pero lo

suficiente como para alcanzar el punto de fusión del metal de los cables de la instalación. A este fenómeno se

le llama sobrecarga. De llegar a esta temperatura se fundirían los cables y sería necesario cambiarlos. Para

evitar esto, el interruptor de acción térmica debe comenzar a curvarse a una temperatura menor y esa tempe-

ratura está determinada por el calibre del dispositivo.

f2. guia 1. acustica€¦ · generalmente se suele trabajar con cargas eléctricas mucho menores...

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