ELEMENTOS DE ELECTRICIDAD BASICA

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1 MODULO 1 ELEMENTOS DE ELECTRICIDAD BASICA A contnuacón se resumen algunos elementos de Electrcdad Básca que se supone son conocdos por los estudantes al ngresar a la Unversdad DESCUBRIMIENTO DE LA ELECTRICIDAD: En el sglo VI a.c. Tales de Mleto descubró que al frotar ámbar con un trozo de pel, el ámbar atraía pedactos de cabello, plumas, etc. Se dce que el ámbar se cargó eléctrcamente. ELECTRICIDAD POR FROTAMIENTO: La palabra electrcdad derva de electra (ámbar en grego). Todos los cuerpos al frotarse con otros dstntos se cargan eléctrcamente (atrae pedactos de papel). CUERPO CARGADO ELÉCTRICAMENTE: Un cuerpo está cargado eléctrcamente s tene la propedad de atraer pedactos de papel, plumas o cabellos. ELECTROSCOPIO: Dspostvo que permte determnar s un cuerpo tene o no carga. ELECTRICIDAD POSITIVA Y NEGATIVA: Exsten dos tpos de electrcdad: postva (o vítrea): la que adquere el vdro al frotarse con pel. negatva (o resnosa): la que adquere el ámbar al frotarse con pel. ATRACCIÓN O REPULSIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS: Cargas del msmo tpo (o sgno) se repelen. Cargas de dstnto tpo (o sgno) se atraen. CONDUCTOR: Las cargas eléctrcas se mueven con facldad en el materal conductor. AISLADOR: Las cargas eléctrcas no se movlzan por el materal aslador CAMPO ELÉCTRICO: Un cuerpo cargado crea a su alrededor un campo eléctrco. Decmos que en un punto del espaco exste un campo eléctrco, s al colocar en dcho punto, una carga puntual, en ella actúa una fuerza de orgen eléctrco. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN CAMPO ELÉCTRICO: Se representa por líneas magnaras que corresponden a las trayectoras que segurán las cargas puntuales postvas abandonadas en el espaco donde exste el campo eléctrco. PROPIEDADES DE LAS LÍNEAS DE FUERZA DEL CAMPO ELÉCTRICO Nacen en cargas postvas o en el nfnto y mueren en cargas negatvas o en el nfnto. La densdad de línea de fuerza en un punto del espaco es una medda del campo eléctrco, en dcho punto. LABORATORIO DE FÍSICA 1

2 DISTRIBUCIÓN DE LAS CARGAS EN UN CONDUCTOR: Las cargas se repelen entre sí, por lo que éstas se dstrbuyen sobre la superfce del conductor en las zonas más alejadas. S el conductor es esférco lo hace sobre la superfce esférca externa (en las convexdades hay más carga). EFECTO DE LAS PUNTAS: S el conductor cargado tene puntas, en dchas puntas se acumula gran cantdad de carga y que en contacto con el are, éste se carga con carga del msmo sgno y es repeldo (vento eléctrco). INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA: Es la carga adqurda por un sector de un conductor al acercarle una carga eléctrca. Es de sgno opuesto (por la atraccón). + + conductor cuerpo cargado nducdo carga nducda nductor S el nducdo rodea completamente al nductor, la carga nducda en la superfce nteror es gual y de sgno contraro a la del nductor. CONEXIÓN A TIERRA -q +q +q +q -q conductor sn conexón a terra terra conductor con conexón a terra La terra es capaz de ceder o admtr electrones. S el conductor posee carga negatva y está conectado a terra, los electrones del conductor se van a terra. Sí el conductor posee carga postva y está conectado a terra, la carga postva es neutralzada con electrones que venen de la terra. CAJA DE FARADAY: Es un apantallamento metálco (reja), conectado a terra que envuelve a un aparato que desea mantenerse fuera de la nfluenca eléctrca. Carga eléctrca +q conductor conectado a terra artefacto a proteger LABORATORIO DE FÍSICA 2

3 PARARRAYOS: Aplcacón del efecto de punta y el fenómeno de nduccón eléctrca nube con carga + + rayo (cargas en movmento fotones, luz) punta metálca conectada a terra INTERPRETACIÓN MODERNA DE FENÓMENOS ELÉCTRICOS: La matera está formada por moléculas y éstas por átomos. El átomo está formado por un núcleo y electrones grando a su alrededor. El núcleo está formado por protones (con carga postva) y neutrones (sn carga eléctrca). Los electrones poseen carga negatva. Los ones son átomos o moléculas que perden o ganan electrones orbtales: - on postvo, se perde electrones (Ej. sodo). - on negatvo, se gana electrones (Ej. cloro). Electrzacón por contacto: Al poner en contacto dos cuerpos dferentes, pasan electrones de un cuerpo a otro. El cuerpo se carga por frotamento. Tabla trboeléctrca pel de conejo vdro mca lana marfl pel de gato seda algodón al frotarlos al frotarlos vdro se carga postvo lana se carga negatvo marfl se carga postvo seda se carga negatvo CORRIENTE ELÉCTRICA: Es la carga eléctrca postva en movmento. CORRIENTE ELECTRÓNICA: Electrones en movmento (dreccón contrara a la corrente eléctrca). GENERADORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA: Son dspostvos que permten poner en movmento cargas eléctrcas. UTILIDAD DE LA CORRIENTE: Las cargas en movmento producen varos efectos (calor, campos magnétcos, nteraccón con campos magnétcos o eléctrcos, etc.), que s LABORATORIO DE FÍSICA 3

4 aprovechan tecnológcamente. La corrente hace posble la transformacón de la energía eléctrca en otras formas de energía. EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA: Efecto térmco y lumnoso: Las cargas eléctrcas al movlzarse a través de un materal, rozan con éste y el materal se calenta pudendo llegar a ponerse ncandescente. Ej.:: calefactor (materal calente), lámparas (materal ncandescente). Efecto magnétco: Las correntes generan a sus alrededores campos magnétcos que pueden nteractuar con otros campos magnétcos. Ej. : motores eléctrcos. Efecto químco: S la corrente eléctrca crcula en matera líquda, por conduccón ónca, se pueden producr reaccones químcas. Ej.:: electrólss del agua, precptacón electrolítca, galvanoplastía SENTIDO DE LA CORRIENTE: En el crcuto de la fgura, por la parte externa a la fuente, la corrente va del termnal + al termnal - y por el nteror de la fuente va del termnal - al lámpara fuente de fuerza electromotrz INTENSIDAD DE CORRIENTE: Es la cantdad de carga eléctrca (q) que pasa por una seccón del conductor en la undad de tempo (t) = dq / dt ; [C/s] ; 1 [C/s] = 1 [ampere] = 1 [A] CORRIENTE CONTÍNUA (C.C., C.D.): Corrente que tene ntensdad y sentdo constante. Ej.: corrente producda por plas o baterías CORRIENTE ALTERNA (C.A.): Corrente que camba de sentdo con una determnada frecuenca. Ej.: corrente domclara (de frecuenca 50 hz.). MEDICIÓN DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE: La corrente se mde con amperímetros o galvanómetros. CIRCUITO ELÉCTRICO: Es una conexón de dspostvos eléctrcos (calefactores, lámparas, etc.) y fuentes de fuerza electromotrz (plas, baterías, dínamos, etc.) ENERGÍAS EN UN CIRCUITO ELÉCTRICO: Para que los dspostvos eléctrcos funconen, es necesaro dsponer de energía eléctrca; a su vez estos dspostvos consumen energía eléctrca y debe cumplrse: que la suma de las energías entregadas por las fuentes de fuerza electromotrz debe ser gual a la suma de las energías consumdas por los elementos del LABORATORIO DE FÍSICA 4

5 crcuto y las propas fuentes. UNIDADES DE ENERGÍA ELÉCTRICA: 1 [kp-m] = 9,8 [J] = 2,72*10-6 [kw-h] 1 [J] = 0,102 [kp-m] = 0,278*10-6 [kw-h] = 1 [N m] 1 [kw-h] = [kp-m] = [J] POTENCIA ELÉCTRICA ENTREGADA POR UNA FUENTE: Es la energía (W) que la fuente entrega en la undad de tempo (t) P = W / t ; 1 [J / s] = 1 [Watt] = 1 [W] POTENCIA CONSUMIDA POR UN DISPOSITIVO ELÉCTRICO: Es la energía (W) consumda por el dspostvo en la undad de tempo (t) P = W / t ; [W] UNIDADES DE POTENCIA: 1 [kp-m /s] = 9,8 [W] = 0,0098 [kw] = 0,0133 [hp] 1 [W] = [kp-m / s] = 0,001 [kw] = 0,00136 [hp] 1 [kw] = 1000 [W] = 1,36 [hp] 1 [hp] = 75 [kp-m / s] = 735 [W] = 0,735 [kw] POTENCIA CONSUMIDA POR ALGUNOS APARATOS: Tostador: [W] Lavadora: [W] Ventlador: [W] Plancha: [W] Rado: [W] Tubo fluorescente: [W] Ampolletas: [W] TV: [W] TENSIÓN, VOLTAJE O DIFERENCIA DE POTENCIAL: Para que por un conductor o dspostvo eléctrco crcule una corrente, es necesaro mantener entre sus extremos una dferenca de potencal (voltaje o tensón) V. A V lámpara que consume potenca P - + B fuente de fuerza electromotrz LABORATORIO DE FÍSICA 5

6 La dferenca de potencal V entre los puntos A y B de un aparato eléctrco, es la potenca P consumda en el aparato por undad de corrente consumda. El voltaje o dferenca de potencal entre los puntos A B del crcuto, lo mantene la fuente. V = P / ; 1 W/A] = 1 [Volt] = 1 [V] ENERGÍA CONSUMIDA POR UN APARATO ELÉCTRICO: W = P * t = V * * t CARGA ELÉCTRICA QUE PASA POR UN APARATO ELÉCTRICO: como: q = * t ; W = V * q ; entonces q = W / V ELECTRÓNVOLT: Es la energía adqurda por un electrón al moverse entre dos puntos, entre los cuales exste una dferenca de potencal de 1 volt. 1 e V = 1 [V] * 1,6*10-19 [C] = 1,6*10-19 [J] VOLTAJES TOTALES Y VOLTAJES PARCIALES: Conexón en Sere: V 1 P 1 V T = P T / = (P 1 + P 2 + P 3 ) / - + V T V 2 P 2 como = 1 = 2 = 3 luego V 3 P 3 V T = V 1 + V 2 + V 3 FUENTE Conexón en Paralelo: V T P 1 P 2 P 3 = V T = V 1 = V 2 = V 3 FUENTE LABORATORIO DE FÍSICA 6

7 MEDICIÓN DE CORRIENTE Y VOLTAJE EN UN CIRCUITO: El voltaje o dferenca de potencal entre dos puntos de un crcuto, se mde con el voltímetro y la corrente en una rama de crcuto se mde con el amperímetro. P V FUENTE + - Voltímetro mde V + Amperímetro mde FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ: Dspostvos que pueden mantener una dferenca de potencal entre los extremos de un artefacto eléctrco. Ej.: pla, dínamo, generador eléctrco, etc. LEY DE OHM: La ntensdad de corrente que crcula por un conductor es drectamente proporconal a la dferenca de potencal entre sus extremos, o sea: = k * V; k = Conductanca RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR: Es la dfcultad que presenta el conductor al paso de la corrente, se defne por: conductor R = V / ; [volt/ampere] = [V/A] = ohm = [ ] + - V REPRESENTACIÓN DE UNA RESISTENCIA EN UN CIRCUITO: Conductor R A B A B CONEXIÓN DE APARATOS EN SERIE: Varos aparatos (Resstencas) están conectados en sere s toda la corrente atravesa cada uno de los aparatos. Debe cumplrse: R = R 1 + R 2 + R V = V 1 + V 2 + V ; = 1 = 2 = 3 =... LABORATORIO DE FÍSICA 7

8 R 1 R 2 R 3 + V 1 V 2 V 3 - V CONEXIÓN DE APARATOS EN PARALELO: Varos aparatos (Resstencas) están conectados en paralelo s todos ellos están conectados a la msma dferenca de potencal. Debe cumplrse: 1 / R = 1 / R / R 2 + 1/R V = V 1 = V 2 = V 3 =... = R 1 2 R 2 3 R V CARACTERÍSTICAS DE UNA FUENTE DE FUERZA ELECTROMOTRIZ: Una fuente de voltaje se caracterza por su fuerza electromotrz y su resstenca nterna. Fuerza electromotrz: Es la energía sumnstrada por la fuente a la undad de carga eléctrca, para que recorra íntegramente el crcuto eléctrco tanto por el exteror como por el nteror de la fuente. Se cumple que: = V R + V r = R + r I LABORATORIO DE FÍSICA 8

9 Resstenca R V R R Fuente r En que = fuerza electromotrz de la fuente, V R = voltaje en la resstenca externa, V r = voltaje en la resstenca nterna, = corrente en el crcuto. Resstenca nterna de la fuente: Es la dfcultad al paso de la corrente, que presenta la fuente. r =, cuando R = 0 [ohm], (fuente en cortocrcuto) EFECTO JOULE: Cuando la corrente crcula por un conductor, éste se calenta, debdo al choque de las cargas en movmento con los consttuyentes de la matera. El calor Q en el tempo t será: Q = 0,24 P t = 0,24 V t = 0,24 R 2 t, [calorías] Nota: 1[J] = 0,24 [cal] 1[cal] = cantdad de calor necesara para que la masa de 1 gr. de agua ncremente su temperatura en 1 C. APLICACIONES DEL EFECTO JOULE: Ej.: plancha eléctrca, lumnacón con lámparas ncandescentes, cocna eléctrca, etc. COMPONENTES ELÉCTRICOS E INSTRUMENTOS ELÉCTRICOS: ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO: Todo crcuto eléctrco consta esencalmente de: fuentes de fuerza electromotrz (plas, baterías, dínamos, etc.), aparatos receptores de energía eléctrca (transforman la energía eléctrca en otra forma de energía) y conectores (conductores que transportan la corrente desde la fuente a los receptores). CONECTORES: Son hlos, cables, cablecllos metálcos (generalmente de cobre) Hlo conductor: alambre únco aslado o no (nstalacón domclara). Cablecllo: alambres fnos trenzados, con aslante (uso en laboratoro). Cable paralelo: dos cablecllos aslados (uso en cordones de enchufe, nstalacones menores). Cable: alambre grueso trenzado, aslado o no (uso entre postes). LABORATORIO DE FÍSICA 9

10 Cable coaxal: hlo conductor central cuberto con poletleno y rodeado por una malla conductora y cuberta aslante (uso desde un TV hasta la antena). Crcutos mpresos: las conexones se realzan medante recorrdos metálcos mpresos sobre materal aslante (uso en crcutos electróncos). RESISTENCIAS: Son conductores que dfcultan el paso de la corrente CARACTERÍSTICAS DE LAS RESISTENCIAS: Valor nomnal de la resstenca: valor que dce el fabrcante. Toleranca: error en porcentaje que puede tener la resstenca. Ej.: s la resstenca tene un valor nomnal de 150 ohm y tene una toleranca de 10% entonces: R = ( ) ohm; o sea (135 < R < 165) ohm CÓDIGO DE COLORES DE LAS RESISTENCIAS: La resstenca prolítca trae barras de colores que sgnfcan lo sguente: Colores Negro 0 Resstenca Café 1 Rojo 2 1 barra 1 dígto Naranja 3 3 Barras juntas 2 barra 2 dígto Amarllo 4 3 barra potenca de 10 Verde 5 Azul 6 Voleta 7 Grs 8 Blanco 9 café 1% rojo 2% 1 Barra separada Toleranca dorado 5% plateado 10% Ej.: S la prmera barra es roja, la segunda barra es amarlla, la tercera barra es naranja y la cuarta barra separada es plateada, entonces el valor de la resstenca R es de 24* % [ohm], o sea R = 24,0 + 2,4 [k ]. DIFERENTES TIPOS DE RESISTENCIAS: Resstencas prolítcas: clndros de cerámca recuberto con carbón. Son de baja potenca (hasta 2 watt). Usan códgos de colores. Resstencas de alambre: enrollados de alambre. De alta potenca (hasta 100 watt). su valor está ndcado en la cápsula. Potencometro: son resstencas varables (prolítcas o de alambre). Generalmente de baja potenca. Su valor vene ndcado en la cápsula. Decade de resstencas: resstencas que se selecconan de 1 en 1[ohm]; de 10 en 10 [ohm]; de 100 en 100 [ohm]; etc. Reostatos: son resstencas varables de alambre de gran potenca. LABORATORIO DE FÍSICA 10

11 DISIPACIÓN DE POTENCIA DE UNA RESISTENCIA: Es la potenca que acepta la resstenca, sn dañarse. Ej.: prolítca chca (aprox. 7 mm.) : 1/4 W prolítca medana (aprox. 1,2 cm.) : 1/2 W prolítca grande (aprox. 1,5 cm.) : 1 W de alambre (aprox. 2 cm.) : 5W a 10W CONDENSADOR: Consste en 2 placas metálcas separadas por un materal aslante. Tene la propedad de almacenar carga eléctrca en sus placas (una postva y la otra negatva). +Q Termnal (+) del condensador placas conductoras V aslante smbología C -Q Termnal (-) del condensador CAPACIDAD C DE UN CONDENSADOR: Es la cantdad de carga que se acumula en la placa postva por undad de voltaje entre las placas del condensador. C = Q / V ; [Coulomb / Volt] = [Farado] = [C/V] = [F] DIFERENTES TIPOS DE CONDENSADORES: Se clasfcan según el tpo de aslante, ej: Condensador de papel: Con aslante de papel. Son de baja capacdad Condensador de mca: Con aslante de mca. Son de baja capacdad Condensador de plástco: Con aslante de poléster. Se obtenen de capacdades relatvamente altas y voltajes que llegan a los 1000[V] Condensador electrolítco: Los hay de alumno y de tantalo. Los de alumno conssten en una cnta de este metal recuberta con una película de óxdo de Al, que actúa como aslante, sobre el óxdo hay una lámna de papel mpregnada con un electrolto conductor y sobre ella una segunda lámna conductora de Al que proporcona el contacto eléctrco al papel. Poseen gran capacdad. Tenen polardad, pues, para que funconen correctamente el termnal de Al recuberto con óxdo debe tener polardad postva y el otro negatvo Condensador cerámco: Con aslante de cerámca. Ressten altos voltajes. NOTA: Los condensadores no tenen polardad. Salvo el condensador electrolítco, que requere conectarse según la polardad, ndcada en el condensador, para que funcone adecuadamente. VOLTAJE MÁXIMO EN EL CONDENSADOR: Valor máxmo de voltaje que resste el LABORATORIO DE FÍSICA 11

12 condensador. Se ndca en la cápsula. Ej.: cond. electrolítco de 1200 [ F], 16 [V]. BOBINAS Y SOLENOIDES: Son enrollamentos de alambre alrededor de un núcleo. Espras de alambre Núcleo Alambre - Smbología L INDUCTANCIA DE UNA BOBINA: Es el voltaje que se crea en los extremos de la bobna o solenode, cuando ésta es atravesada por una corrente que varía a razón de 1 ampere por segundo. La nductanca se mde en [Henry] EL TRANSFORMADOR: Son dos bobnas enrolladas en un msmo núcleo y tenen por objeto transformar un voltaje alterno V 1 (aplcado en el prmaro), en otro voltaje alterno V 2 (en el secundaro, con la msma frecuenca.) Prmaro Secundaro V 1 V 2 Núcleo OTROS ELEMENTOS DE CIRCUITOS: Exsten varos otros tpos de elementos en un crcuto, como por ejemplo: dodo, transstor, válvulas de vacío, tubo de rayos catódcos, componentes optoelectróncos, crcutos ntegrados, etc., que están fuera del alcance del curso. FUENTE DE FUERZA ELECTROMOTRIZ: Proporcona la energía eléctrca a los elementos de un crcuto. Ej.: plas, baterías, acumuladores, dnamos, generador de señales, etc. PILA: Dos electrodos metálcos de dferentes materales nmersos en un electrolto, ej. : znc y cobre (nmersos en H 2 SO 4 dludo); pla alcalna, pla Zn-carbono (pla de uso común), pla de Hg, pla de Ag, pla de L. En todas estas plas, el electrolto reaccona más con un electrodo que con el otro, lo que produce mayor transferenca de electrones a un electrodo que al otro, mantenendo de este modo una dferenca de potencal en los termnales de la pla. CARACTERÍSTICAS DE LAS PILAS:La reaccón químca en una pla no es reversble (la pla es desechable). Dependendo del tpo de pla, es su duracón y fuerza electromotrz, por ej.: la pla alcalna es de poca duracón y su fuerza electromotrz es de 1,5 [V] (pla común), en cambo la pla de Hg es de gran duracón y su f.e.m es de 1,35 [V]( pla de reloj). Una pla LABORATORIO DE FÍSICA 12

13 descargada tene una resstenca nterna grande. BATERÍA (O ACUMULADOR): Son smlares a las plas, sólo que la reaccón químca es reversble y se puede descargar y cargar repetdas veces. Ej: batería de plomo (usada en vehículos), sus componentes son: electrodo postvo (de óxdo de plomo), electrodo negatvo (plomo esponjoso), electrolto (ácdo sulfúrco dludo). CARACTERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS: La reaccón químca es reversble, los electrodos se recuperan s se les hace crcular corrente en sentdo contraro a cuando la entrega. Una mayor fuerza electromotrz se obtene en la batería s se ponen en sere varas celdas.una batería escargada tene gran resstenca nterna, la cual se reduce s ésta se carga nuevamente. GENERADORES DE SEÑALES ELÉCTRICAS: Son dspostvos que generan voltajes varables en ampltud, frecuenca y forma de onda. Ej.: generador de onda snusodal (G.O.S.) AMPLIFICADOR DE POTENCIA: Son dspostvos que amplfcan señales de voltaje que se generan con generadores de señales eléctrcas (por ej.: con un PC). Permten generar señales de relatva alta potenca, de tpo snusodal, dente de serra, trángular, contínua, etc. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ELÉCTRICA: Son nstrumentos que permten medr magntudes eléctrcas. Ej.: Amperímetro: mde corrente. Los hay de C.A. y de C.C. Galvanómetro: mde correntes débles. Voltímetro: mde voltaje. Los hay de C.A. y de C.C. Ohmetro: mde resstenca. Oscloscopo: permten vsualzar señales eléctrcas en la pantalla de un tubo de rayos catódcos. Ej: voltaje en un condensador en funcón del tempo. Capacímetro: mde capacdad de condensadores. Frecuencímetro: mde frecuenca de señales eléctrcas. Multímetro: mden dferentes magntudes eléctrcas ( voltímetro AC y DC, amperímetro, ohmetro, etc.) MEDICIONES ELÉCTRICAS CON SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: utlzando un sstema de adquscón de datos en un PC y sensores o transductores, es posble medr magntudes físcas y el sstema puede utlzarse para medr: voltajes, correntes, campos magnétcos, etc. (Como por ej., software " DATA STUDIO, medante la nterface SCIENCE WORKSHOP de PASCO), LABORATORIO DE FÍSICA 13

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