IMANES

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) oartificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imánpermanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporalno conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

TIPOS DE IMANES.

Según su origen:

IMANES NATURALES: se refiere a minerales naturales, los cuales tienen la propiedad de atraer elementos como el hierro, el níquel, etc.

La magnetita es un imán de este tipo, compuesto por óxido ferroso férrico, cuya particularidad principal consiste en atraer fragmentos de hierro natural.

IMANES ARTIFICIALES: esta denominación recae sobre aquellos cuerpos magnéticos que, tras friccionarlos con magnetita se transforman de manera artificial en imanes.

Según la perduración de sus propiedades magnéticas.

IMANES TEMPORALES: los imanes temporales están conformados por hierro dulce y se caracterizan por poseer una atracción magnética de corta duración.

IMANES PERMANENTES: con este término se alude a aquellos imanes constituidos por acero, los cuales conservan la propiedad magnética por un tiempo perdurable.

IMANES CERÁMICOS O FERRITAS. Esta clase de imanes tiene un aspecto liso y color grisáceo. Suelen ser de los más utilizados debido a su maleabilidad. Aunque, por otro lado, al ser frágiles, corren el riesgo de romperse con facilidad.

IMANES DE ALNICO: el nombre deriva de una contracción de las palabras: aluminio, níquel y cobalto, elementos de los que se compone. Esta clase de imanes presentan un buen comportamiento frente a la presencia de altas temperaturas, sin embargo, no cuentan con considerable fuerza.

IMANES DE TIERRAS RARAS: esta clase de imanes se subdividen en dos categorías de acuerdo al material químico del que se compone:

Neodimio: están formados por hierro, neodimio y boro. Presentan una oxidación fácil, y se utilizan en aquellos casos donde las temperaturas no alcanzan los 80º C.

Samario cobalto: no suelen oxidarse de manera fácil, aunque el precio al que cotizan es muy elevado.

IMANES FLEXIBLES: como su nombre lo indica, estos imanes poseen una gran flexibilidad. Están compuestos por partículas magnéticas como el estroncio y el hierro. Las desventajas de los imanes flexibles son la baja resistencia a la oxidación y su escasa potencia magnética.

ELECTROIMÁN

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

En 1819, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una brújula. Basado en sus observaciones, el físico estadounidense Joseph Henry inventó el electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Henry envolvió los cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Henry podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.

El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético oferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita, aunque también se utiliza el llamadoacero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.

Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección del campo magnético B, el pulgar indica la dirección de la corriente I. El lado del electro imán del que salen las líneas de campo se define como «polo norte».

Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un flujo variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en general son indeseables, puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia de si mismo.

Electroimán e imán permanente

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo.

Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material, llamadas dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismos. En este caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente, haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno, llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de Curiereorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.

En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que producen campos magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.

IMANES NATURALES:

Tienen la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atraer hierros es natural & no es influida por los seres humanos.

Están compuestos por el oxido de hierro son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominados magnetita , hoy sabemos que es hierro cristalino Fe3O4. Pero también la Tierra es un imán natural.

PROPIEDADES

Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen. Compruébalo.

LEYES MAGNÉTICAS

Así como un conductor al que se le hace pasar corriente genera un campo magnético, del mismo modo un imán puede generar una corriente eléctrica. Este fenómeno no se conoce como inducción electromagnética y se estudia a través de las leyes de Faraday y Lenz.

Faraday descubrió que se producen corrientes eléctricas cuando el efecto magnético cambia. Cuanto mayor sea el cambio del flujo, mayor será el valor de la corriente eléctrica que se induzca en el alambre conductor. La corriente eléctrica generada por el efecto de un campo magnético variable se denomina corriente inducida.

Si a una espira que esta conectada a un medidor de corriente eléctrica, como un galvanómetro, se le acerca o aleja un imán el galvanómetro indicara una lectura positiva o negativa de acuerdo con el movimiento del imán Los mismo sucede si el imán se queda quieto y la bobina se mueve. Pero si deja de moverse alguno, el galvanómetro no indica ningún valor. Se dice que se induce una fuerza electromotriz (FEM), que será mas intensa al avanzar o mover mas rápido el imán hacia el conductor, el conductor hacia el imán o ambos.

LINEAS DE FUERZA MAGNÉTICA

Deseasen hace un siglo el inglés Michael Faraday estudio los efectos producidos por los imanes. Observo que un imán permanente y crece la fuerza sobre un trozo de hierro o sobre cualquier imán cercano, debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos efectos se pueden sentir a través del espacio vacío. Faraday imaginó que un imán salían y lo hacen crisis parecían, a éstos los llamó líneas de fuerza magnética. Estas líneas encuentran los polos pues ahí es mayor la intensidad. Estas líneas esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur.

LEY DE LOS POLOS

Esta ley también es conocida como: " la ley de Faraday ", la cual enuncia lo siguiente:

“Polos opuestos se atraen, polos iguales se rechazan”

Lo que nos da a entender, es que si ponemos, polo positivo con polo positivo se rechazarán, sin embargo si ponemos polo negativo con polo positivo se atraerán.

LEY DE COULOMB

" La fuerza atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa"

Esto quiere decir que si la distancia entre dos objetos cargados se reduce la mitad, la fuerza de atracción o repulsión entre ellos se cuadruplicará.

TEORÍA MOLECULAR DEL MAGNETISMO

Esta teoría es la de Weber que dice que las moléculas de las sustancias magnéticas son pequeños imanes que, cuando están en estado natural, se encuentran en desorden, sin manifestar ningún magnetismo, pero que al imantarse se orientan en la dirección norte - sur.

COMPORTAMIENTO MAGNÉTICO DE LOS MATERIALES

Ferromagnéticos.- son los materiales por los cuales las líneas de flujo magnético fluyen con mayor facilidad a través del cuerpo que por el vacío. Este material se magnetizará con gran intensidad. Su permeabilidad magnética será muy elevada y quedará comprendido desde algunos cientos a miles de veces la permeabilidad del vacío. Ejemplos: hierro, cobalto, níkel, así como sus aleaciones.

Paramagnéticos.- son los materiales por los cuales las líneas del flujo más lo que pasan con más libertad que a través del vacío. Este material se magnetiza, aunque no en forma muy intensa. Su permeabilidad magnética es ligeramente mayor que la del vacío. Ejemplos: aluminio, litio, platino, iridio y cloruro férrico.

Diamagnético.- este tipo de material hace que las líneas de flujo magnético circulen más fácilmente en el vacío que por el cuerpo. Este material no se magnetiza y puede ser repelido débilmente por un campo magnético intenso. Su permeabilidad magnética relativa es menor a la unidad. Ejemplos: el cobre, plata, oro, mercurio y bismuto.

PERMEABILIDAD MAGNÉTICA E INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO

Permeabilidad magnética: fenómeno presente en algunos materiales, como hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material de hierro que por el aire o el vacío. Esto provoca que cuando material permeable se colocan un campo magnético, concentre un mayor número de líneas de flujo por unidad diaria y aumente el valor de la densidad del flujo magnético.

La permeabilidad magnética de diferentes medios se representa con la letra griega (mu). La permeabilidad magnética del vacío para fines prácticos se considera igual a la permeabilidad del aire.

La permeabilidad atlética del vacío 0 tiene un valor en el SI de:

0 = 4 x 10-7 Wb/Am = 4 x 10-7 Tm/A

En el caso de aquellas sustancias que prácticamente no se imantan, el valor de su permeabilidad relativa es menor de 1. Los materiales que sin ser ferromagnéticos logran imantar tienen permeabilidad relativa ligeramente mayor a la unidad.

INTENSIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO

Para un allegado, el rector intensidad del campo magnético es el cociente que resulta de la densidad del flujo magnético entre la permeabilidad magnética del medio:

H= B por lo tanto B = H

Donde: H = intensidad del campo magnético para un medio dado, se mide en A/M.

B = densidad del flujo magnético, se expresa en teslas (T)

= permeabilidad magnética del medio, sumida es el tesla metro/A

INDUCCION MAGNÉTICA

Si un gran número de dominios se orientan en esa dirección, el material mostrará fuertes propiedades magnéticas.

Esta teoría explica muchos efectos magnéticos observados en la materia. Por ejemplo, una barra de hierro no magnetizada se puede trasformar en un imán simplemente sosteniendo otro imán cerca de ella.

DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO

El concepto propuesto por Faraday acerca de las líneas de fuerza, es imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los campos magnéticos y cuantificar sus efectos.

Una sola línea de fuerza equivale a la unidad del flujo magnético en el sistema CGS y recibe el nombre de Maxwell. Esta unidad es muy pequeña, por lo tanto en el SI se utiliza el weber.

1 weber = 1x108 maxwells

Un flujo magnético que atraviesa perpendicularmente una unidad de área A recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética.

Por definición: la densidad del flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente ala unidad de área. Matemáticamente se expresa:

B = por lo tanto = BA

A

B = Densidad del flujo magnético

= Flujo magnético

A = área sobre la que actúa el flujo magnético.

LEY DE LENZ

El fisico ruso Heinrich Lenz (1804-1865) enunció una ley sobre inducción magnética que lleva su nombre:

Siempre que se induce una fem, la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce.

De acuerdo con la ley, el sentido de la corriente inducida es contrario ante la corriente requerida para provocar el movimiento del campo magnético que la ha engendrado.

LEY DE FARADAY

Con base en sus experimentos, Faraday enuncia la ley del electromagnetismo: la fem inducida en los circuitos formados por un conductor, una bobina es directamente proporcional al número de líneas de fuerza magnética cortadas en un segundo.

Esta ley se expresa matemáticamente como:

E = - f - i

T

Donde E = fem media

f = flujo magnético final

i = flujo magnético inicial

T = tiempo en que se realiza la variación de flujo en segundos

MOTOR ELÉCTRICO

El motor eléctrico es un aparato que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Un motor de corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre los polos de un imán pronto a circular una corriente eléctrica en la bobina, esta adquiere un campo magnético y actúa con un imán, por tanto, es desplazada en movimientos de rotación, debido a la fuerza que hay entre los campos magnéticos. El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo costo de mantenimiento. En general, todo motor eléctrico consta de dos partes principales: electro imán pues suele ser fijo y el circuito eléctrico que puede girar alrededor de un eje.

TRANSFORMADOR

El transformador funciona por inducción magnética. Utiliza corriente alterna. Como ya sabemos este tipo de corriente pueda aumentar o disminuir su voltaje fácilmente mediante un transformador. Éste eleva el voltaje de la corriente en las plantas generadoras de energía eléctrica y después lo reduce en los centros de consumo.

El principio del transformador se basa en inducción mutua.

GENERADOR ELECTRICO

El generador eléctrico es un aparato transformador energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado base de electro imanes e imanes permanentes que producen un campo magnético y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se le enrolla alambre conductor previamente aislado. Cuando se le comunica al inducido un movimiento de rotación, los alambres conductores cortan las líneas de flujo magnético, por tanto, se induce en ellas una fem.

En la mayoría de los generadores de la corriente continua el inductor que produce el campo magnético es fijo y el inducido móvil.

BOBINA

Existen dos tipos de bobinas:

Bobina primaria: es la que está conectada a la fuente de voltaje de CA.

Bobina Secundaria: aquella donde la corriente es inducida.

Una bobina es un alambre enrollado en forma de espiral.

Fuerza eléctrica

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende de el valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2d = Distancia de separación entre las cargas

Fe = Fuerza eléctrica

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

Dirección de la fuerza eléctrica Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. 

Sentido de la fuerza eléctrica

El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

Fuerzas originadas por varias cargas sobre otra

Si se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.

CAMPO ELÉCTRICO

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.1 Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.

Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.

La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio (N/C), Voltio por metro (V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s−3·A−1 y la ecuación dimensional es MLT-3I-1

POTENCIAL ELÉCTRICO

El potencial eléctrico o potencial electrostático en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:

El potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz. Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca allí.

CAPACITANCIA

En electromagnetismo y electrónica, la capacitancia o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión matemática:

donde:

es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.

es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;

es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.

Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.

En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivandorespecto al tiempo la ecuación anterior.

Donde i representa la corriente eléctrica, medida en amperios.

CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 1 Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es elgalvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

CORRIENTE CONTINUA

La corriente continua se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de unconductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna , en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica).

También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va (por convenio) del polo positivo al negativo.1

Conversión de corriente alterna en continua o corriente directa

Rectificación de la tensión en corriente continua.

Muchos aparatos necesitan corriente continua para funcionar, sobre todos los que llevan electrónica (equipos audiovisuales, ordenadores, etc). para ello se utilizan fuentes de alimentación que rectifican y convierten la tensión a una adecuada.

Este proceso de rectificación, se realizaba antiguamente mediante dispositivos llamadosrectificadores, basados en el empleo de tubos de vacío y actualmente, de forma casi general incluso en usos de alta potencia, mediante diodos y además triodos semiconductores o pegelagartos.

CORRIENTE ALTERNA

Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, dealternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación sinusoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y deradio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

LEYES ELÉCTRICAS

LA LEY DE OHM

La Ley de Ohm establece que la intensidad que circula por un conductor, circuito o resistencia, es inversamente proporcional a la resistencia (R) y directamente proporcional a la tensión (E).

La ecuación matemática que describe esta relación es:

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.

Bajate este programita para sencillos calculos y pruebas de la ley de Ohm

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LA LEY DE COULOMB

La ley de Coulomb dice que la intensidad de la fuerza electroestática entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que a ellas las separa.

Charles Austin Coulomb en 1785 desarrollo un aparato que el llamo la barra de torsión , construidas con fibras que permitian un facil desplazamiento, en esta colocó esferas con diferentes cargas electricas.

Dichas mediciones permitieron determinar la ecuación de la ley de Coulomb:

F = es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (función de que las cargas sean positivas o negativas).

q = son las cargas sometidas al experimento.

Epsilon = permitividad.

ud = vector director que une las cargas q1 y q2.

d = distancia entre las cargas.

LEYES DE KIRCHHOFF

a) Ley de nodos o ley corrientes

En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Ficho de otra forma la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo.

Suma de corrientes entrantes = Suma de las corrientes salientes

I1 = I2 + I3

Un enunciado alternativo es, en todo nodo la suma algebraica de corrientes debe ser 0.

Ejemplo: Calcular la corriente desconocida del circuito:

Suma de corrientes entrantes = Suma de las corrientes salientes

7A = I2 + 4A

7A – 4A = I2

I2 = 3A

LEY DE MALLAS O LEY DE VOLTAJES

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión. Ficho de otra forma el voltaje aplicado a un circuito cerrado es igual a la suma de las caídas de voltaje en ese circuito.

Voltaje aplicado = Suma de caídas de voltaje

V = V1 + V2 + V3

Un enunciado alternativo es, en toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser 0.

Ejemplo: Calcular el voltaje desconocido del circuito:

Voltaje aplicado = Suma de caídas de voltaje

24V = 8V + 10V + V3

24V – 8V – 10V = V3

V3 = 6V

LEY DE WATT

La potencia eléctrica suministrada por un receptor es directamente proporcional a la tensión de la alimentación (V) del circuito y a la intensidad de corriente (I) que circule por él.

Donde:

P= Potencia en watt (W)

V= Tensión en volt (V)

I= Intensidad de corriente en ampere (A)

Watt es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades, su símbolo es W. Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s).

Expresado en unidades utilizadas en electricidad, el Watt es la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de 1 amperio (1 VA).

La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en Watt, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW).

EJEMPLOS DE APLICACIÓN:

1. ¿Cuál es la potencia consumida por un cautín de soldar por el cual circula una corriente de 0,16A (160mA) y está conectado a la red de 220V.

2. ¿Qué corriente circula por una lámpara de 100W, conectada a la red de 220V?

3. Encuentre el voltaje aplicado a una plancha de 1000W, que consume una corriente de 4,55A

LEY DE JOULE

Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, encuentra una dificultad que depende de cada material y que es lo que llamamos resistencia eléctrica, esto produce unas pérdidas de tensión y potencia, que a su vez den lugar a un calentamiento del conductor, a este fenómeno se lo conoce como efecto Joule. En definitiva, el efecto Joule provoca una pérdida de energía eléctrica, la cual se transforma en calor, estas pérdidas se valoran mediante la siguiente expresión:

Donde:

Pp = Potencia perdida en W

R= Resistencia del conductor en Ω

I= Intensidad de corriente en A

La resistencia que presenta un conductor es:

Donde:

ρ= Resistividad en ohm por metro (Ωm).

L= Longitud en metros (m).

A= Sección en metros cuadrados (m2).

La sección transversal del conductor es:

Donde:

d= diámetro del conductor

El conductor típicamente usado es el cobre, cuya resistividad es de 1,710-8 (Ωm).

Finalmente se calcula la energía perdida en calor como sigue:

Donde:

Q= Energía calórica en calorías

t= tiempo en segundo (s)

Este efecto es aprovechado en aparatos caloríficos, donde estas pérdidas se transforman en energía calorífica, que se expresa por la letra Q, y se mide en calorías.

CIRCUITOS ELÉCTRICOS 

1.- El circuito eléctrico elemental.

El circuito eléctrico es el recorrido preestablecido por por el que se desplazan las cargas eléctricas.

Circuito elemental

Las cargas eléctrica que constituyen una corriente eléctrica pasan de un punto que tiene mayor potencial eléctrico a otro que tiene un potencial inferior. Para mantener permanentemente esa diferencia de potencial, llamada también voltaje otensión entre los extremos de un conductor, se necesita un dispositivo llamado generador (pilas, baterías, dinamos, alternadores...) que tome las cargas que llegan a un extremo y las impulse hasta el otro. El flujo de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente eléctrica.

Se distinguen dos tipos de corrientes:

Corriente continua: Es aquella corriente en donde los electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd), y es generada por una pila o batería.

Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño. Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede acarrear daños irreversibles en el equipo.

Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA y en inglés por la de AC.

Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica.

El mecanismo que lo constituye es un elemento giratorio llamado rotor, accionado por una turbina el cual al girar en el interior de un campo magnético (masa), induce en sus terminales de salida un determinado voltaje. A este tipo de corriente se le conoce como corriente alterna (a).

Pilas y baterías:

Las pilas y las baterías son un tipo de generadores que se utilizan como fuentes de electricidad.

Las baterías, por medio de una reacción química producen, en su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga positiva).

Ahora si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del circuito al que está conectado. De esta manera se produce la corriente eléctrica.

Fuerza electromotriz de un generador:

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería.

Resumiendo, un generador se caracteriza por su fuerza electromotriz, fem, que es la energía que proporciona a la unidad de carga que circula por el conductor.

Fuerza electromotriz = energía/Carga fem= E/Q

La unidad de fuerza electromotriz en el SI es el voltio (V): 1 voltio = 1 julio / 1 culombio

Voltímetro:

La ddp y la fem se pueden medir conectando un voltímetro entre dos puntos de un circuito o entre los terminales de un generador. El voltímetro siempre se conecta en paralelo. La escala de un voltímetro viene expresada en voltios.

Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora.

En la actualidad existen dispositivos digitales que realizan la función del voltímetro presentando unas características de aislamiento bastante elevadas empleando complejos circuitos de aislamiento.

En la Figura se puede observar la conexión de un voltímetro (V) entre los puntos de a y b de un circuito, entre los que queremos medir su diferencia de potencial.

En algunos casos, para permitir la medida de tensiones superiores a las que soportarían los devanados y órganos mecánicos del aparato o los circuitos electrónicos en el caso de los digitales, se les dota de una resistencia de elevado valor colocada en serie con el voltímetro, de forma que solo le someta a una fracción de la tensión total.

Conexión de un voltímetro en un circuito

Asociación de pilas:

Asociación De Pilas En Serie 

Las pilas pueden conectarse en serie cualesquiera que sean las fuerzas electromotrices y la máxima corriente que cada una de ellas pueda suministrar. Evidentemente, al conectarlas en serie, las fuerzas electromotrices se suman, así como sus resistencias internas. Se puede notar que la pila equivalente al conjunto de las n pilas resulta con una f.e.m. mayor, pero, con una resistencia interna mayor, lo cual empeora la situación en este punto. Se debe considerar, además, la corriente máxima que puede suministrar cada una de ellas. La asociación serie sólo podrá suministrar la corriente de la pila que menos corriente es capaz suministrar.

pilas en serie

Asociación De Pilas En Paralelo 

Al conectar pilas en paralelo debe tenerse en cuenta que sean todas de la misma f.e.m., ya que, en caso contrario, fluiría corriente de la de más f.e.m. a la de menos, disipándose potencia en forma de calor en las resistencias internas, agotándolas rápidamente. Si todas ellas son del mismo voltaje el conjunto equivale a una sola pila de la misma tensión, pero con menor resistencia interna. Además, la corriente total que puede suministrar el conjunto es la suma de las corrientes de cada una de ellas, por concurrir en un nudo. La asociación en paralelo por tanto, podrá dar más corriente que una sola pila, o, dando la misma corriente, tardará más en descargarse.

pilas en paralelo

Si deseas obtener más información sobre la asociación de pilas pincha aquí.

2.- Intensidad de corriente.

La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los electrones.

Por tanto, definimos la intensidad de corriente eléctrica, I, como la cantidad de carga eléctrica que circula por una sección de un conductor en la unidad de tiempo.

Intensidad = carga/tiempo I= Q/t

Analogía hidráulica. El tubo del depósito "A", al tener un diámetro reducido, ofrece más resistencia a la salida del líquido que el tubo del tanque "B", que tiene mayor diámetro. Por tanto, el caudal o cantidad de agua que sale por el tubo "B" será mayor que la que sale por el tubo "A".

Mediante la representación de una analogía hidráulica se puede entender mejor este concepto. Si tenemos dos depósitos de líquido de igual capacidad, situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido del depósito que tiene el tubo de salida de menos diámetro será menor que el caudal que proporciona otro depósito con un tubo de salida de más ancho o diámetro, pues este último ofrece menos resistencia a la salida del líquido.

De la misma forma, una carga o consumidor que posea una resistencia de un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los electrones se dificulte igual que lo hace el tubo de menor diámetro en la analogía hidráulica, mientras que otro consumidor con menor resistencia (caso del tubo de mayor diámetro) dejará pasar mayor cantidad de electrones. La diferencia en la cantidad de líquido que sale por los tubos de los dos tanques del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad de electrones que pueden circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra con la resistencia que ofrece la carga o consumidor.

La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la letra ( I ) y su unidad de medida en el Sistema Internacional ( SI ) es el amper (llamado también “amperio”), que se identifica con la letra ( A ).

EL AMPER

De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente eléctrica en amper ( A ) que circula por un circuito está estrechamente relacionada con el voltaje o tensión ( V ) y la resistencia en ohm () de la carga o consumidor conectado al circuito.

Definición del amper

Un amper ( 1 A ) se define como la corriente que produce una tensión de un volt ( 1 V ), cuando se aplica a una resistencia de un ohm ( 1 ).

Un amper equivale una carga eléctrica de un coulomb por segundo ( 1C/seg ) circulando por un circuito eléctrico, o lo que es igual, 6 300 000 000 000 000 000 = ( 6,3 · 1017 ) (seis mil trescientos billones) de electrones por segundo fluyendo por el conductor de dicho circuito. Por tanto, la intensidad ( I ) de una corriente eléctrica equivale a la cantidad de carga eléctrica ( Q ) en coulomb que fluye por un circuito cerrado en una unidad de tiempo.

Los submúltiplos más utilizados del amper son los siguientes:

miliamper ( mA ) = 10-3 A = 0,001 amper

microamper ( mA ) = 10-6 A = 0, 000 000 1 amper

El amperímetro:

La medición de la corriente que fluye por un circuito cerrado se realiza por medio de un amperímetro o un miliamperímetro, según sea el caso, conectado en serie en el propio circuito eléctrico. Para medir amper se emplea el "amperímetro" y para medir milésimas de amper se emplea el miliamperímetro.

La intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado se puede medir por medio de un amperímetro conectado en serie con el circuito o mediante inducción electromagnética utilizando un amperímetro de gancho. Para medir intensidades bajas de corriente se puede utilizar también un multímetro que mida miliamper (mA).

El ampere como unidad de medida se utiliza, fundamentalmente, para medir la corriente que circula por circuitos eléctricos de fuerza en la industria, o en las redes eléctricas doméstica, mientras que los submúltiplos se emplean mayormente para medir corrientes de poca intensidad que circulan por los circuitos electrónicos.

3.- Resistencia.

La resistencia de un material es una medida que indica la facilidad con que una corriente eléctrica puede fluir a través de él.

La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección y varía con la temperatura.

Símbolos eléctricos

Medida de la resistencia. Ley de Ohm.

La resistencia de un conductor es el cociente entre la diferencia de potencial o voltaje que se le aplica y la intensidad de corriente que lo atraviesa

R= Va-Vb /I. Es la expresión matemática de la ley de Ohm.

La unidad de resistencia en el SI es el ohmio : 1 ohmio = 1 voltio / 1 amperio.

Un ohmio es la resistencia que opone un conductor al paso de la corriente cuando, al aplicar a sus extremos una diferencia de potencial de un voltio, deja pasar una intensidad de corriente de un amperio.

A partir de la ley de Ohm se puede calcular la diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia de la siguiente forma:

Va-Vb = I * R

Asociación de resistencias:

Serie: Es cuando las resistencias están una detrás de otra. La intensidad en cada resistencia son iguales.

VT = V1 + V2 + V3 + ...

RT = R1 + R2 + R3 + ...

Ejemplo:

RT = 5 + 3 + 10 = 18 IT = VCC / RT

VR1 = 5 x IT

VR2 = 3 x IT

VR3 = 10 x IT

Paralelo: Es cuando las entradas de cada resistencia están conectadas a un mismo punto y las de salida en otro. El voltaje de cada resistencia es igual al de la Vcc.

IT = IR1 + IR2 + IR3 + ...

RT = (1 / R1) + (1 / R2) + (1 / R3) + ...

Ejemplo:

RT = (1 / 5) + (1 / 3) + (1 / 10 ) = 1.57

RR1+R2 = (5 x 3) / (5 + 3) = 1.87

RT = (1.87 x 10) / (1.87 + 10) = 1.57

IT = Vcc / RT

IR1 = Vcc / 5

IR2 = Vcc / 3

IR3 = Vcc / 10

Pasos a seguir para resolver problemas aplicando la ley de Ohm:

Dibuja un esquema del circuito.

Halla la resistencia equivalente del circuito

Utiliza la expresión I = (Va-Vb)/ R o I = fem/R para calcular la intensidad del circuito principal

Aplica la ley de Ohm en las diferentes secciones del circuito.