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Índice General
Electricidad....................................................................................................................... 2
I. Ley de Coulomb ................................................................................................... 3
II. Campo Eléctrico ................................................................................................... 4
III.
Potencial Eléctrico............................................................................................ 5
IV.
Resistividad ...................................................................................................... 6
V. Corriente Eléctrica................................................................................................ 7
VI.
Conductividad Eléctrica ................................................................................... 8
VII. Ley de Ohm ...................................................................................................... 9
VIII. Efecto Joule .................................................................................................... 10
IX.
Ley de Watt .................................................................................................... 11
X. Corriente Alterna ................................................................................................ 12
XI.
Corriente Continua ......................................................................................... 13
XII. Leyes de Kirchhoff ......................................................................................... 14
•
Ley de corrientes de Kirchhoff....................................................................... 14
•
Ley de tensiones de Kirchhoff........................................................................ 15
Magnetismo .................................................................................................................... 16
XIII. Campo magnético ........................................................................................... 17
I. Electromagnetismo ............................................................................................. 18
II. Autoinducción .................................................................................................... 19
III.
Ley de Faraday ............................................................................................... 19
IV.
Dipolo Magnético ........................................................................................... 20
V. Ferromagnetismo ................................................................................................ 21
VI.
Paramagnetismo ............................................................................................. 21
VII. Diamagnetismo............................................................................................... 22
Bibliografía..................................................................................................................... 23
Daniel Ulloa
Tecnología de Control
16/04/2012
Electricidad
Es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta
en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Es la rama de la
física que estudia las leyes que rigen el fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa
en aplicaciones prácticas. Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir
corrientes eléctricas por inducción —fenómeno que permite transformar energía
mecánica en energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía más
importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y
distribución y a su gran número de aplicaciones.
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las
interacciones entre ellas. Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se
ejercen entre ellas fuerzas electrostáticas. Cuando las cargas eléctricas están en
movimiento relativo se ejercen también fuerzas magnéticas. Se conocen dos tipos de
cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que conforman la materia contienen
partículas subatómicas positivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones).
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Daniel Ulloa
I.
Tecnología de Control
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Ley de Coulomb
La ley de Coulomb establece que la presencia de una carga puntual general induce en
todo el espacio la aparición de un campo de fuerzas que decae según la ley de la inversa
del cuadrado. La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos
cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de
ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Dadas dos cargas puntuales y
separadas una distancia en el vacío, se atraen o
repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por:
F =k
q1 * q 2
r2
Donde:
F: Fuerza eléctrica, en Newton.
N * m2
k: 9.10 9
C2
q: Carga eléctrica, en Coulomb.
r: Distancia, en Metros.
La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay
movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a
velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada
fuerza electrostática.
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II.
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Campo Eléctrico
El campo eléctrico es una perturbación que modifica el espacio que lo rodea, dicho
campo puede provenir, por ejemplo, de una carga eléctrica puntual. Se considera un ente
físico no visible, pero si medible, y se lo modeliza matemáticamente como el vector
campo eléctrico, que se define como la relación entre la Fuerza que experimenta una
carga testigo y el valor de la carga testigo (una carga testigo positiva).
Matemáticamente 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:
r
r
F = q*E
Donde:
: Fuerza eléctrica
: Carga
r
E : Campo eléctrico
La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio (N/C) o también Voltio
por metro (V/m).
Partiendo de la ley de Coulomb que expresa que la fuerza entre dos cargas en reposo
relativo depende del cuadrado de la distancia, matemáticamente es igual a:
F12 = k
q1 * q 2
r 12
r 2 12
Donde:
q1 y q2: las cargas que interactúan
r: distancia entre cargas
N * m2
k: 9.10 9
C2
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III.
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Potencial Eléctrico
Es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde el
infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Es el trabajo
necesario por unidad de carga. Matemáticamente se expresa por:
V=
W
q
Donde:
V: Potencial Eléctrico, en Voltios
W: Trabajo, en Joule
q: Carga Eléctrica, en Coulomb
Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una
superficie equipotencial. La unidad del sistema internacional es el Voltio (V).
Nuevamente, a partir de la ley de Coulomb podemos establecer que el trabajo necesario
para traer una carga q 0 desde el infinito hasta la distancia r de Q será:
W =k
Qq 0
r
Y para determinar el potencial eléctrico aplicamos:
V =k
Q
r
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IV.
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Resistividad
La resistividad es la resistencia eléctrica específica de un material. Se designa por la
letra griega Rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω•m).
Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica,
por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad
indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen
conductor.
Material
Resistividad (20ºC | Ω *m)
Plata
1,55x 10
Cobre
1,71x 10
Oro
2,22x 10
Aluminio
2,82x 10
Wolframio
5,65x 10
Níquel
6,40x 10
Hierro
9,71x 10
Platino
10,6x 10
Estaño
11,5x 10
Grafito
60,00x 10
Acero Inox.
72,00x 10
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−8
−8
−8
−8
−8
−8
−8
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−8
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V.
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Corriente Eléctrica
La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre
un material. Se debe al movimiento de los 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.
Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el
paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el
material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado.
Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta
desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de
un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del
alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:
I=
q
t
Donde:
I: Corriente Eléctrica en Amper [A]
q: Carga eléctrica en Coulomb [C]
t: Tiempo en segundos [s]
En la imagen podemos observar el sentido de la corriente eléctrica (protones) y el flujo
de electrones
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VI.
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Conductividad Eléctrica
es una medida de la capacidad de un material de dejar pasar la corriente eléctrica, su
aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de
la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores
porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles y esto permite
su movimiento.
1
S
m
ρ
−1 −1
(Siemens por metro) o Ω m . Usualmente la magnitud de la conductividad ( σ ) es la
proporcionalidad entre el campo eléctrico E y la densidad de corriente de
conducción J :
La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto σ =
, y su unidad es el
J = σE
No debe confundirse con la conductancia (G) que es la facilidad de un objeto o circuito
para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la
resistencia:
G=
1
R
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VII.
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Ley de Ohm
El físico Georg Simón Ohm dictaminó: la corriente que circula por un circuito eléctrico
cerrado, es directamente proporcional a la tensión que tiene aplicada, e inversamente
proporcional a la resistencia que ofrece a su paso la carga que tiene conectada.
Su expresión es:
I=
V
R
Donde:
I: es la intensidad en Amper [A].
V: es la tensión en Volt [V].
R: es la resistencia en Ohm [ Ω ].
Es evidente que teniendo dos de las tres magnitudes podemos averiguar la tercera con
facilidad. En honor al físico, la unidad de la resistencia es el Ohm.
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VIII. Efecto Joule
Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula
corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor
debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que
circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el
físico británico James Prescott Joule.
Q = I 2 * R *t
Donde:
Q: Energía disipada en Joule [J].
I: Corriente Eléctrica en Amper [A]
R: Resistencia en Ohm [ Ω ]
t: Tiempo en Segundos [s]
Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o
moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o
de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones
son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido
atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan
con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de
calor.
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IX.
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Ley de Watt
El vatio (en inglés y también en español: watt) es la unidad de potencia del Sistema
Internacional de Unidades. Su símbolo es W. Es el equivalente a 1 julio sobre segundo
(1 J/s). Expresado en unidades utilizadas en electricidad, un vatio es la potencia
eléctrica producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica
de 1 amperio (1 voltiamperio).
La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en vatios, si son de poca
potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW) que
equivale a 1000 vatios. Un kW equivale a 1,35984 caballos de vapor.
La potencia eléctrica suministrada es directamente proporcional a la tensión de la
alimentación (V) del circuito y a la intensidad (I) que circula por él.
W =V *I
En donde:
P: Potencia en Watts [W]
V: Tensión en voltios [V]
I: Intensidad en Amper [A]
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X.
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Corriente Alterna
Se denomina corriente alterna 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, 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 de radio 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.
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XI.
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Corriente Continua
La corriente continua es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre
dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna en la corriente
continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los
terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque
comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo
la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la
misma polaridad. También cuando los electrones se mueven siempre en el mismo
sentido, el flujo se denomina corriente continua y va del polo positivo al negativo.
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XII.
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Leyes de Kirchhoff
Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía
y la carga en los circuitos eléctricos. Fueron descritas por primera vez en 1845 por
Gustav Kirchhoff.
• Ley de corrientes de Kirchhoff
En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma
de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que
pasan por el nodo es igual a cero
En este dibujo podemos observar que existen dos nudos: A y B.
En este gráfico se puede observar con más claridad. Tanto I1 como I2 se acercan al
nudo que llamamos A, sin embargo, I3 se aleja del nudo. Así, que la primera ley de
Kirchhoff será:
I 3 = I1 + I 2
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• Ley de tensiones de Kirchhoff
En un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total
suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial
eléctrico en un lazo es igual a cero.
Podemos observar que la suma de las caídas de tensión es igual a la tensión de entrada.
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Magnetismo
El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de
atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han
presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro,
cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los
materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo
magnético.
Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán. Ordinariamente, innumerables
electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero
en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando
una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que
estén orientados.
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XIII. Campo magnético
El campo magnético representa una región del espacio en la que una carga eléctrica
puntual de valor q, que se desplaza a una velocidad , experimenta los efectos de una
fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así,
dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación.
F = qv * B
Donde F es la fuerza, en Newton, v es la velocidad, en m/s, y B el campo magnético, en
Tesla, también llamado inducción magnética. El tesla (símbolo T), es la unidad de
inducción magnética (o densidad de flujo magnético) del Sistema Internacional de
Unidades (SI). Se define como una inducción magnética uniforme que, repartida
normalmente sobre una superficie de un metro cuadrado, produce a través de esta
superficie un flujo magnético total de un Weber.
1T =
1Wb
1m 2
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I.
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Electromagnetismo
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y
predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales
dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe
los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en
reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos
sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es
decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes
respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos
atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.
El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas
fundamentales del universo actualmente conocido.
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II.
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Autoinducción
Es un fenómeno por el cual en un circuito eléctrico una corriente eléctrica variable en el
tiempo genera otra fuerza electromotriz o voltaje inducido, que se opone al flujo de la
corriente inicial inductora, es decir, tiene sentido contrario. El fenómeno de
autoinducción surge cuando el inductor y el inducido constituyen el mismo elemento.
Cuando por un circuito circula una corriente eléctrica, alrededor se crea un campo
magnético. Si varía la corriente, dicho campo también varía y, según la ley de inducción
electromagnética, de Faraday, en el circuito se produce una fuerza electromotriz o
voltaje inducido, denominado fuerza electromotriz autoinducida.
III.
Ley de Faraday
La Ley de inducción electromagnética de Faraday se basa en los experimentos que
Michael Faraday realizó en 1831 y establece que la magnitud de la f.e.m generada en
una espira es proporcional a la rapidez de variación del flujo magnético en la unidad de
tiempo. Quiere decir que, cuanto mayor sea la cantidad de líneas de fuerza cortadas por
la espira y mas rápido sea el movimiento, mayor es la magnitud de f.e.m inducida. Su
expresión matemática es:
fem = −
∆Φ
∆t
Siendo:
∆Φ : Variación de flujo magnético
∆t : Variación de tiempo
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IV.
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Dipolo Magnético
Un dipolo magnético es una aproximación que se hace al campo generado por un
circuito cuando la distancia al circuito es mucho mayor a las dimensiones del mismo. El
campo magnético terrestre también puede ser aproximado por un dipolo magnético,
aunque su origen posiblemente sea bastante más complejo.
Se llama interacción magnética dipolar a la interacción entre dos momentos magnéticos.
Los polos opuestos se atraen y los del mismo signo se repelen. Un imán en la vida
cotidiana, o en general un momento magnético, genera líneas de campo, que salen de su
polo positivo y acaban en su polo negativo. Estas líneas indican la posición
energéticamente más favorable en la que se dispondrá otro imán (o momento
magnético).
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V.
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Ferromagnetismo
El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento
magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y
sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. El
efecto ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.
Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados
por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos
los momentos magnéticos están alineados.
VI.
Paramagnetismo
El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres a alinearse
paralelamente a un campo magnético. Cuando no existe ningún campo magnético
externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo
magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo. En el paramagnetismo
puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento magnético, y no hay
interacción entre ellos.
Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los
imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el
campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está
favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materiales
atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente
magnetizados. Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio
y wolframio.
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VII.
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Diamagnetismo
El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en ser repelidos por
los imanes. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por
los imanes. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera
vez en septiembre de 1845 por Michael Faraday cuando vio un trozo de bismuto que era
repelido por un polo cualquiera de un imán; lo que indica que el campo externo del
imán induce un dipolo magnético en el bismuto de sentido opuesto.
Algunos ejemplos de materiales diamagnéticos son: el bismuto metálico, el hidrógeno,
el helio y los demás gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio, el
germanio, el grafito, el bronce y el azufre.
Lamina de grafito levitando debido al campo magnético producido por los imanes de la
base.
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Bibliografía
Principios de Electricidad y Electrónica II. Antonio Hermosa Donate. Editorial
Marcombo. ISBN: 84-267-1216-9.
www.unicrom.com
es.wikipedia.org
www.electronicafacil.net
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