1.1.  Introducción a la electricidad

La electricidad (del griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas elétricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos. Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos.

También se denomina electricidad a 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 en una de sus manifestaciones naturales: el relámpago.

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). También hay partículas elementales cargadas que en condiciones normales no son estables, por lo que se manifiestan sólo en determinados procesos como los rayos cósmicos y las desintegraciones radiactivas.

La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de un mismo fenómeno físico, denominado electromagnetismo, descrito matemáticamente por las ecuaciones de Maxwell. El movimiento de una carga eléctrica produce un campo magnético, la variación de un campo magnético produce un campo eléctrico y el movimiento acelerado de cargas eléctricas genera ondas electromagnéticas (como en las descargas de rayos que pueden escucharse en los receptores de radio AM).

Debido a las crecientes aplicaciones de la electricidad como vector energético, como base de las telecomunicaciones y para el procesamiento de información, uno de los principales desafíos contemporáneos es generarla de modo más eficiente y con el mínimo impacto ambiental.

1.2. Conceptos de magnitudes eléctricas

Magnitud: Es una propiedad medible de un objeto o suceso.

Propiedad medible: se le puede asignar un valor numérico

Basado en la experimentación.

Ej.: tiempo, masa, carga, corriente, tensión, potencia ...

Valor de una magnitud: es el producto de un valor numérico y

de una unidad.Unidad es una cantidad conocida del mismo tipo

que se toma como referencia.

Magnitudes eléctricas fundamentales:

Carga, campo eléctrico, corriente, tensión, potencia

Carga eléctrica Las Cargas eléctricas pueden ser negativas o positivas. Se consideran como cargas positivas los protones y como negativas los electrones, ambos componentes del átomo. Las cargas de igual signo se repelen, mientras que las de signos opuestos se atraen con una fuerza dada por la expresión:

 F= 9 * 10⁹ *q1*q2/D²;                     [Newton] (1)
donde:
q1, q2 – cargas eléctricas [Coulomb]
d- distancia entre las cargas [metros]
La carga eléctrica puede ser comparada con el volumen del líquido en un sistema hidráulico, o con el desplazamiento en un sistema mecánico.

Corriente eléctrica Si a través de la sección de un conductor circula un infinitesimal de carga dq Coulomb durante un infinitesimal de tiempo dt segundos, la cantidad de electricidad que pasa a través de dicha sección del conductor durante ese infinitesimal de tiempo se denomina Corriente eléctrica y se expresa cuantitativamente como:
i= dq/dt ;                                       [Ampere] (2)
Se dice que circula una corriente de un Ampere de intensidad a través de un conductor eléctrico, cuando las cargas en el mismo se mueven a razón de un Coulomb por segundo.
El símil de la corriente eléctrica en un sistema hidráulico es el gasto y en un sistema mecánico la velocidad.

Campo eléctrico La fuerza de atracción o repulsión F entre cargas eléctricas dada por la expresión (1) se produce a causa de la influencia que cada una ejerce en su propia vecindad. Tal influencia, que se manifiesta en forma de un campo de fuerza, se denomina campo eléctrico. El campo eléctrico es inherente a la naturaleza de las cargas y es independiente de sus movimientos.
Las cargas eléctricas pueden encontrarse en estado de reposo o en movimiento. El comportamiento de las cargas en reposo es menos importante a los fines de nuestro estudio que el de las cargas en movimiento puesto que solamente estas últimas son capaces de transferir energía.

Campo magnético Cuando a través de un conductor circula una corriente eléctrica, en las cercanías de éste aparece un nuevo campo de fuerza, denominado campo magnético, o sea, el campo magnético es engendrado solamente por cargas en movimiento. Este campo es capaz de ejercer influencia sobre otros cuerpos de material ferromagnético u otros elementos conductores de corriente.
Ambos campos, el eléctrico y el magnético, aparecen simultáneamente.

Diferencia de potencial La transferencia o cambios de energía acompañan al movimiento de las cargas eléctricas. La Diferencia de potencial, la cual designaremos con v, entre los puntos 1 y 2 de un circuito, es el trabajo o energía asociada con la transferencia de un Coulomb (una unidad de carga positiva) desde un punto hasta otro.
La unidad en el sistema MKS utilizada para medir el trabajo o energía por unidad de carga se denomina volt (V), por tanto:
V= J/q;                                          [Volt] (3)
donde:
J [Joule], energía asociada con la transferencia de la unidad de carga positiva q entre los puntos considerados.
q [Coulomb], unidad de carga positiva.
El voltaje puede ser comparado con la fuerza en un sistema mecánico y con la presión en un sistema hidráulico.

Subida de potencial Cuando se realiza trabajo sobre la unidad de carga, y como consecuencia, su energía potencial aumenta al ir desde el punto 1 hacia el 2, se dice que existe una subida de potencial (o de voltaje) en la dirección de 1 a 2.

Caída de potencial Contrario a lo anterior, si la unidad de carga positiva pierde energía potencial al ir desde 2 a 1 se dice que existe una caída de potencial en la dirección de 2 a 1.
Cuando existen varias trayectorias posibles de recorrido para la unidad de carga positiva entre los puntos 1 y 2, las afirmaciones anteriormente realizadas se cumplen, independientemente de la trayectoria que se escoja.

Fuerza electromotriz Cuando una diferencia de potencial se encuentre asociada con una fuente de energía eléctrica, por ejemplo, asociada con la conversión de energía en una batería en la cual, la energía química se convierte en energía eléctrica, se denomina fuerza electromotriz, abreviadamente fem.  Potencia A la razón de cambio de la energía J con respecto al tiempo se le denomina Potencia, y su unidad de medida en el sistema MKS es el Watt o joule por segundo, es decir:
p= dJ/dt;                                        [Watt] (4)
Resolviendo para J en la ecuación (3), y sustituyendo el resultado en (4) se obtiene:
p=v  dq/dt                                                (5)
Ahora, teniendo en cuenta lo planteado en (2)
p=v i                                                        (6)
En la práctica tanto los voltajes como las corrientes son funciones del tiempo.

1.3 circuito electrico

·         1.4. Medición de magnitudes eléctricas.
MEDICIÓN DE RESISTENCIA ELECTRICA: Se pueden dar tres condiciones: continuidad, resistencia de un artefacto o resistencia de aislamiento.

·          a) Continuidad de un cable, se realiza sin energía, se verifica si no está cortado, presenta una resistencia muy baja.

·         b) Resistencia de un artefacto, indica las características que dependen del material (Motor, lámpara, plancha, etc.

·         c) Resistencia de aislamiento. Se produce entre un borne de alimentación y la carcaza de un equipo, presenta una resistencia muy alta.

·         3) MEDICIÓN DE INTENSIDAD DE CORRIENTE La intensidad de corriente eléctrica indica el flujo de corriente, semejante a la circulación de agua por una manguera. Se produce cuando ponemos en marcha un artefacto, ya sea una lámpara, un motor o un equipo electrónico.

·          Para realizar estas mediciones utilizamos un instrumento conocido como TEXTER. Para el punto 1 en escala de voltímetro. Para el punto 2 en escala de metro. Para el punto 3 en escala de amperímetro, o una pinza amperométrica, que es más práctica porque podemos medir sin interrumpir el circuito.

1.5. Conceptos básicos de las leyes Ohm,
Kirchhoff, Lenz, Faraday y Watts.

LEY DE OHM

La corriente continua es un movimiento de electrones. Cuando los electrones circulan por un conductor, encuentran una cierta dificultad al moverse. A esta "dificultad" la llamamos Resistencia eléctrica.

La resistencia eléctrica de un conductor depende de tres factores relacionados bajo la siguiente ecuación:

La resistividad depende de las características del material del que está hecho el conductor.

La ley de Ohm relaciona el valor de la resistencia de un conductor con la intensidad de corriente que lo atraviesa y con la diferencia de potencial entre sus extremos. En el gráfico vemos un circuito con una resistencia y una pila. Observamos un amperímetro que nos medirá la intensidad de corriente, I. El voltaje que proporciona la pila V, expresado en voltios,  la intensidad de corriente, medido en amperios, y el valor de la resistencia en ohmios, se relacionan por la ley de Ohm, que aparece en el centro del circuito.
                  

Con la Ley de Ohm, podemos apreciar las siguientes magnitudes:

  * "La intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia en todos los circuitos o elementos eléctricos".

  * “La caída de tensión o diferencia de potencial, es directamente proporcional al producto de la corriente eléctrica a través del circuito por el valor de la resistencia eléctrica del mismo.

  * “La resistencia eléctrica, es directamente proporcional a la caída de tensión en un circuito o un elemento e inversamente proporcional a la corriente eléctrica a través de él.

Leyes  de Kirchhoff

Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que:

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

Esta fórmula es válida también para circuitos complejos:

La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en couloumbs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos

Esta ley es llamada también Segunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff o ley de mallas de Kirchhoff y es común que se use la sigla LVK para referirse a esta ley.

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.

De igual manera que con la corriente, los voltajes también pueden ser complejos, así:

Esta ley se basa en la conservación de un campo potencial de energía. Dado una diferencia de potencial, una carga que ha completado un lazo cerrado no gana o pierde energía al regresar al potencial inicial.

Esta ley es cierta incluso cuando hay resistencia en el circuito. La validez de esta ley puede explicarse al considerar que una carga no regresa a su punto de partida, debido a la disipación de energía. Una carga simplemente terminará en el terminal negativo, en vez de en el positiva. Esto significa que toda la energía dada por la diferencia de potencial ha sido completamente consumida por la resistencia, la cual la transformaraá en calor.

En resumen, la ley de tensión de Kirchhoff no tiene nada que ver con la ganancia o pérdida de energía de los componentes electrónicos (Resistores, capacitores, etc. ). Es una ley que está relacionada con el campo potencial generado por fuentes de tensión. En este campo potencial, sin importar que componentes electrónicos estén presentes, la ganancia o pérdida de la energía dada por el campo potencial debe ser cero cuando una carga completa un lazo.

[editar]Campo eléctrico y potencial eléctrico

La ley de tensión de Kirchhoff puede verse como una consecuencia del principio de la conservación de la energía. Considerando ese potencial eléctrico se define como una integral de línea, sobre un campo eléctrico, la ley de tensión de Kirchhoff puede expresarse como:

Que dice que la integral de línea del campo eléctrico alrededor de un lazo cerrado es cero.

Para regresar a una forma más especial, esta integral puede "partirse" para conseguir el voltaje de un componente en específico.

Ley de Lenz

Ley: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce".

La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.

El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

donde:

§   = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).

§   = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).

§   = Superficie del conductor.

§   = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:

En este caso la Ley de Faraday afirma que la V_ε inducido en cada instante tiene por valor:

§  V_ε 

Donde V_ε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.

Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834.

Ley de Faraday

La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducidoen un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:¹

En resumen: "La cantidad de sustancia que se oxida o se reduce en los electrodos de una cuba electrolítica es proporcional a la cantidad de electricidad depositada"

Donde   es el campo eléctrico,   es el elemento infinitesimal del contorno C,   es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de   están dadas por la regla de la mano derecha.

La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:

Donde V_ε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.

Ley de watts

Enunciado:

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

Ecuación:

P = V . I

En donde:

P = potencia en Vatios
V = Tensión en voltios
I = Intensidad

Vatio:

El vatio o 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) y es una de lasunidades derivadas.

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

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 CV (caballos de vapor).