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CIENCIAS DE LA TIERRA ING. GEOCIENCIAS Métodos Eléctricos II - ELECTRODINAMICA

GRUPO : 13:00 – 14:00 PROFESOR: MIGUEL MARTINEZ FLORES ALUMNO: Álvarez García Orlando Karim N° de control: 14070179 Lunes 13 de marzo 2017

Corriente resistencia y fuerza electromotriz La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 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 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 Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios

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

Resistividad Se le denomina resistencia eléctrica a la oposición al flujo de electrones al moverse a través de un conductor.1 2 La

unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre. La resistencia de un conductor depende directamente de dicho coeficiente, además es directamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuye conforme aumenta su grosor o sección transversal).

Asociación de resistencias Resistencia equivalente Se denomina resistencia equivalente a la asociación respecto de dos puntos A y B, a aquella que conectada a la misma diferencia de potencial, UAB, demanda la misma intensidad, I. Esto significa que ante las mismas condiciones, la asociación y su resistencia equivalente disipan la misma potencia.

Asociación en serie Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación serie imaginaremos que ambas, figuras 4a) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial, UAB.

Asociación en paralelo

Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, UAB, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión, UAB.

Fuerza Electromotriz Representado fem, FEM es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo electrostático conservativo Ecs cuya circulación, define el voltaje inducido del generador:

El voltaje (también llamado diferencia de potencial o tensión) se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga negativa del polo negativo al positivo, dividido por el valor en culombios de dicha carga, esto es: julios/culombio. Normalmente se mide en voltios (V)

CIRCUITOS ELECTRICOS EN CORRIENTE CONTINUA Unidad de carga eléctrica. Los fenómenos eléctricos son debidos a la partícula del átomo llamada electrón. Como su valor de carga es tan pequeño se utiliza como unidad de carga eléctrica el Culombio (C) que equivale a la carga eléctrica de 6,25.1018 electrones. La definición actual de Culombio se deduce de la unidad de corriente eléctrica, el Amperio. Un Culombio es la cantidad de carga eléctrica que circula durante 1 segundo a través de una sección recta de un conductor cuya intensidad de corriente es 1 Amperio.

Ley de Coulomb

La fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas puntuales Q y Q’ es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, r, que las separa. F  K.

Q.Q' r2

Donde K es una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades elegido y de la naturaleza del medio. Si el medio es el vacío y la carga y distancia las tenemos en K  9.109.

unidades del S.I.

N .m 2 C2

Campo eléctrico, intensidad de campo La presencia de alguna carga eléctrica perturba el espacio que la rodea de tal forma que si en un punto cualquiera se coloca una nueva carga siempre se verá sometida a la acción de una fuerza atractiva o repulsiva causada por la primera. Cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen. Campo eléctrico es aquella región del espacio donde en cada uno de sus puntos existe una fuerza de origen electrostático debida a cargas eléctricas. El valor del campo eléctrico en un punto viene dado por la Intensidad de campo eléctrico. E .

F. Q'

La intensidad de campo eléctrico en un punto es el cociente entre la fuerza que actúa sobre una carga Q’ positiva situada en ese punto y el valor de esa carga.

Potencial eléctrico U, V. Diferencia de Potencial. Una carga Q’ situada en un punto cualquiera de un campo eléctrico posee energía potencial eléctrica. Esto nos permite definir una nueva magnitud, el potencial eléctrico, U. Potencial en un punto de un campo eléctrico es la energía potencial eléctrica que posee la unidad de carga positiva situada en ese punto. U

Ep Q'

La unidad del potencial en el sistema internacional es el Voltio (V) voltio =

Julio Culombio

En un punto de un campo eléctrico existe el potencial de 1 voltio cuando al colocar en él una carga positiva de 1 culombio adquiere la energía de 1 Julio.

Diferencia de Potencial Supongamos que una carga Q’ se desplaza desde un punto A (potencial Ua ) hasta el B (potencial Ub) la variación de energía que ha sufrido dicha carga vendría dada por la variación de la energía potencial entre el punto A y el B. EPa – EPb = Q’ . Ua - Q’ . Ub Esta energía eléctrica equivale a un trabajo, W, realizado por las fuerzas del campo eléctrico:

W = Q’ . (Ua - Ub ) De aquí se deduce la definición de diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico como el cociente que resulta de dividir el trabajo realizado al trasladarse una carga Q’ desde un punto a otro del campo entre el valor de dicha carga. A la diferencia de potencial se le puede llamar diferencia de tensión eléctrica o diferencia de voltaje. La diferencia de potencial se mide en voltios, la definición de voltio sería. Entre dos puntos de un campo eléctrico existe la diferencia de potencial de 1 voltio cuando al trasladar 1 culombio desde un punto a otro del campo se realiza un trabajo de 1 julio.

2.- Elementos de un circuito eléctrico Los conceptos anteriormente explicados se utilizan para el estudio de la electrostática, estudio de las cargas eléctricas estáticas, y de las cargas en movimiento. En los circuitos eléctricos de corriente continua las cargas eléctricas circulan a través de los conductores eléctricos, veamos cómo se aplican los conceptos anteriores a un circuito eléctrico. Un circuito eléctrico está formado por 5 tipos de componentes: 1. Generador, es el elemento que genera el campo eléctrico que hace mover las cargas. Es necesario que transforme una energía, mecánica, química,

lumínica, en energía eléctrica. Esta energía estará asociada a un campo eléctrico, pero la magnitud que se utiliza para medirla es el potencial eléctrico. 2. Receptor, son los elementos por los que circulan las cargas eléctricas, en los mismos la energía eléctrica se transforma en otro tipo de energía. La energía transformada vendrá dada por la expresión vista anteriormente: W = Q’ . (U a Ub ) 3. Conductores, son los elementos que unen generador y receptor. Si los consideramos ideales en todo el recorrido de un conductor el campo eléctrico es el mismo, lo que quiere decir que no hay diferencia de potencial entre dos extremos del mismo, en la práctica todo conductor está formado por un material de manera que su comportamiento no es ideal. 4. Elementos de maniobra. Permiten conectar y desconectar los elementos entre si, son los interruptores, conmutadores, etc. 5. Elementos de protección. Protegen la instalación ante posibles problemas como cortocircuitos o sobrecargas.

La diferencia de potencial se puede explicar utilizando el “símil hidráulico” Se llama potencial al “nivel” eléctrico de un cuerpo. Siguiendo con la analogía hidráulica, sería la altura que alcanza el agua en el depósito. Para medirlo habrá que tomar un nivel de referencia.

Si fijamos el nivel 0 en el potencial de los cuerpos neutros habrá potenciales positivos y negativos según el cuerpo esté cargado positiva o negativamente. El potencial se mide en Voltios (V). Lo que se mide son diferencias de potencial (ddp) entre cuerpos y se miden con el voltímetro. Para que haya corriente eléctrica tiene que haber diferencia de potencial (diferencia de alturas entre los depósitos). Cuando nos referimos a la diferencia de potencial entre dos puntos A y B lo notaremos como VAB , esto significa VA - VB siendo VA el potencial en el punto A y VB el potencial en el punto B.

3.- Magnitudes eléctricas de un circuito Potencial eléctrico (voltaje, tensión eléctrica) En el punto anterior hemos definido el potencial eléctrico o tensión o voltaje, como la energía potencial que posee una carga eléctrica en relación a su valor dentro de un campo eléctrico, se mide en voltios y es una magnitud de uso común en los circuitos eléctricos. Como magnitud de un circuito eléctrico nos interesarán las diferencias de potencial entre distintos partes de un circuito, pudiendo tomar el valor en un punto como referencia y medir valores de potencial respecto a ese punto.

En un circuito eléctrico los generadores proporcionan una diferencia de potencial que aplicada a los receptores hace mover las cargas eléctricas.

Corriente eléctrica Una corriente eléctrica es un desplazamiento de carga eléctrica a lo largo de un conductor cuyos extremos se encuentran a potenciales diferentes, la cantidad de carga eléctrica que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo se denomina Intensidad de corriente eléctrica I, la designaremos simplemente como Intensidad o corriente. I

Q' t

La unidad de medida es el Amperio que se define como la intensidad que circula por un conductor cuando por una sección pasa una carga de 1 culombio en cada segundo. En circuitos con pequeños valores de voltaje el amperio es una medida de intensidad muy grande por lo que es habitual emplear el miliamperio. 1 mA = 10-3 A. El amperio-hora Es una unidad de cantidad de electricidad o carga eléctrica. Representa la cantidad de electricidad que pasa durante una hora por un conductor cuando la intensidad de corriente es 1 amperio.

Es muy utilizada esta unidad en forma de submúltiplo mAh, para medir la capacidad de las baterías de ordenadores portátiles, móviles, etc. Densidad de corriente J Es la relación que existe entre la intensidad de corriente y la sección transversal, S, del conductor. J

I S

Se mide en A/m2

Se suele expresar más frecuentemente en A/mm2 y permite determinar la intensidad máxima que soporta un conductor dado el valor de sección. Ejemplo Un conductor de cobre de 15 mm2 soporta una densidad de corriente máxima de 6 A/mm2 , calcular la intensidad máxima que admite.

Resistencia eléctrica de un conductor. Ley de Ohm La ley de Ohm relaciona la intensidad y la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor, fue descubierta por Georg Simon Ohm en 1826. Matemáticamente podemos enunciar la ley de Ohm. I

U AB R

Llamamos R a la Resistencia del conductor, la unidad de medida es el Ohmio (Ω).

El múltiplo más usado es el Kiloohmio, 1KΩ = 1000 Ω. Un conductor ofrece una resistencia de 1 ohmio cuando al establecer entre sus extremos la diferencia de potencial de 1 voltio circula por él una corriente de 1 amperio de intensidad.

Resistencia y resistividad Experimentalmente se comprueba que la resistencia de un conductor depende de su longitud l, sección S, y de la naturaleza del conductor, de manera que podemos expresar la resistencia de un conductor como: R

l . S

R Resistencia (Ω)

l longitud (m)

S sección

2

(m ) La resistividad ρ es una constante de cada material, se puede expresar en Ω.m pero es más habitual en electrotecnia hacerlo en Ω.mm2 /m.

Ma terial

(en (Ω·m)

Resistividad 20 °C-25 °C)

Pla

1,55 x 10-8

Co

1,71 x 10-8

Or

2,22 x 10-8

Alu

2,82 x 10-8

ta bre o

minio Hie

9,71 x 10-8

Ac

72,00 x 10-8

rro ero inoxidabl e Gr

60,00 x 10-8

afito

Conductividad La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad de un material o sustancia para dejar pasar la corriente eléctrica a través de él.1 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. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material, y de la temperatura.

Los mecanismos de conductividad difieren entre los tres estados de la materia. Por ejemplo en los sólidos los átomos como tal no son libres de moverse y la conductividad se debe a los electrones. En los metales existen electrones cuasilibres que se pueden mover muy libremente por todo el volumen, en cambio en los aislantes, muchos de ellos son sólidos iónicos.