LEYES ELÉCTRICAS

PRINCIPALES 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.

                            

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 permitan un fácil desplazamiento, en esta colocó esferas con diferentes cargas eléctricas.

                                

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.

                         

El efecto Joule.

Cuando la electricidad circula o pasa por un conductor o una resistencia, se produce un calor. A este calor producido se le denomina El efecto de Joule.

El físico James Prescott Joule en un experimento realizado con un calorímetro dictaminó que 1 Julio es igual a 0,24 calorías. Es decir, realizó un experimento sobre la energía (julio) transformada plenamente en calor (caloría).

Así tenemos que:

Donde:

Q= Calor.

E= Energía.

Esta fórmula, puesta de esta manera, poca utilidad le puede sacar un eléctrico. Pero si la combinamos con la potencia y el tiempo: E=P*t y P=R*I² tendremos una ecuación más útil para un eléctrico:

Donde:

Q= Calor.

R= Resistencia.

I= Intensidad.

t= Tiempo.

El calor específico.

Al calor específico se la llama a la cantidad de calor necesaria para aumentar 1°C la temperatura de 1 gramo de cualquier sustancia.

Existen multitud de tablas físicas donde salen los valores calóricos de multitud de sustancias. Aún así, os dejo la fórmula por si os falta el valor del calor específico:

Donde:

Q= Cantidad de calor.

m= Masa.

c= Calor específico.

Δt= Variación del tiempo.

Las leyes de Kirchhoff.

Cuando tenemos circuitos eléctricos con más de una pila o generador se tienen que aplicar las leyes de Kirchhoff para poder resolver el circuito. Existen dos leyes de Kirchhoff:

1. Ley de Kirchhoff.

Dice: "la suma de las intensidades que van hacia un nudo es igual a la suma de las intensidades que se alejan del mismo nudo."

¿Os acordáis de aquella máxima de física de que la suma de todas las fuerzas es igual a cero? Pues con la primera ley de Kirchhoff sucede exactamente lo mismo.

En este dibujo podemos observar que existen dos nudos: A y B.

En este gráfico se puede observar con más claridad. Tanto I₁ comoI₂ se acercan al nudo que llamamos A, sin embargo, I₃ se aleja del nudo. Así, que la primera ley de Kirchhoff será:

Nota: Con el nudo B sucedería a la inversa, es decir, la I₃ entra en el nudo B, mientras, que I₂ y I₁ salen del nudo B.

2. Ley de Kirchhoff.

Esta segunda ley de Kirchhoff hace referencia a las tensiones.

Aquí tenemos que explicar primero el concepto de malla. Y para ello nos vamos a servir del mismo dibujo de arriba:

En este dibujo podemos observar dos mallas:

1ª Malla. Es la que comprende los elementos: E₁, R₁, R₂ y E₂.

2ª Malla. Es la que comprende los elementos: E₂, R₂ y R_L.

Como podéis ver las mallas son como subcircuitos cerrados dentro del mismo circuito. Esto es importante saberlo y, sobretodo, saber identificar cada malla. Para ello, basta en señalar los nudos del circuito y seguir las corrientes que producen los generadores o pilas.

Pues bien, ahora que ya sabemos lo que es una malla podemos enunciar la segunda ley de Kirchhoff: "En una malla la suma de todas las diferencias de potencial es igual a cero".

En este dibujo observamos de que manera hemos resuelto las polaridades o los signos positivos y negativos. Este dato es importante hacerlo porque de otra manera no resolveriamos satisfactoriamente las ecuaciones. Para ello, hemos seguido la f.e.m. del propio generador o pila. Obtenemos la siguiente ecuación:

ELECTRICIDAD

                                 Origen de la carga eléctrica.

Todos los materiales están compuestos de átomos y estos, a su vez, de electrones, protones y neutrones.

1. En condiciones normales, el número de electrones es igual al de protones por lo que el material no tiene propiedades eléctricas. 

Q=Ne·qe+Np·qp=q·(Np-Ne)=0 q=|qe|=|qe|

2. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un 

protón o  neutrón. Por ello, asumiremos que los núcleos atómicos 

están en reposo y los electrones son los que pueden 

desplazarse.

3. Si bajo ciertas condiciones, se crea un exceso o defecto (hueco)

de electrones, el material adquiere carga y propiedades 

eléctricas: Q≠0

4. Unidades de Q: el culombio.

Tipos de materiales

Aislantes

• Los electrones están fuertemente unidos al núcleo atómico 

(orbitales muy localizados)

• Crear carga eléctrica supone un costo de energía elevadísimo

• Los electrones apenas pueden moverse de su zona de equilibrio y 

por ello, no se da el movimiento de carga eléctrica

• En los aislantes se observa únicamente la llamada Polarización

Metales (o conductores)

• Los electrones están débilmente unidos al núcleo atómico (orbitales 

deslocalizados) por lo que crear carga eléctrica es muy fácil.

• Los electrones (o huecos) pueden moverse por todo el material con 

gran facilidad

• El movimiento ordenado de la carga eléctrica (electrones o huecos 

en exceso) por el metal se denomina corriente eléctrica, I

La corriente eléctrica.

¿Cómo se consigue un movimiento ordenado de carga eléctrica en un 

metal? Aplicando un campo eléctrico sobre el metal

F=q·E

                                         

La carga positiva se moverá en el mismo sentido y dirección que las 

líneas de E. La carga negativa en sentido contrario.

Por convenio, se adopta como el sentido de I el mismo que el de las 

cargas positivas

Tipos de corrientes eléctricas

a. Continua: el valor y el sentido del movimiento de I no cambia (CC o 
“DC”). Polaridad constante.

b. Variable: alguna propiedad de I cambia con el tiempo
– Ejemplo: la corriente alterna (CA o “AC”), donde I cambia 
sinusoidalmente. Polaridad alterna

Definición de I: la cantidad de carga eléctrica que circula por con un 

metal en la unidad de tiempo

I=dQ/dt Si la corriente es continua, I = Q/ t

• Unidades de I: 1Amperio=1Culombio/1segundo 1A=1C/1s

• Medida de I: La corriente eléctrica que circula por un conductor se 

mide con un amperímetro (intercalado en medio del paso de la 

corriente)

• Densidad de corriente eléctrica, j: la cantidad de corriente eléctrica 

por unidad de sección del conductor

J=dI/dS Si la corriente es continua, J = I / S

La resistencia eléctrica, R

Movimiento real de la corriente eléctrica en un metal

1. En su movimiento por el metal, las cargas chocan con distintos 

obstáculos: imperfecciones o defectos cristalinos, núcleos atómicos, 

otras cargas, bordes del conductor, etc…

2. El número de colisiones limita y dificulta el paso libre de la corriente 

eléctrica

3. Según el mayor o menor número de colisiones, cada material 

conductor se resiste más o menos al paso de la corriente I.

4. Esta propiedad se denomina resistencia eléctrica, R

                                            

El potencial eléctrico, V

Durante el movimiento de la corriente eléctrica entre dos puntos x1 y x2, el campo eléctrico realiza un trabajo, WW = F·(x2- x1) = q·E·(x2- x1)
El trabajo necesario para transportar cada carga (o por unidad de carga) es el potencial eléctrico, VW/q = V2-V1 = E·(x2- x1)
Por ello, también se dice que una corriente eléctrica se mueve entre dos puntos debido a la existencia de una diferencia de potencial (o de tensión), ΔV= V2-V1
.
• Unidades de V: el Voltio (V) = 1 Julio/1 Culombio
• Medida de V: La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un 
conductor se mide con un voltímetro (conectado entre ambos puntos y 
paralelo al paso de la corriente)

                                       

CORRIENTE ELÉCTRICA CONTINUA

CORRIENTE DIRECTA O CONTINUA

 

La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica.

 

Fuentes suministradoras de corriente directa o continua. A la izquierda, una batería de las comúnmente utilizada en los coches y todo tipo de vehículo motorizado. A la derecha, pilas de amplio uso, lo mismo en linternas que en aparatos y dispositivos eléctricos y electrónicos.

Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas pues, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento.                                                                            El movimiento de las cargas eléctricas se asemeja al de las moléculas de un líquido, cuando al ser  impulsadas por una bomba circulan a través de la tubería de un circuito hidráulico cerrado. Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del circuito eléctrico. Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de “conductores”.

CORRIENTE ELÉCTRICA

El termino corriente eléctrica, o simplemente corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que pasa por alguna región de espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos domésticos funcionan con corriente alterna. En estas situaciones comunes, el flujo de carga fluye por un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre. Es posible también que existan corrientes fuera de un conductor. Por ejemplo, una haz de electrones en el tubo de imagen de una TV constituye una corriente.

2. Lámpara incandescente

En una lámpara incandescente, una corriente eléctrica fluye a través de un delgado hilo de volframio denominado filamento. La corriente lo calienta hasta alcanzar unos 3.000 ºC, lo que provoca que emita tanto calor como luz. La bombilla o foco debe estar rellena con un gas inerte para impedir que el filamento arda. Durante muchos años, las lámparas incandescentes se rellenaban con una mezcla de nitrógeno y argón. Desde hace un tiempocomenzó a utilizarse un gas poco común, el criptón, ya que permite que el filamento funcione a una temperatura mayor, lo que da como resultado una luz más brillante.

3. Definición de corriente eléctrica

Siempre que se mueven cargas eléctricas de igual signo se establece una corriente eléctrica. Para definir la corriente de manera más precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A, como en la figura 27.1. (Esta sería el área de la sección transversal de un alambre, por ejemplo.) La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si ΔQ es la cantidad de carga que pasa por esta αrea en un intervalo de tiempo Δt, la corriente promedio, Ipro, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo:

                                      

Fig. 27.1 Cargas en movimiento a través de un área A. La tasa de flujo de carga en el tiempo a través del área se define como la corriente I. la direcciónde a la cual la carga positiva fluiría si tuviera libertad de hacerlo. 

Si la tasa a la cual fluye la carga varía en el tiempo, la corriente también varía en el tiempo, y definimos a la corriente instantánea I como el límite diferencial de la ecuación:

La unidad de corriente del Sistema Internacional es el ampere (A).

Esto significa que 1ª de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el área de la superficie en 1s.

                                   

Fig. 27.2. Una sección de una conductor uniforme de área de sección transversal A. los portadores de carga se mueven con una velocidad vd y la distancia que recorren en un tiempo Δt esta dada por Δx = vdΔt. El número de portadores de cargas móviles en la sección de longitud Δx está dado por nAvdΔt , donde n es el nϊmero de portadores de carga móviles por unidad de volumen.
Las cargas que pasan por la superficie en la figura 27.1 pueden ser positivas negativas o de ambos signos. Es una convención dar a la corriente la misma dirección que la del flujo de carga positiva. En un conductor como el cobre la corriente se debe al movimiento de electrones cargados negativamente. Por lo tanto, cuando hablamos de corriente en un conductor ordinario, como un alambre de cobre, la dirección de la corriente es opuesta a la dirección del flujo de los electrones. Por otra parte, si se considera un haz de protones cargados positivamente en un acelerador, la corriente está en la dirección del movimiento de los protones. En algunos casos —gases y electrolitos, por ejemplo— la corriente es el resultado del flujo tanto de cargas positivas como negativas. Es común referirse a una carga en movimiento (ya sea positiva o negativa) como un portador de carga móvil. Por ejemplo, los portadores de carga en un metal son los electrones.
Es útil relacionar la corriente con el movimiento de partículas cargadas. Pan ilustrar este punto, considere la corriente en un conductor de área de sección transversal A (figura 27.2). El volumen de un elemento del conductor de longitud Δx (la regiσn sombreada en la figura 27.2) es A Δx. Si n representa el nϊmero de portadores de carga móvil por unidad de volumen, entonces el número de portadores de carga móvil en el elemento de volumen es nA Δ Por lo tanto, la carga ΔQ en este elemento es
ΔQ= Nϊmero de cargas x carga por partícula = (nA Δx)q
Donde q es la carga en cada partícula. Si los portadores de cargas se mueven con una velocidad vd la distancia que se mueven en un tiempo Δt es Δx = vdΔt. En consecuencia, podemos escribir Δq en la forma
ΔQ = (nAvdΔt)q
Si dividimos ambos lados de la ecuación por Δt, vemos que la corriente en el conductor está dada por