31 Ago
Conceptos Fundamentales de la Materia y la Electricidad
¿Qué es la Materia?
La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee una energía medible y está sujeta a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medición.
¿Qué es una Molécula?
Se denomina molécula a un conjunto de al menos dos átomos enlazados covalentemente que forman un sistema estable y eléctricamente neutro.
Factores de la Fuerza Eléctrica: Atracción y Repulsión
Los dos factores que determinan la intensidad de la fuerza de atracción o repulsión son: la carga eléctrica y la distancia entre dichas cargas.
La Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb establece que 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, y tiene la dirección de la línea que las une.
- La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo.
- La fuerza es de atracción si son de signo contrario.
La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.
Aisladores Comunes y sus Aplicaciones
Los aisladores son materiales que impiden o dificultan el paso de la corriente eléctrica. Algunos ejemplos comunes incluyen:
- Sólidos: vidrio, cerámica, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico, y baquelita.
- Gases (dieléctricos): aire, nitrógeno y hexafluoruro de azufre.
Producción de Electricidad: Métodos y Tecnologías
¿Cómo se produce la electricidad y cuáles son las principales formas de generación?
En la actualidad, la mayor parte de la energía eléctrica del mundo se produce de diversas maneras, siendo las principales:
- Combustibles fósiles
- Fisión nuclear
- Energía hidráulica (agua)
- Energía eólica (viento)
Generación Mediante Combustibles Fósiles
La electricidad se genera cuando las paletas de una turbina se mueven gracias a grandes cantidades de vapor. Este vapor se produce calentando miles de litros de agua en hornos gigantes mediante la quema de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas natural. El vapor se dirige con fuerza hacia las paletas de la turbina, impulsándolas. Sin embargo, este método libera grandes cantidades de dióxido de carbono, lo que contamina el aire y el medio ambiente considerablemente.
Generación con Agua (Energía Hidráulica)
Mediante el agua controlada en una represa, la electricidad se produce de forma muy similar. Las represas cumplen dos propósitos principales: controlar grandes volúmenes de agua y producir corriente eléctrica. Al regular el paso del agua que fluye a través de un río, se pueden dirigir fuertes chorros de agua con presión que mueven las turbinas, generando así la electricidad.
Generación con Viento (Energía Eólica)
Es posible generar energía eléctrica a partir de la energía eólica, aprovechando la fuerza del viento. Grandes generadores de energía eólica, como los molinos de viento y los aerogeneradores, se utilizan para movilizar enormes turbinas que convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica.
Generación Mediante Fisión Nuclear
En la fisión nuclear, se produce una reacción en cadena al bombardear uranio con neutrones, lo que provoca su división. Cada división libera más neutrones, manteniendo la reacción. Esta reacción genera una gran cantidad de calor, que se utiliza para calentar agua y producir vapor. Este vapor, al igual que en la generación por combustibles fósiles, mueve las turbinas generadoras para producir electricidad.
Movimiento de Electrones y Corriente Eléctrica
Cuando los electrones libres se mueven en la misma dirección, producen corriente eléctrica.
Velocidad de Propagación de la Energía Eléctrica
El impulso de la energía eléctrica se transfiere a través de la línea de átomos a una velocidad de 300 000 kilómetros por segundo (aproximadamente la velocidad de la luz en el vacío).
Diferencia de Potencial: Potencial Eléctrico o Voltaje
Cuando dos cargas tienen una diferencia de potencial, la fuerza eléctrica resultante se denomina potencial eléctrico o voltaje.
Leyes Fundamentales del Magnetismo
¿Cuáles son las leyes que rigen los efectos magnéticos?
Las principales leyes que rigen los efectos magnéticos son:
- Ley de Lorentz
- Ley de Gauss para el magnetismo
- Ley de los Polos de un imán
- Ley de inseparabilidad de los polos magnéticos
Generación de Campos Magnéticos Intensos: El Solenoide
Para producir un campo magnético intenso, se utiliza una bobina devanada helicoidalmente, conocida como solenoide.
Origen de los Campos Magnéticos
La existencia de un campo magnético se debe a dos causas principales:
- Cualquier carga eléctrica en movimiento.
- El momento magnético intrínseco de las partículas elementales, asociado con su espín.
Polos Magnéticos
Las regiones donde se concentran las propiedades de atracción o repulsión magnética reciben el nombre de polos.
Densidad de Flujo Magnético (β)
La influencia del campo magnético se manifiesta definiendo una cantidad vectorial β, llamada densidad de flujo magnético.
Campo Magnético de una Corriente Rectilínea Indefinida
¿Cuál es el campo magnético creado por una corriente rectilínea indefinida?
Fórmula del Campo Magnético para una Espira
La fórmula utilizada para calcular el campo magnético (B) en el centro de una espira es:
B = μ I / 2 r
- B: Densidad de flujo magnético
- μ: Permeabilidad magnética
- I: Corriente que circula
- r: Radio de la espira
Fórmula del Campo Magnético para un Solenoide
La fórmula empleada para calcular el campo magnético (B) en el interior de un solenoide es:
B = N μ I / L
- B: Densidad de flujo magnético
- μ: Permeabilidad magnética
- N: Número de espiras del solenoide
- I: Corriente que circula
- L: Longitud total del solenoide
Devanado Conductor y Efectos de Inductancia
¿Cómo se denomina un devanado de hilo conductor en torno a un bastidor o al aire, con el cual se obtienen efectos de inductancia?
Autoinducción: Fenómeno Electromagnético
La autoinducción es un fenómeno electromagnético que se presenta en sistemas físicos, como circuitos eléctricos, con una corriente eléctrica variable en el tiempo. Se refiere a la influencia que ejerce un sistema físico sobre sí mismo a través de campos electromagnéticos variables.
Componentes y Leyes de Circuitos Eléctricos
Elementos Principales de un Circuito Eléctrico
Un circuito eléctrico básico consta de tres elementos principales:
- Resistencias
- Capacitores
- Bobinas (también conocidos como inductores o solenoides)
Capacitancia y Almacenamiento de Energía
La carga empleada determina la cantidad de energía almacenada. Este término se refiere a la capacitancia.
Conductividad Eléctrica
La facilidad con que un metal permite el flujo de corriente se describe con el término conductividad.
La Ley de Ohm
El enunciado que describe que, en un circuito de corriente continua, la corriente es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia, pertenece a la Ley de Ohm.
Generador Eléctrico
Un generador eléctrico es un dispositivo capaz de establecer y mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.
Fuerza Electromotriz (F.E.M.)
La Fuerza Electromotriz (F.E.M.) se define como el trabajo que el generador realiza para trasladar la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo a través de su interior, dividido por el valor en culombios de dicha carga.
Factores que Influyen en la Corriente de un Circuito
La corriente que fluye en un circuito depende de la tensión de la fuente y de su resistencia eléctrica.
Caídas de Tensión en Circuitos en Serie
Las caídas de tensión en un circuito en serie se manifiestan como la diferencia de potencial que existe entre los extremos de cada componente. Este valor se mide en voltios y representa el gasto de energía que implica el paso de la corriente por ese conductor.
En circuitos en serie, la corriente es la misma en todos los puntos, mientras que el voltaje varía con respecto a las resistencias implementadas en el circuito.
Corriente Total en Circuitos en Paralelo
La corriente total en un circuito en paralelo es igual a la suma de las corrientes que fluyen por cada rama de dicho circuito.
Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de Lazos o Mallas)
La ley que indica que la suma de las caídas de tensión en cualquier trayectoria cerrada es igual a la suma de las fuerzas electromotrices en esa trayectoria es la Segunda Ley de Kirchhoff, también conocida como Ley de Lazos de Kirchhoff o Ley de Mallas de Kirchhoff.
Principio de la Segunda Ley de Kirchhoff
La Segunda Ley de Kirchhoff establece que, 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.
Primera Ley de Kirchhoff (Ley de Nodos)
El principio que establece que la suma de las corrientes que entran a cualquier nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de ese nodo (o, equivalentemente, que la suma algebraica de las intensidades de corriente eléctrica que concurren en un nodo es igual a cero) se refiere a la Primera Ley de Kirchhoff.
Esta ley también es conocida como Ley de Nodos o Ley de Corrientes de Kirchhoff (LCK).
Medición de Corriente Eléctrica: El Amperímetro
Para medir las corrientes eléctricas se utiliza el amperímetro.
Medición de Voltaje: El Voltímetro
En la medición de voltajes o diferencias de potencial se utiliza el voltímetro.
Teorema de Superposición de Thévenin
El Teorema de Superposición de Thévenin indica que, en cualquier circuito resistivo lineal que contenga dos o más fuentes independientes, cualquier voltaje o corriente del circuito puede calcularse como la suma algebraica de todos los voltajes o corrientes individuales originados por cada fuente independiente actuando por sí sola, es decir, con todas las demás fuentes independientes eliminadas.
Corriente Alterna y Componentes Reactivos
Resistencia Eléctrica
La resistencia eléctrica es una medida de la oposición de un circuito o dispositivo al flujo de la corriente.
Corriente Alterna (CA)
Existe un tipo de corriente eléctrica que no siempre fluye en la misma dirección, sino que alterna, fluyendo primero hacia una dirección y luego invirtiéndose para fluir hacia la otra. A esta corriente se le llama corriente alterna (CA).
Definición de Corriente Alterna
¿Cómo se denomina la corriente en la que los portadores de carga circulan alternativamente en uno y otro sentido?
Fuentes de Corriente Alterna
A las fuentes de energía de corriente alterna se les llama fuentes de potencia de corriente alterna o generadores de CA.
Formas de Onda de la Corriente Alterna
Las formas de onda de la corriente alterna muestran que esta puede tomar diferentes configuraciones de acuerdo con el tiempo, la frecuencia, la amplitud y el periodo.
Tipos de Formas de Onda de Corriente Alterna
Existen cuatro formas principales de onda de corriente alterna:
- Rectangular o pulsante
- Triangular
- Diente de sierra
- Sinusoidal o senoidal
Dependencia del Campo Magnético en CA
La intensidad y dirección del campo magnético alrededor de un conductor a través del cual fluye corriente alterna dependen de:
- Su permeabilidad.
- La distancia perpendicular entre el conductor y el punto específico dado.
Inducción de F.E.M. por Cambio de Corriente
Todo cambio en la corriente produce una expansión o una reducción del campo magnético alrededor de un conductor, lo cual a su vez induce una F.E.M. en el conductor. ¿Cómo se le llama a este efecto? Densidad de flujo magnético.
Oposición al Cambio de Corriente en un Circuito
¿Cuál es la propiedad de un circuito eléctrico que se opone a cualquier cambio de corriente en el circuito?
Cálculo de la Reactancia Inductiva (XL)
La reactancia inductiva (XL) se calcula mediante la siguiente fórmula:
XL = 2πfL
- XL: Reactancia Inductiva
- f: Frecuencia
- L: Inductancia o bobina
El Capacitor: Almacenamiento de Energía Electrostática
El dispositivo que puede alternativamente almacenar y liberar energía eléctrica por medio de un campo electrostático es el capacitor. Su símbolo se representa con la letra C.
Reactancia Capacitiva (Xc) y su Fórmula
La oposición que ofrece un capacitor al flujo de la corriente alterna recibe el nombre de reactancia capacitiva.
Su fórmula es:
Xc = 1 / (2πfC)
- Xc: Reactancia capacitiva
- f: Frecuencia
- C: Capacitancia
Relación de Fase en Circuitos Resistivos
En un circuito exclusivamente resistivo, la tensión y la corriente están en fase.
Relación de Fase en Circuitos Inductivos
En un circuito exclusivamente inductivo, la tensión aplicada está adelantada 90° con respecto a la corriente eléctrica.
Relación de Fase en Circuitos Capacitivos
En un circuito exclusivamente capacitivo, la corriente está adelantada 90° con respecto a la tensión.
Impedancia en Circuitos RL
En un circuito RL, tanto la resistencia como la reactancia inductiva se oponen al flujo de la corriente. Su efecto combinado recibe el nombre de impedancia.
Su fórmula es:
Z = √(R² + X²)
Factor de Potencia (F.P.)
El factor de potencia (F.P.) se define como el cociente de la potencia activa (P) entre la potencia aparente (|S|).
Su relación es la siguiente:
F.P. = P / |S|
- F.P.: Factor de potencia
- P: Potencia activa
- |S|: Potencia aparente
Comportamiento de un Circuito Puramente Capacitivo en CA
Un circuito de corriente alterna con un capacitor se define como un circuito puramente capacitivo. Su comportamiento es el siguiente:
- En un primer instante, la corriente por el capacitor será máxima y la tensión sobre el mismo será nula.
- A medida que la señal alterna aumenta su potencial hasta Vmax, circulará menos corriente, ya que las cargas se acumulan en las placas del capacitor.
- En el instante de Vmax, el capacitor está completamente cargado, la intensidad es nula.
- Cuando el potencial de la señal disminuye, las cargas circulan en dirección opuesta (la corriente cambia de signo).
- Cuando el potencial es cero, la corriente es máxima en ese sentido.
- Al invertir la señal alterna su potencial, la corriente disminuye hasta que el capacitor se carga con la polaridad opuesta; en este punto, no hay corriente y la tensión es máxima sobre el capacitor.
Comportamiento de un Inductor en Corriente Alterna
En corriente alterna, un inductor presenta una oposición al paso de la corriente denominada reactancia inductiva. Su comportamiento es el siguiente:
- Durante el semiciclo positivo, al aumentar la tensión de alimentación, la corriente encuentra dificultad al paso a través de la bobina.
- Al comienzo, la tensión sobre la bobina es máxima y decrece a medida que circula mayor corriente.
- Cuando la tensión y el campo magnético son máximos, el potencial de alimentación comienza a decrecer.
- Debido al campo magnético autoinducido, la corriente continúa circulando, oponiéndose al cambio.
Definición de Impedancia
La impedancia se define como la oposición al flujo de la corriente alterna.
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