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BITACORA
Desde que descubrimos que hay campos eléctricos y fuerzas magnéticas rodeándonos todo el tiempo, la humanidad ha empezado un desarrollo tecnológico sumamente grandioso, la comprensión de estos también nos ha arrojado grandes respuestas acerca del funcionamiento del universo, desde cosas muy pequeñas como lo son los imanes, a cosas gigantes como lo son los campos eléctricos de los planetas. Los avances tecnológicos también han ido escalando con suma importancia, los resonadores magnéticos por ejemplo son aparatos sumamente complejos y costosos que han ayudado mucho en el área de la medicina para poder estudiar el cuerpo humano a detalle, para descubrir enfermedades o daños físicos muy precisos dentro de algún paciente. El lenguaje particular de las personas también habla de cómo inconscientemente estamos involucrados cada día dentro de los campos eléctricos, cuando decimos, por ejemplo, “van a caer maridos”, “está tronando”, “hay que conectar el polo a tierra”, “lo cogió la luz”, etc. CAMPO ELECTRICO El campo eléctrico simplemente es la perturbación que genera una carga eléctrica en el espacio que le rodea. Al introducir una carga en el espacio esta crea en su entorno un área de influencia de tal forma que si introducimos otra carga en dicha área sufrirá la acción de una fuerza eléctrica debido a la ley de Coulomb. Mas técnicamente el campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga positiva de prueba. El campo eléctrico está dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa.
Desde niños hemos sabido que cargas iguales se repelen y cargas contrarias se atraen.
ACELERACIÓN EN UN CAMPO ELECTRICO UNIFROME
Si la carga es positiva, experimenta una aceleración en el sentido del campo. Si la carga es negativa, experimenta una aceleración en sentido contrario al campo. En el mundo practico podemos ver como por un proceso llamado electrolisis se logran separar los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la liberación de electrones por los aniones en el ánodo y la captura de electrones por los cationes en el cátodo. ELECTROESTÁTICA La electrostática es una rama de la Física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, o lo que es lo mismo, el comportamiento de las cargas eléctricas en situación de equilibrio. Dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen. EJEMPLO # En una zona fría e inhóspita del vacío, existe una carga eléctrica de 80 picoCoulombios. Evaluar la intensidad del campo eléctrico generado por ella a una distancia de 60 cms. De ser posible calcule también el “voltaje”. EJEMPLO # En alguna región apacible del vacío (r = 1) se tienen dos cargas eléctricas positivas de 45 microcoulombios y las cuales están separadas 60 centímetros. Calcular el valor de la fuerza eléctrica entre estas dos partículas.
DESPLAZAMIENTO ELECTRICO
El desplazamiento eléctrico es un vector función de la posición en el espacio y del tiempo, o también función de la posición en el espacio y de la frecuencia, en ausencia de “polarización eléctrica” es paralelo al vector campo eléctrico (). Todos los puntos que se encuentran a una misma distancia del cetro sufren la misma intensidad de campo eléctrico o magnitud de desplazamiento eléctrico. FLUJO DE UN CAMPO VECTORIAL El flujo de un campo vectorial es una magnitud escalar que se define como la integral del campo vectorial sobre una superficie bidimensional. Dado un campo vectorial definido sobre una superficie S, el flujo de este campo sobre esta superficie viene dado por: Donde n es el vector unitario y normal a la superficie dirigido hacia el exterior de esta. Para una carga eléctrica puntual, el flujo de campo eléctrico: Este resultado conocido como el teorema de Gauss inicialmente solo fue válido para casos puntuales, pero ahora se sabe que también sirve para todas las demás distribuciones de carga eléctrica, dice así: “el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada equivale a la carga eléctrica encerrada en la superficie dividida por la permitidad eléctrica del medio material”. Si se repite el análisis con el “desplazamiento eléctrico”, se encuentra que:
Este resultado expresa en lenguaje sencillo que: el flujo del desplazamiento eléctrico a través de una superficie cerrada equivale a la carga eléctrica encerrada en la superficie”. EJERCICIO Apoyados en el “teorema de Gauss” y en el diagrama adjunto, hallar el “flujo de campo eléctrico” y el “flujo de desplazamiento eléctrico” para las superficies: S1, S2, S3 y además para una superficie rectangular que abarque a tas tres superficies que conforman el diagrama (han gustado mucho).
transportadas por el movimiento de electrones o iones. Mas explícitamente es “la va “la variación o cambio de carga eléctrica con respecto al tiempo” su unidad de medida es el amperio. DIFERENCIA DE POTENCIAL O VOLTAJE: es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. En pocas palabras es “la variación de la energía potencial con respecto a la carga eléctrica” su unidad de medida es el voltio. POTENCIA: es la proporción por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico, es decir, la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado (“la variación de la energía con respecto al tiempo”), se miden en Kw o en HP CORRIENTE DIRECTA: o corriente continua se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial y carga eléctrica, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Como ejemplo tenemos las pilas eléctricas. CORRIENTE ALTERNA: se denomina a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. Es la que normalmente se presta por empresas que luego hacen llegar a los hogares, en Colombia se manejan los 60Hz y existen dispositivos para convertir corriente eléctrica a corriente alterna. RESISTENCIA: se le denomina resistencia eléctrica a la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor. Su unidad de medida son los ohmios (Ω) CIRCUITO ELECTRICO: es un sistema organizado que permite el paso de la corriente entre sus componentes. Está conformado por fuentes de voltaje o de corriente, alambres, resistencias. Sistemas más completos pueden contener además bobinas, capacitores, transistores, chips, diodos o tarjetas lógicas.
RESISTENCIAS EN SERIE: es básicamente un divisor de voltajes y se suma como su nombre lo dice simple y llanamente en serie, sin tapujo alguno. Ejemplo: se dispone de una board con resistencias conectadas en serie y de valores 400Ω, 100Ω y 80Ω. Hallar la resistencia total que presenta el sistema. Rt = R1 + R2 + R3 = (400 + 100 + 80) Ω = 580 Ω RESISTENCIAS EN PARALELO: es básicamente un divisor de corriente eléctrica y en este ya cambia un poco para su procedimiento, pero en pocas palabras es la suma de los inversos de cada una de las resistencias, elevado a su vez también a la inversa (x^-1). EJEMPLO: Se dispone de una board con resistencias conectadas en paralelo y cuyos valores son: 400 Ω, 100 Ω y 80 Ω. Hallar la resistencia total de ellas. Rt = (R1^-1 + R2^-1 + R3^-1 ) ^-1 = (400^-1 + 100^-1 + 80^-1 ) ^-1 Ω = 40 Ω RESISTENCIAS MIXTAS: es una combinación muy utilizada en donde hay tanto resistencias en paralelo como en serie, la forma mas sencilla de solución es desarrollando primero las paralelas para que se conviertan en serie y así solo luego sumarlas.
EJEMPLO
Se dispone en una board de un sistema eléctrico con “resistencias conectadas en estrella” y sus valores respectivos son: 120 Ω, 150 Ω y 180 Ω. Se desea transformar a un sistema de “resistencias conectadas en delta” Un alambre en el mundo de la electrónica es un conductor en el cual la resistencia es prácticamente nula. En el mundo práctico los alambres llegan a tener, cuando son muy largos, algunos ohmios de resistencia y por ello se pueden calentar o generar pérdidas de potencia cuando se transmite a grandes distancias, como es el caso de la generación en las represas o en las térmicas. Si se conecta un alambre a una resistencia, el efecto eléctrico es anularla. Si ello ocurre en un circuito la resistencia presente sería nula y se generaría una corriente muy grande que podría incendiar el sistema; es un “corto circuito”. PUENTE DE WHEATSTONE: Un puente de Wheatstone es un circuito eléctrico que se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. Para la solución de estos es importante tener un buen manejo del método delta u estrella. LEY DE OHM: es la ley fundamental de los circuitos eléctricos, y establece que en todo circuito “la corriente circulante es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del sistema”
EJEMPLO
Una resistencia de 500Ω está conectada directamente a una fuente de 25 voltios ¿Qué corriente circula por ella? ¿Cuál es la potencia eléctrica del sistema? ¿Qué energía eléctrica se disipa en 4 horas de trabajo? EJEMPLO # La plancha de mi voluptuosa vecina es de 1200 watios y se conecta a una fuente a una toma de 100 voltios. Evaluar la corriente eléctrica por el artefacto. De ser posible, calcular con entusiasmo el valor de la resistencia eléctrica. Si el elemento se enchufa durante medio día al tomacorriente de su casa, ¿cuál es el “trabajo realizado” por la cada vez menos necesaria plancha?
La “resistencia total” de un circuito serie es simplemente la suma de las resistencias parciales, y de esa manera: RT = (150 + 250 + 100) Ω = 500 Ω Por la ley de Ohm, la corriente circulante es: i = V / RT = 15V / (500Ω) = 0.03ª El voltaje en una resistencia eléctrica es la corriente multiplicada por la resistencia: VR1 = 150 i = 4.5 V VR2 = 250 i = 7.5 V VR1 = 100 i = 13.5 V La ley de mallas para el sistema es: (4.5 + 7.5 + 13.5) V 23V = 0
¿cuál es la corriente circulante en cada resistencia? ¿Cuál es el voltaje en cada elemento? Justificar que sumatoria de voltajes en la malla es nula. Por estar en serie: RT = (400 + 100 + 80) Ω = 580Ω. Aplicando la ley de Ohm se encuentra que la corriente, que es la misma en cada resistencia por estar en serie, es:
i = 116V / (580Ω) = 0.2 A VR1 = 0.2A * (400 Ω) = 80V VR2 = 0.2A * (100 Ω) = 20V VR3 = 0.2A * (80 Ω) = 16V Vj = 80V + 20V + 16V 116V = 0. La sumatoria de voltajes efectivamente es nula.
Emanuel Vargas Restrepo
