Objetivo: Usar el potencial eléctrico para resolver problemas y para establecer relaciones con el campo eléctrico y la fuerza eléctrica.
ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA Y POTENCIAL ELÉCTRICO.
Si se quiere mover una carga de prueba q desde el infinito (región alejada donde el potencial eléctrico de la carga generadora es prácticamente nulo) hasta cierto punto dentro de un campo eléctrico generado por una carga Q, es necesario ejercer una fuerza por un agente externo, y por tanto realizar un trabajo contra las fuerzas eléctricas, por lo que la carga de prueba adquiere una cierta energía potencial eléctrica (U).
Si definimos que en el infinito U = 0, tenemos que la energía potencial eléctrica que adquiere una carga puntual q a una distancia r de una carga generadora Q es:
Como toda forma de energía, la unidad de la energía potencial eléctrica en el SI es el joule (J) y será positiva cuando la fuerza sea repulsiva.
Si una carga eléctrica q situada en un punto de un campo eléctrico se duplica, triplica o aumenta n veces, la energía potencial eléctrica aumentará en la misma cantidad, respectivamente; sin embargo, es más frecuente considerar, en dicho punto, el potencial eléctrico (V), que corresponde a la energía potencial eléctrica por unidad de carga ya que este valor será el mismo, independiente de la cantidad de cargas, o incluso si no hay cargas (es una propiedad del espacio). Por lo tanto:
El potencial eléctrico es una cantidad escalar, cuya unidad de medida es el volt, en honor del físico italiano Alessandro Volta (creador de la pila eléctrica) que corresponde a J/C. Por ejemplo, un potencial de 220 V significa que en ese punto una carga de 1 C adquiere una energía de 220 J.
Los siguientes gráficos representan cómo se comporta el Potencial eléctrico en torno a una carga eléctrica.
ACTIVIDADES.
1.-Establece una ecuación que relacione el Campo eléctrico con el Potencial eléctrico.
2.-¿Qué potencial existe en un punto de un campo eléctrico si el campo tuvo que efectuar un trabajo de 0,24 J para trasladar una carga de 8µC desde ese punto hasta el infinito?
3.-Entre dos puntos de un campo eléctrico existe la diferencia de potencial de 2000 V. ¿Qué trabajo se efectúa al trasladar una carga de 25µC entre esos puntos?
4.-Para trasladar una carga eléctrica desde un punto a 220 V y la tierra se efectuó un trabajo de 11 millones de Joule. ¿Qué carga pasó a tierra?
5.-¿Qué potencial existe en la superficie de una esfera de 45cm de radio cargada con 25 µC?
Objetivo: Aplicar el concepto de corriente eléctrica para resolver problemas y comprender su importancia en el mundo moderno.
La carga eléctrica que pasa por una sección de un conductor en la unidad de tiempo se denomina intensidad de corriente; y su valor, expresado en unidades del Sistema Internacional, se mide en Amperios (A).
El sentido real del movimiento de los electrones es opuesto al de las cargas positivas, que se considera como convencional. La razón de este criterio se basa en que antiguamente se pensaba que la corriente eléctrica consistía en un movimiento de las cargas positivas, y todas las leyes de electromagnetismo (leyes experimentales) se enunciaron con este modelo. Mantener la "realidad" de estas leyes exige aceptar la interpretación.
Se llama intensidad de una corriente eléctrica, al cuociente entre la cantidad que pasa por una sección del conductor y el tiempo que emplea en pasar. Es decir:
Definición de Ampere: Una corriente tiene una intensidad de 1A cuando por una sección del conductor pasa 1C en cada segundo.
La CC se obtiene cuando los electrones van siempre en el mismo sentido. Las pilas y baterías estregan una corriente continua.
En cambio la CA se obtiene cuando la corriente eléctrica cambia periódicamente de sentido, es decir, durante un tiempo va en un sentido y durante un período de tiempo igual al anterior va en sentido contrario, y el ciclo se repite constantemente. La corriente que se obtiene de la red domiciliaria es CA.
ACTIVIDADES.
1.-Una corriente de 5A de intensidad ha circulado por un conductor durante media hora. ¿Qué cantidad de electricidad ha pasado? (calcularla en Coulomb y en electrones)
2.-Por una sección de un conductor ha pasado una carga de 120C en dos minutos. Calcular la intensidad de la corriente.
Objetivo: Relacionar el voltaje y la corriente eléctrica; y aplicar esta relación en la resolución de problemas.
El voltaje es la magnitud física que, en un circuito eléctrico, impulsa a los electrones a lo largo de un conductor. Es decir, conduce la energía eléctrica con mayor o menor potencia.
Voltaje y voltio son términos en homenaje a Alessandro Volta, que en 1800 inventara la pila voltaica y la primera batería química
El voltaje es un sinónimo de tensión y de diferencia de potencial. En otras palabras, el voltaje es el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula para que ésta se mueva de un lugar a otro. En el Sistema Internacional de Unidades, dicha diferencia de potencial se mide en voltios (V), y esto determina la categorización en “bajo” o “alto voltaje”.
Un voltio es la unidad de potencial eléctrico, fuerza electromotriz y voltaje. Algunos voltajes comunes son el de una neurona (75 mV), una batería o pila no recargable alcalina (1,5 V), una recargable de litio (3,75 V), un sistema eléctrico de automóvil (12 V), la electricidad en una vivienda(230 en Europa, Asia y África, 120 en Norteamérica y 220 algunos países de Sudamérica), el riel de un tren (600 a 700 V), una red de transporte de electricidad de alto voltaje (110 kV) y un relámpago (100 MV)
El término “alto voltaje” caracteriza circuitos eléctricos en los cuales el nivel de voltaje usado requiere medidas de aislamiento y seguridad. Esto ocurre, por ejemplo, en sistemas eléctricos de alto nivel, en salas de rayos X, y en otros ámbitos de la ciencia y la investigación física. La definición de “alto voltaje” depende de las circunstancias, pero se consideran para determinarlo la posibilidad de que el circuito produzca un “chispazo” eléctrico en el aire, o bien, que el contacto o proximidad al circuito provoque un shock eléctrico. Un shock eléctrico de magnitud aplicado a un ser humano u otros seres vivos puede producir una fibrilación cardíaca letal. Por ejemplo, el golpe de un relámpago en caso de tormenta sobre una persona a menudo es causa de muerte
Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/s) y se representa con la letra “P”. Se expresa como:
P = V ·i
Un J/s equivale a 1watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1watt de energía eléctrica. Un J/s equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1watt de energía eléctrica.
ACTIVIDADES.
1.-Encuentra otras dos expresiones para calcular la Potencia que consume un aparato eléctrico, para ello debes ayudarte de la Ley de Ohm.
2.-Demostrar que la unidad de Potencia es el Joule/segundo.
3.-¿Cuál será la diferencia de potencial entre los bornes de un generador, si por una plancha conectada entre ellos circula una corriente de 2,5A y funciona con una potencia de 500W?
4.-¿Qué potencia tiene una plancha eléctrica que trabaja con 1,5A a 220V?
5.-¿Cuál es la potencia del motor de una lavadora, cuando está conectada a 220V si por él circula una corriente de 9A?
6.-¿Qué intensidad de corriente atraviesa un calentador de 100Ω; de resistencia cuando se le conecta a 220V?
Objetivo: Reconocer las variables que condicionan la resistencia de un material y la relación matemática que permite determinarla.
La resistencia eléctrica de una sustancia mide la capacidad de ésta para oponerse al flujo de carga eléctrica a través de ella.
Un material con una resistividad eléctrica alta (conductividad eléctrica baja), es un aislante eléctrico. Un material con una resistividad baja (conductividad alta) es un buen conductor eléctrico. En circunstancias normales no existen conductores perfectos ni aislantes perfectos.
Los elementos metales son muy buenos conductores (malos aislantes). Una de las unidades para medir la conductividad térmica es el Ohm x metro. (Ωm)
La resistencia se puede calcular como:
R: resistencia (Ω)
ρ: resistividad del material (Ωm)
L: largo del conductor (m)
A: área transversal del conductor (m2)
A continuación se presenta una tabla con la resistividad de algunos materiales.
ACTIVIDADES.
1.-Un alambre de cobre de 1mm de diámetro tiene 10m de longitud. La resistividad del cobre es 1,72×10−8 (Ω•m). Calcula entonces la resistencia del alambre.
2.-En los extremos de un alambre de 20m de longitud y de sección transversal igual a 2mm2, la diferencia de potencial es 50V. La corriente eléctrica en el alambre es de 5 A. Calcula la resistividad del material del alambre en (Ω•m).
3.-La resistencia eléctrica de un alambre es 80Ω. Cortamos un trozo de 4m de alambre y la resistencia del resto es ahora de 20Ω. Calcula la longitud inicial del alambre.