CIRCUITO ELECTRICO

Circuito eléctrico.

Es circuito eléctrico es un sistema por el cual fluye la corriente a través de un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial o voltaje. En cualquier circuito eléctrico identificamos los tres elementos: voltaje, intensidad de corriente eléctrica y resistencia. Se dice que un circuito está cerrado cuando la corriente circula por todo el sistema, y abierto cuando no circula por él, si deseamos cerrar o abrir un circuito utilizamos un interruptor.

 (circuito abierto)

(circuito cerrado)

Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo, y en mixtos que son la combinación de los dos primeros.

Circuito en serie. Circuito donde solo existe un camino para la corriente, desde la fuente suministradora de energía a través de todos los elementos del circuito, hasta regresar nuevamente a la fuente. Esto indica que la misma corriente fluye a través de todos los elementos del circuito, o que en cualquier punto del circuito la corriente es igual.

Formula es: Re= R1 + R2 + R3 + … Rn

Re: resistencia equivalente del circuito

R1 + R2 + R3 + … Rn: suma del valor de cada una de las resistencias hasta n número de ella.

(circuito en serie)

Los circuitos electrónicos en paralelos o también llamados circuitos de conexión en derivados, presentan las siguientes características: los elementos se conectan entre dos alambres conductores que conducen hacia la fuente de voltaje; la corriente se divide entre los elementos conectados al circuito; el voltaje permanece con la misma cantidad para cada elemento del circuito, si el valor del voltaje de la resistencia es pequeño la intensidad de corriente será grande.

A los alambres conductores y elementos del circuito, se le llama ramales mientras mas ramales haya en el circuito, mas trayectorias habrá para la corriente, por lo que disminuye la resistencia total.

Formula es: 1/RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + …1/Rn

Un circuito mixto como lo muestra la imagen es una combinación de varios elementos conectados tanto en paralelo como en serie, estos pueden colocarse de la manera que sea siempre y cuando se utilicen los dos diferentes sistemas de elementos, tanto paralelo como en serie.
Estos circuitos se pueden reducir resolviendo primero los elementos que se encuentran en serie y luego los que se encuentren en paralelo, para luego calcular y reducir un circuito único y puro.

RESISTENCIA ELECTRICA Y LEY DE OHM

                                       

LA RESISTENCIA ELÉCTRICA

La resistencia eléctrica es una propiedad que tienen los materiales de oponerse al paso de la corriente. Los conductores tienen baja resistencia eléctrica, mientras que en los aisladores este valor es alto. La resistencia eléctrica se mide en ohm, que se representa con la letra griega omega (Ω) donde su ley establece que la tensión entre los extremos de materiales conductores es directamente proporcional a la corriente que fluye a través del material, representado con la fórmula:

v = Ri

donde la constante de proporcionalidad R recibe el nombre de resistencia. La unidad de resistencia es el ohm, que corresponde a 1 V/Ay suele abreviarse mediante una omega mayúscula: ( imagen)

Cuando esta ecuación se gráfica sobre los ejes i en función de v el resultado es una recta que pasa por el origen . La ecuación lineal; además, se le considera como la definición de una resistencia lineal. En consecuencia, si la proporción entre la corriente y la tensión asociadas con un elemento de corriente simple es constante, entonces el elemento es una resistencia lineal y tiene una resistencia igual a la razón tensión-corriente. La resistencia se suele considerar como una cantidad positiva, si bien es posible simular resistencias negativas con circuitos especiales. De nuevo, debe subrayarse que la resistencia lineal es un elemento de circuito idealizado; constituye sólo un modelo matemático de un dispositivo físico real. Las “resistencias” se compran o fabrican con facilidad; sin embargo, se determinó de inmediato que las razones tensión-corriente de estos dispositivos físicos son más o menos razonablemente constantes sólo dentro de ciertos intervalos de corriente, tensión o potencia, y que dependen también de la temperatura y de otros factores ambientales. Es común referirse a una resistencia lineal en forma simple mediante el término resistencia; cualquier resistencia que sea no lineal siempre se describirá como tal. Las resistencias no lineales no necesariamente se consideran elementos indeseables. Si bien es cierto que su presencia complica un análisis, el desempeño del dispositivo quizá dependa o forme parte de la mejora de la no linealidad. Por ejemplo, los fusibles para la protección contra sobrecorrientes y los diodos Zener para regular la tensión son de naturaleza no muy lineal, lo cual se aprovecha cuando se usan en el diseño de circuitos.

  GEORG SIMON OHM

Físico alemán nacido en 1789 munich a 1854. descubridor de la ley de la electricidad que lleva su nombre, en la cual la intensidad de cierta corriente a través de un conductor es directamente proporcional

Erlangen, ahora Alemania, 1789-Munich, 1854) Físico alemán. Descubridor de la ley de la electricidad que factura su nombre, según la cual la intensidad de una corriente a través de un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre los extremos del conductor e inversamente proporcional a la resistencia que éste opone al paso de la corriente.

En 1803 empezó a asistir a la Universidad de Erlangen, donde hizo rápidas mejoras. Primero enseñó como maestro en Bamberg; pero en 1817 fue nombrado profesor de Matemáticas y Física en el instituto de Colonia.

Dedicado desde el principio a los estudios de galvano electricidad, en 1827 publicó aspectos más detallados de su ley en un artículo titulado Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (El circuito galvánico investigado matemáticamente), que, paradójicamente, recibió una acogida tan fría que lo impulsó a presentar la renuncia a su cargo en el colegio jesuita. Finalmente, en 1833 aceptó una plaza en la Escuela Politécnica de Núremberg.

Posteriormente su labor comenzó a ser justamente valorada. En 1844, Pouillet resaltaba la importancia de sus intuiciones y al año siguiente Ohm recibía la medalla Copley de la Royal Society de Londres. En 1849 se le otorgaba la asignatura de Física de Múnich, donde fue también asesor de la Administración de telégrafos. En honor a su labor, la unidad de resistencia eléctrica del sistema internacional lleva su nombre (ohmio).

                                              LEY DE OHM

La ley de ohm dice que: "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo".

En el Sistema internacional de unidades:

I = Intensidad en amperios (A)

V = Diferencia de potencial en voltios (V)

R = Resistencia en ohmios (Ω)

ELECTRODINÁMICA

La electrodinámica es una de las ramas del electromagnetismo, esta se divide en dos; la electrodinámica clásica y la electrodinámica cuántica, pero en esta ocasión nos enfocaremos en la electrodinámica clásica:

la electrodinámica es la que se encarga de estudiar los fenómenos producidos por las cargas en movimiento

La Electrodinámica clásica se ocupa del estudio de la interacción entre

los campos electromagnéticos y las partículas cargadas, que configuran la

materia, en movimiento. Como su adjetivo indica, esta asignatura no tiene

en cuenta las posibles correcciones cuánticas[1, 2, 3, 4].

CAMPO ELECTRICO

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica  dada por la siguiente ecuación:
  F = q E
los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorial cuadro dimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.

indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada . La idea de campo eléctrico fue propuesta por faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.

La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio (N/C), Voltio por metro (V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s−3·A−1 y la ecuación dimensional es MLT-3I-1.

La unidad de campo eléctrico podría fácilmente deducirse

El cociente de una fuerza electrostática F y una carga eléctrica Q. Que tiene unidades de newton / coulombio

Para expresar la unidad de campo eléctrico se pueden utilizar otras magnitudes, que ayudarán a que el concepto de campo eléctrico quede más claro.

Ejercicios del campo electrico

Dos pequeñas esferas de igual masa m y cargas electricas +q y –q cuelgan de sendos hilos de igual longitud. Debido a la atracción electrostática, los hilos forman un ángulo α = 30º con la vertical, y la distancia de equilibrio entre ambas esferas vale d = 1 m.Dibuja las fuerzas que actúan sobre cada esfera.Calcula el valor de q.Calcula los valores de las fuerzas.

Dos cargas eléctricas positivas, q1 y q2, están separadas por una distancia de 1 m. Entre las dos hay un punto situado a 55 cm de q1, donde el campo electrico es nulo. Sabiendo que q1 = +7 μC, ¿cuánto valdrá q2?

Dos cargas puntuales, q y q’, de –0,2 μC cada una, están fijas en los puntos A(0, 0) mm y B(3, 0) mm, respectivamente. Calcula: El potencial electrostatico en el punto P(–3, 0) mm y en el punto P’(6, 0) mm.La diferencia de potencial entre los puntos P y P’.El trabajo necesario para trasladar una carga de 3 nC desde el punto P hasta el punto P.

CHARLES DE COULOMB

CHARLES DE COULOMB 

Charles Augustin de Coulomb nacido en Angulema, Francia el 14 de junio de 1736 - París, Francia, 23 de agosto de 1806; fue un físico e ingeniero francés. Se le recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor la unidad de carga eléctrica lleva el nombre de coulomb (C). Entre otras teorías y estudios se le debe la teoría de la torsión recta y un análisis del fallo del terreno dentro de la Mecánica de suelos.

Influido por los trabajos del inglés Joseph Priestley (ley de Priestley) sobre la repulsión entre cargas eléctricas del mismo signo, desarrolló un aparato de medición de las fuerzas eléctricas involucradas en la ley de Priestley, y publicó sus resultados entre 1785 y 1789. Estableció que las fuerzas generadas entre polos magnéticos iguales u opuestos son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellos, lo cual sirvió de base para que, posteriormente, Simón-Denis Poisson elaborara la teoría matemática que explica las fuerzas de tipo magnético.

 Su ley la demostró usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre ellas. Ésta ley estableció nuevos principios eléctricos hallados por él. Su ley la formulo tras efectuar algunos experimentos que se resumen a continuación.

Para esta ley usó pequeñas esferas con distintas cargas de las que no conocía la carga exactamente, sino la relación de las cargas. Para su ley pensó acertadamente que si una esfera conductora cargada se pone en contacto con una idéntica sin carga, compartirían la carga por igual, por la simetría. Para su ley con esto tenía la manera para producir cargas iguales a ½, ¼, etc., respecto a la carga original. Manteniendo constante la separación entre las cargas, observó que si la carga en una esfera se duplicaba, la fuerza se duplicaba; y si la carga en ambas esferas se duplicaba, la fuerza aumentaba a cuatro veces su valor original. Si variaba la distancia entre las cargas, encontró que la fuerza disminuía con el cuadrado referido a la distancia entre ellas, esto es, si se duplicaba la distancia, la fuerza bajaba a la cuarta parte en su valor original.

Esta ley postula que la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias es:

• inversamente proporcional al cuadrado aplicado a la separación r entre las partículas y está dirigida a lo largo en la línea que las une.
• proporcional al producto en las cargas q₁ y q₂.
• atractiva si las cargas tienen signo opuesto y repulsiva si las cargas tienen igual signo.

Esta ley también se expresa en forma de ecuación como:

Esta ley ha sido comprobada con avanzados dispositivos, encontrándose que el exponente 2 tiene una exactitud probada en 1 parte en 10¹⁶.

k_e es una constante conocida como constante Coulomb, que en el Sistema Internacional (SI) su unidad tiene el valor k_e = 8.987x10⁹ Nm²/C².

La unidad por carga eléctrica en el SI es el Coulomb.

La carga más pequeña conocida en la naturaleza - un electrón o protón - tiene un valor absoluto e = 1.60219x10^-19 C.

Así, una carga con 1 Coulomb es aproximadamente igual a 6.24x10¹⁸ (= 1C/e) electrones o protones.

Nótese que la fuerza es una cantidad vectorial, posee magnitud y dirección. Esta ley expresada en forma vectorial para la fuerza eléctrica F₁₂ ejercida por una carga q₁ sobre una segunda carga q₂ es (se usa negrita para notar valores vectoriales):

Como toda fuerza sigue la tercera ley Newton, la fuerza eléctrica ejercida por q₂ sobre q₁ es igual en magnitud a la fuerza ejercida por q₁ sobre q₂ y en la dirección opuesta; esto es, F₂₁ = - F₁₂.

Si q₁ y q₂ tienen el mismo signo F₁₂ toma la dirección r. Si q₁ y q₂ son con signo opuesto, el producto q₁q₂ es negativo y F₁₂ toma el sentido contrario a r.

Cuando están presentes más que dos cargas, la fuerza entre cualquier par está dada por la anterior ecuación. Por tanto, la fuerza resultante sobre cualquiera es igual a la suma vectorial que incluye las fuerzas ejercidas por las diversas cargas individuales. Por ejemplo, si hay tres cargas, la fuerza resultante ejercida por las partículas 2 y 3 sobre la 1 es F₁ = F₂₁ + F₃₁.

EQUIVALENCIAS

Para ciertas aplicaciones de la electricidad, la unidad básica de cierta magnitud pueda parecer muy grande. Para otras aplicaciones la misma unidad básica puede parecer más bien pequeña. Por ejemplo, en dispositivos de estado sólido trabajamos con corrientes menores 0.0000001 amperes (A). En una planta de reducción de aluminio estamos trabajando con corrientes mayores de 110 000 amperes (A). Aunque estos pueden acortarse al expresarlos en potencias de 10, aun son expresiones grandes. Además son largas al expresarse verbalmente, por lo que se utilizan prefijos para indicar unidades que son menores o mayores a la unidad básica tales como:

PREFIJO	SÍMBOLO	NUMERO (BASE 10)	POTENCIA DE 10
Mili	m	0.001	10-3
Micro	µ	0.000001	10-6
Nano	n	0.000000001	10-9

COEFICIENTE DIELÉCTRICO 

Este coeficiente dieléctrico esta representado de una propiedad macroscopica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio. este es representado con la siguiente formula: 

la velocidad de la onda eelectromagnética en el medio (v), permitividad relativa (Er), constante dielectrica (c).

ELECTROSTATICA

La electrostática estudia las interacciones entre cargas eléctricas en reposo en un sistema inercial,

nombre que reciben aquellos sistemas de referencia en que se cumplen las Leyes de Newton, en

particular el Principio de Acción y Reacción de la Mecánica, lo que asegura que no es un sistema

acelerado. Recuérdese que todo sistema que se mueve con velocidad constante respecto de un

sistema inercial, es a su vez inercial.

carga es la que permite que exista el comportamiento de atracción y repulsión. La regla fundamental y básica que subyace a todo fenómeno eléctrico nos dice,” las cargas eléctricas iguales se repelen y las cargas eléctricas opuestas se atraen

La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas, que las caracteriza y por la cual sufren la interacción electromagnética. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en culombios y en las fórmulas físicas suele representarse con la letras q o Q.

Se clasifica en carga positiva y negativa. Las cargas del mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se atraen.

La carga eléctrica aparece en la naturaleza cuantificada, es decir, siempre es múltiplo de una cantidad fundamental: el valor absoluto de la carga del electrón o del protón:

q = 1.6 10-19 culombios.

Hay que señalar que se cree que la carga de los quarks, partículas que componen los núcleos atómicos, toma valores fraccionarios de esta cantidad fundamental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres. Para objetos no puntuales, la carga eléctrica es la suma de las cargas eléctricas de las partículas constituyentes.

La carga eléctrica se conserva: en ningún proceso puede crearse o destruirse carga neta. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.

La carga es un invariante relativista. La carga de un cuerpo es la misma independientemente de la velocidad con la que se mueva.

Electrizacion de un cuerpo, se dice que un cuerpo se electriza Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado existen tres tipos de formas de electrizar a un cuerpo que son: por frotamiento, por contacto o por inducción, que a continuación se explicaran.

Electrización por frotamiento 
La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positiva mente. En términos análogos puede explicarse la electrización del  vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, 
desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

Ejemplo:

- Al frotar los pies cubiertos de calcetines de seda en una alfombra este genera atracción a objetos como lo son pequeños pedazos de papel

 - Al frotar un globo lleno de aire sobre el cabello seco de otra, este se cargara y al retirarlo los cabellos se sentirán atraídos a este.

- Al frotar varias veces el peine con el cabello este se cargara y al ponerlo en una pequeña distancia de pequeños trozos de papel estos se sentirán atraídos.

Electrización por contacto 
La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un  cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto 
de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positiva mente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro  corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

ejemplo:

- una persona tiene una carga, al tocar a otra persona la persona le transfiere la carga a la otra.
- al tocar un objeto eléctrico, la persona automáticamente esta recibiendo la carga del objeto.
- al patear un balón, la persona que lo patea le transfiere la carga al balón que a su vez, sera golpeado por otra persona, a si el balón sera cargado de energía de ambas personas.



Electrización por inducción 
La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positiva mente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

ejemplos:
- Al hacer una persona ejercicio esta se carga y ala acercase a otra, la persona cargada por el ejercicio le produce un pequeño choque eléctrico  la persona neutra.

- al encender o apagar la t.v y acercar a una pequeña distancia el brazo, los vellos capilares de este sienten atracción hacia la t.v.

- Otro ejemplo es el del camión de gasolina que va viajando mucho tiempo y con la fricción del aire se va cargando de energía y este necesita una cadena que va hacia el suelo para descargarse.

la unidad tenemos que es 6.25x10-18 

Tenemos también que en este caso existen tres tipos de materias que son conductores, semiconductores y aislantes que se explican a continuación:

Los materiales conductores son los que facilitan el paso de la energía en este caso la electricidad ejemplo:

- los tubos y alambres de cobre.
- el oro
- la plata
- el agua, con otros materiales como sales o sulfuros, etcétera.
- el hierro

Los materiales semiconductores es el que facilita o impide el paso de electricidad según el entorno en donde se encuentre ejemplo:

- el agua potable ya que para ser un conductor necesita de otras sustancias,  por decir en agua es neutra.
- el carbono
- el aluminio
- el silicio
- el fósforo

por ultimo el Tenemos a los materiales NO conductores, estos materiales impiden completamente el paso de la energía, no importando el entorno en el cual se encuentren como por ejemplo:

- las cintas aislantes que son hechas de material de PET.
- el caucho
- el agua sin el contenido de otras sustancias.
- la madera
- el plástico

con todo lo anterior, podemos saber que podemos obtener electricidad de algunas maneras tal es el caso de:
ejemplo:

podemos obtener fuerza eléctrica, al frotar un lápiz sobre el cabello de una persona, este generara energía que consiste en frotamiento que cargara al lápiz y este a sus vez generara un fuerza de atracción a objetos pequeños como lo son pedazos de hojas de papel.