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022-00-ANX-D_Electricidad.doc

Cátedra de Matemática Nº 2 “Enrich-Creus-Carnicero” FAU – UNLP 1

ENRICH – CREUS – CARNICERO

TVM.2

Nivel 2

CONTENIDOS

ANEXO 1. Conceptos eléctricos 2

Los fenómenos electrostáticos y sus causas 2

La Ley de Coulomb 2

Campo eléctrico 3

Tensión eléctrica 4

Diferencia de potencial 5

Semi y superconductores 6

Corriente alterna: alimentación monofásica 6

Potencia en circuitos de corriente alterna 7

Transmisión y distribución de la energía eléctrica 8

Preguntas de interés con sus respuestas 9 a. ¿Qué cosa es un rayo eléctrico? 9 b. ¿Cómo se puede lograr que la corriente se mantenga constante en el tiempo? 10 c. ¿Cuál es el sentido de circulación de la corriente? 10 d. ¿De dónde provienen los electrones de la corriente que circula por una lámpara? 10 e. ¿Qué es un fusible eléctrico? ¿Para qué sirve? 10 f. ¿Cómo nos podemos proteger de las descargas eléctricas en una vivienda? 11 g. Los efectos de la corriente eléctrica alterna sobre el organismo 11

ANEXO 3: Actividades 12

Actividad 1: Experiencia electrostática sencilla 12

Actividad 2: Principales magnitudes en electrostática. 12

Actividad 3: Fenómenos curiosos para comprobar y explicar. 12

Actividad 4: Carga y corriente eléctrica. 12

Actividad 5: Corriente continua y corriente alterna. 12

Actividad 6: Resistencia eléctrica. 13

Actividad 7: Potencia eléctrica. 13

NIVEL 1 ENRICH - CREUS - CARNICERO CM2

Anexos Electricidad │ 2015




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Nivel 2 ANEXO 1. Conceptos eléctricos

En este anexo pretendemos que repases algunos conceptos de electrostática, necesarios para que puedas comprender sin dificultades el desarrollo de la unidad de electricidad.

Los fenómenos electrostáticos y sus causas Este tipo de fenómenos se producen en el medio ambiente natural (rayos eléctricos, por ejemplo), en aparatos eléctricos y objetos diversos. Es frecuente observar pequeñas chispas al quitarnos un pulóver de fibra sintética, o cuando detenemos un automóvil, bajamos de él y acercamos la llave o nuestro dedo a la carrocería. En otras ocasiones, puede observarse una repulsión o una atracción entre objetos. Por ejemplo, cuando frotamos un bolígrafo plástico con un tejido de lana, podemos atraer pequeños trozos de papel. Todos estos fenómenos se deben a que los materiales se cargan eléctricamente o poseen carga eléctrica.

El ser humano no está en condiciones de percibir directamente las cargas eléctricas, pues no posee para ello ningún órgano sensorial. Simplemente puede reconocer los efectos de estas cargas y sacar conclusiones del estado de carga en que se encuentran los objetos.

En la naturaleza se encuentran sustancias que se cargan positivamente y otras que se cargan negativamente. Mediante la realización sistemática de experiencias sencillas se puede demostrar que, entre los cuerpos cargados, actúan fuerzas de atracción y de repulsión. Las características básicas de los fenómenos electrostáticos son:

La repulsión se presenta cuando las cargas de los cuerpos son del mismo signo. La atracción se presenta cuando las cargas de los cuerpos son de diferente signo. Entre objetos eléctricamente neutros, no se produce atracción ni repulsión. Los distintos tipos de cargas se denominan positiva y negativa.

Volvamos al ejemplo de la chispa que puede producirse cuando nos bajamos de un auto e intentemos describir el fenómeno, ahora que hemos tratado el tema de las cargas eléctricas. Entonces: ¿Por qué se produce la chispa o descarga eléctrica? Esta se genera porque la carrocería del auto se electriza por rozamiento con el aire y, al estar aislada del suelo por los neumáticos, queda cargada. De este modo, si al bajar del coche acercamos nuestro dedo o la llave a la carrocería, se produce la descarga. En un día de humedad relativa elevada, la conductividad eléctrica del aire aumenta, y esto impide la acumulación de cargas en las superficies.

La Ley de Coulomb Antes de introducirnos en esta importante ley de la electrostática, vamos a describir muy brevemente la estructura de un átomo y de una molécula. Los átomos están compuestos por un núcleo central rodeado por una nube de electrones. El núcleo está constituido por dos tipos de partículas: los protones de carga positiva y los neutrones que no poseen carga. Los electrones de la nube poseen carga negativa y la carga eléctrica total de los mismos, es igual y de signo contrario a la carga del núcleo. Consecuentemente, la carga neta de un átomo es nula.

Una molécula es un conjunto de uno o más átomos -no necesariamente iguales- que se hallan ligados por fuerzas de atracción electrostáticas. Un ión es una molécula con un desbalance entre su carga positiva y negativa, es decir, con una carga neta no nula1.

En la Fig de al lado, se muestra el modelo planetario de un átomo con 6 protones y 6 electrones.




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Nivel 2 La unidad de medida de la carga eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el Coulomb. Esta unidad es la cantidad de carga necesaria para que exista una fuerza de 9x109 N entre dos objetos puntuales cargados, separados por 1 m. de distancia.

En valor absoluto, la carga del electrón es igual a la carga del protón. Su valor es 1,602x10-19 C. Por lo tanto, 1C es aproximadamente la carga de 6,24x1018 electrones!!!.

Coulomb es el apellido del físico, ingeniero y militar francés que comprobó experimentalmente que la fuerza de atracción o de repulsión entre dos objetos cargados eléctricamente, posee las siguientes características:

Enunciado de la Ley de Coulomb

- La intensidad de la fuerza que experimenta una carga, es directamente proporcional al producto del valor de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

- La dirección de dicha fuerza coincide con la recta que pasa por ambas cargas. - La dirección de las fuerzas será atractiva, si las cargas poseen signos opuestos, o repulsiva,

si poseen igual signo.

Figura 1. Cargas del mismo signo se repelen y cargas de diferente signo se atraen.

Vectorialmente, la Ley de Coulomb de las fuerzas electrostáticas entre cargas puntuales1 se expresa como:

21122

12

2112

ˆ.

FeR

qqkF e

En el SI de unidades, el valor de la constante de Coulomb ke, vale, en el vacío, aproximadamente 9 x 109 N.m2/C2; las cargas q1 y q2 se expresan en Coulomb (C) y la distancia R12 entre ellas, en metros (m). Resulta, entonces, que la intensidad de la fuerza F está expresada en Newtons (N).

Campo eléctrico Cuando una carga q1 se halla fija en un punto P1 del espacio, la misma crea un campo eléctrico que ejerce su influencia en cualquier punto del espacio. Dicho de otro modo, el concepto de campo eléctrico nos permite describir cómo se distribuyen las fuerzas electrostáticas generadas por q1, en todo el espacio circundante. Para describir la dirección, el sentido y la intensidad de las fuerzas electrostáticas es muy útil el concepto de líneas de fuerza. Si colocamos una carga q0 positiva en un campo eléctrico, la fuerza que actuará sobre ella tendrá la dirección de la recta tangente a la línea de fuerza que pasa por ese punto y el sentido será el de dicha línea de fuerza y la intensidad será proporcional a la densidad de líneas. Si en cambio, colocamos en tal punto una carga negativa, la dirección y la

1 Una carga puntual es una carga eléctrica hipotética, de magnitud finita, contenida en un punto. Es un modelo que permite

considerar que dos cuerpos con carga son muy pequeños en comparación con la distancia que los separa y por eso se los trata como

cuerpos puntuales. Esta suposición resulta muy práctica al resolver problemas de electrostática.




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Nivel 2 intensidad será la misma pero el sentido será el opuesto al indicado por tal línea de fuerza. Entonces:

Una línea de fuerza es una línea imaginaria que sirve para indicar la dirección, el sentido y la intensidad de la fuerza que actuaría sobre una carga que se halla en un a región del espacio

donde existe un campo eléctrico. La Figura 3 muestran las líneas de fuerza que representan el campo eléctrico generado por una carga positiva q1. En la Figura 4 se grafican las líneas de fuerza que representan al campo eléctrico entre q2 y q1, suponiendo ahora que q2 es negativa.

Figura 2. Líneas de fuerza que representan el campo eléctrico generado por una carga positiva q1. Notar que las líneas “salen” de q1.

Figura 3. Líneas de fuerza que representan el campo eléctrico generado por una carga positiva q1 y otra negativa q2. Notar que las líneas “salen” de q1 y “entran” en q2.

Si en P1 se modifica la cantidad de carga, entonces la fuerza entre las cargas también se modifica en la misma proporción. En este sentido, podemos pensar que las cargas eléctricas alteran las características eléctricas del espacio que las rodea con su sola presencia.

Definamos más formalmente la noción de campo eléctrico mencionada antes:

Un campo eléctrico E

es una magnitud vectorial que representa, para cada punto del espacio, la fuerza por unidad de carga que actuaría sobre una carga situada en dicho punto.

Volvamos al campo eléctrico generado por la carga fija q1, que se encuentra en el punto P1. Entonces, el campo eléctrico (fuerza por unidad de carga) que actúa sobre otra carga q0, ubicada en el punto P0 del espacio, se expresa vectorialmente como:

0

1010

q

FE

; o bien, 10001 .EqF

Mediante esta nueva magnitud física podemos describir el estado eléctrico del espacio. En el SI de unidades, la intensidad del campo eléctrico se expresa en N/C.

Tensión eléctrica Una enseñanza formal de este concepto, requeriría del conocimiento de las nociones de integral de línea y de trabajo. Con el fin de establecer un punto de partida para el estudio de la electricidad, para quienes no están familiarizados con estos temas, presentaremos el concepto de tensión eléctrica sin una justificación matemática rigurosa2.

2 Si estás interesado en un análisis más profundo sobre el tema, te recomendamos que consultes la página web del Dr.

Angel Franco García, de la Universidad del País Vasco:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/campo_electrico/campo/campo.xhtml.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/campo_electrico/campo/campo.xhtml




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Nivel 2 Recordemos que el campo eléctrico puede ser entendido como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La principal ventaja de este concepto es que nos permite asignar una propiedad eléctrica al espacio. Si conocemos el campo en cierto punto y colocamos allí una carga eléctrica, es posible predecir la fuerza que actuará sobre ésta.

Toda carga eléctrica adquiere una cierta cantidad de energía electrostática cuando se halla en una región del espacio donde existe en un campo eléctrico. Físicamente, esta cantidad representa el cambio de su energía cuando se la traslada desde una posición inicial muy lejana (donde el campo eléctrico es tan pequeño que numéricamente nada cambia si lo consideramos igual a cero) hasta el punto en cuestión.

Resulta conveniente, de un modo análogo al anterior, utilizar otro concepto que nos permita predecir la energía potencial por unidad de carga en cualquier punto del espacio. Esta propiedad del espacio se llama potencial y en el SI de unidades se expresa en voltios (V, 1 V = 1 J/C).

En otras palabras:

Un potencial de un volt en un punto del espacio determinado significa que si una carga de un coulomb se colocara allí, su energía potencial sería de un joule.

Diferencia de potencial

En problemas de electricidad práctica, es de escaso interés el trabajo por unidad de carga para trasladar una carga desde o hacia el infinito. Sin embargo, resulta muy útil conocer los cambios de energía que experimentan las cargas cuando se desplazan entre dos puntos del espacio entre los cuales existe un campo eléctrico. Todo esto nos lleva a considerar otro concepto importante en electricidad. Nos referiremos a la diferencia de potencial entre dos puntos del espacio como la diferencia de los potenciales eléctricos en esos puntos. Por ejemplo, si el potencial eléctrico en punto A es de 100V y el potencial en otro punto B es de 40 V, diremos que la diferencia de potencial entre tales puntos es ΔV = VA - VB = 100 V - 40 V = 60 V.

En estos términos, podemos reinterpretar al potencial en un punto P como la diferencia de potencial entre dicho punto y otro que se halla infinitamente lejos.

Siendo más precisos, podemos decir que la diferencia de potencial entre dos puntos es igual al trabajo que realizan fuerzas eléctricas para mover una “pequeña” carga de prueba desde el punto de mayor potencial al punto de menor potencial. La tensión eléctrica también se denomina diferencia de potencial o voltaje. Su unidad en el SI de unidades es el Volt (V) que, en términos de unidades básicas puede expresarse como sigue:

C

mN

C

JV

.111

Valores de algunas tensiones típicas

Elemento Tensión [ V ]

Corazón humano 0,001

Una pila común AA 1,5

Acumulador de plomo (p/automóvil) 12

Red de baja tensión 220

Tubo de televisor (color) 25000

Red de alta tensión 132000

Tormenta eléctrica 106 - 109




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Nivel 2 Anexo 2. Otros conceptos eléctricos de interés

Semi y superconductores Semiconductores: Son materiales que ofrecen una resistencia relativa intermedia al paso de las cargas eléctricas. Materiales como silicio y germanio dopados3 con pequeñas cantidades de ciertos elementos químicos (arsénico, fósforo o boro por ejemplo) adquieren esta propiedad. Se utilizan para construir dispositivos electrónicos básicos como diodos, leds, transistores, etc.

Superconductores: Ciertos materiales al ser enfriados por debajo de una temperatura crítica (desde unos pocos grados Kelvin4 a unos cientos de ellos) se transforman en conductores casi perfectos. La superconductividad es un fenómeno que ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo a elementos como el estaño y el aluminio, en diversas aleaciones metálicas, etc. Estos materiales son utilizados para generar campos magnéticos muy grandes, útiles en aplicaciones como máquinas médicas de resonancia magnética, motores, trenes de levitación magnética, etc.

Corriente alterna: alimentación monofásica

Si observamos el frente de un tomacorriente domiciliario moderno que ha sido instalado

respetando las normas IRAM, tendremos la siguiente distribución de conectores:

Figura 5. Tomacorriente domiciliario

La alimentación de los terminales: Neutro (N) y Línea (L) (este último, también conocido como

fase o vivo), es provista por la empresa de distribución de energía eléctrica. El terminal Tierra

(generalmente indicado con el símbolo “ “) consiste en una verdadera conexión a la tierra

mediante una barra de cobre, denominada jabalina, que está enterrada a pocos metros de

nuestro circuito.

Entre los terminales L y N existe una diferencia de potencial VLN (que provee la empresa), y

que puede ser representada mediante una función sinusoidal, dependiente del tiempo:

VLN (t) = V0 sen (2 f t) ; con f = 60 Hz y V0 = 311 V

Figura 6. Variación con el tiempo de la tensión de amplitud V0 = 311 V, entre los terminales L y N. El tiempo se halla expresado en milisegundos (100 ms = 0,1 s)

3 Dopaje de semiconductores es el proceso por el cual se agregan impurezas a un semiconductor altamente puro

con el fin de modificar sus propiedades eléctricas. 4 Recordá que una temperatura de 0 ºC en la escala Centígrada o Celsius corresponde a 273º K en la escala

absoluta o Kelvin.




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Nivel 2

El cable tierra de un equipo eléctrico es un conductor que conecta -en paralelo con nuestro

cuerpo- el chasis del equipo con el terminal tierra del tomacorriente. Si por algún desperfecto

en el aislamiento se produce un cortocircuito, es decir si el chasis del equipo queda conectado

directamente al terminal L, la descarga eléctrica se producirá fundamentalmente por el cable

tierra y sólo una corriente de intensidad muy pequeña se establecerá por nuestro cuerpo.

Potencia en circuitos de corriente alterna

La fundamentación teórica para este tipo de circuitos escapa a los alcances de este curso, ya que para su comprensión se necesitan conocimientos de Matemática que no todos han estudiado en su paso por el secundario. Sin embargo, para quienes tengan interés, se desarrollan.

Calculemos ahora la potencia disipada en un circuito de corriente alterna. Para ello

analizaremos lo que ocurre cuando conectamos un velador al tomacorriente de nuestra casa y

lo encendemos. Al enchufar el artefacto y cerrar el interruptor los extremos del filamento de la

lámpara de resistencia R quedan conectados con los terminales L y N. En estas condiciones

se establece a través de la resistencia una corriente de intensidad oscilatoria armónica dada

por:

La potencia instantánea disipada en la resistencia (P = I 2·R) resulta ser:

Esta potencia instantánea alcanza su valor máximo 100 veces por segundo, lo cual la

convierte en una magnitud poco útil en la práctica para evaluar la energía disipada en forma

de calor. Para tal fin podemos calcular su valor medio o promedio en un ciclo. Puede

demostrase que la potencia promedio disipada en la resistencia durante un intervalo igual al

período t0 de la oscilación es:

Esta potencia promedio que es disipada por la resistencia cuando una corriente alterna de

amplitud I0 se establece es igual a la potencia se disipa en ella cuando se establece una

corriente continua de valor (I0 / √2) = 0,707·I0. Este valor de intensidad de corriente continua

equivalente se denomina su valor eficaz.

El valor eficaz de una señal de corriente alterna se define como el valor de una señal en

corriente continua que disipará la misma potencia que la señal de alterna.

La potencia anterior puede ser reescrita con fines prácticos alternativamente como:

tsenItsenR

V

R

tVtI LN 0

0 )()(

)(

RIRI

RIP eficaz

2

2

02

021

2

eficazeficazeficazeficazeficaz VIRIIRIP )(2

)()()( tsenRIRtItP 22

0

2




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Nivel 2 Transmisión y distribución de la energía eléctrica Todos los equipos personales de electrónica que se comercializan en la actualidad (teléfonos móviles, netbooks, MP3/4/5, DVD portátiles, etc.) son alimentados con baterías o pilas, es decir funcionan con corriente continua. Muchos de ellos permiten recargar sus baterías mediante una máquina eléctrica denominada fuente externa o cargador que conectada a un tomacorriente de domiciliario suministra la corriente continua necesaria para alimentar la batería a cargar. Uno de los principales componentes de las fuentes externas es el transformador eléctrico. Un transformador es una máquina eléctrica de corriente alterna que permite cambiar el valor de la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo su frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador “ideal”, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. que se manifiesta por la presencia de calor. Transformar la energía eléctrica significa reducir su tensión y aumentar la intensidad de la corriente (o lo inverso), de modo que el producto de la tensión por la intensidad de la corriente, o sea la potencia, se mantenga constante.

Figura 7. Etapas básicas en la transmisión y distribución de la energía eléctrica.

La energía que utilizamos en nuestras casas y en las industrias nos llega por medio de corriente alterna y no mediante corriente continua. El motivo de esta elección de relaciona con las pérdidas de energía por efecto Joule que se producen en los cables utilizados para transmitir la energía a grandes distancias. La pérdida por calentamiento P = I 2·R en la línea se deduce si reducimos la resistencia del cable o la corriente en él establecida. El valor de la resistencia del cable solo puede reducirse si aumentamos el área de su sección transversal, pero existe un límite para esta solución, impuesto por los costos del cable de cobre y de los soportes. La solución más ventajosa en reducir la intensidad de la corriente en el cable. Como deseamos que la potencia en destino sea la misma que la proporcionada por los generadores, si reducimos la intensidad de la corriente deberemos aumentar la tensión en la misma proporción, recordemos que la potencia también puede ser expresada como P = V·I. Si se pretendiera generar y distribuir la energía eléctrica con una tensión de 220V, los conductores deberían tener una sección de área enorme. Por este motivo las líneas que transmiten la energía eléctrica desde zonas muy alejadas, por ejemplo desde El Chocón a Buenos Aires, lo hacen con una tensión de 540000V.




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Nivel 2 Preguntas de interés con sus respuestas

a. ¿Qué cosa es un rayo eléctrico? Un rayo es una descarga eléctrica de gran magnitud, una chispa gigante, que se puede producir entre nubes, entre partes de una misma nube, entre una nube y el suelo o entre una nube y el aire. A continuación, analizaremos las características cualitativas de la descarga entre una nube cargada por rozamiento y el suelo. En general, un rayo consta de varias descargas individuales, separadas por lapsos del orden de 1 centésima de segundo. El proceso de generación del rayo se compone de varias etapas. Se inicia cuando el aire que rodea a la nube cargada sufre la ruptura dieléctrica5. En estas condiciones, se produce una columna zigzagueante y descendente de cargas negativas (electrones) denominada “descarga guía” (Esta descarga es poco visible, no es la responsable del brillo típico del rayo). Cuando el extremo de la descarga guía se halla cerca de algún objeto puntiagudo sobre el suelo (árbol, antena, mástil, etc.), se produce la ruptura dieléctrica del aire que rodea la punta y se inicia una segunda columna de cargas, ahora positivas y ascendentes, llamada “descarga de retorno”. Cuando ambas descargas se conectan se produce un corto circuito6 entre la nube y el suelo. Esto provoca que una corriente eléctrica muy intensa se establezca dentro de una columna de unos pocos centímetros de diámetro. Aquí los átomos y moléculas del aire se ionizan y alcanzan abruptamente temperaturas del orden de 30000 K (5 veces más grande que la temperatura de la superficie del sol) y presiones altísimas. En estas condiciones, el aire de la columna de descarga se ha convertido en un plasma, que experimenta dos fenómenos: la emisión de radiación electromagnética y un aumento abrupto de su presión, que lo expande rápidamente. A estos dos fenómenos los percibimos indirectamente con nuestros sentidos: parte de la emisión de radiación la percibimos como luz, y es lo que conocemos como “relámpago”, y la onda de presión generada es percibida como sonido, y es lo que denominamos “trueno”.

Como la luz viaja a través del aire con una velocidad de aproximadamente 300.000.000 m/s y el sonido a 340 m/s (casi 1.000.000 de veces más lento), siempre percibimos primero el relámpago y luego el trueno. Entonces, si medís el tiempo entre la llegada de ambas señales, podrás estimar la distancia a la que se halla la tormenta: cuanto menos tiempo transcurra entre la llegada del relámpago y la del trueno, más cerca de nosotros se halla la misma.

Para ilustrar lo antedicho, podés observar la fotografía del relámpago sobre un árbol publicada en la página de inicio del sitio de Johnny Autrey (http://www.highvoltagephotography.com/), donde podrás identificar la descarga principal, numerosas descargas guías y dos descargas de retorno presentes, una subiendo a la izquierda del rayo principal sobre el mismo árbol y otra, muy tenue, desde la torre que se halla en la parte izquierda de la fotografía.

Links recomendados sobre fenómenos eléctricos en la web

Rayos: http://focuslab.lfp.uba.ar/Extension/Rayos_y_Centellas/

Rayo en cámara lenta: http://www.youtube.com/watch?v=HMYXItRNGH4

Johnny Autrey. Galería de fotografías: http://www.highvoltagephotography.com/

Ley de Coulomb: http://www.youtube.com/watch?v=8-UQmMyrJ-g

Experimento electrostática V: http://www.youtube.com/watch?v=aBSg6MzCUXY

Desviar el agua: http://www.youtube.com/watch?v=Ns_HVQmuMTY

Electrización de arena: http://www.youtube.com/watch?v=69-mzgispas

5 Es una rápida reducción de la resistencia de un aislante eléctrico que posibilita la producción de chispas (descargas electrostáticas)

o la generación de descargas de arco continuo. 6 Es la conducción de corriente de gran intensidad directamente entre dos puntos, entre los que existe una diferencia de potencial

eléctrico. Por ejemplo, si intentás conectar los dos bornes de una batería de 12 V con un cable de cobre, generarás un chisporroteo.

http://www.highvoltagephotography.com/

http://focuslab.lfp.uba.ar/Extension/Rayos_y_Centellas/

http://www.youtube.com/watch?v=HMYXItRNGH4

http://www.highvoltagephotography.com/

http://www.youtube.com/watch?v=8-UQmMyrJ-g

http://www.youtube.com/watch?v=aBSg6MzCUXY

http://www.youtube.com/watch?v=Ns_HVQmuMTY

http://www.youtube.com/watch?v=69-mzgispas




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Nivel 2 b. ¿Cómo se puede lograr que la corriente se mantenga constante en el tiempo?

Se necesitará de un equipo eléctrico que mantenga constante la diferencia de potencial

establecida entre los extremos del conductor para que la carga fluya desde un extremo al

otro de manera constante. Un equipo con tal capacidad se denomina fuente de tensión.

Una fuente “ideal” de tensión es un equipo eléctrico capaz de generar una diferencia de

potencial constante e independiente de la carga eléctrica que suministre, debido a que se

considera que su resistencia interna es nula. Toda fuente de tensión convierte algún tipo

de energía (química por ejemplo) en energía eléctrica. En la práctica, las fuentes “reales”

de tensión generan una diferencia de potencial inversamente proporcional a la intensidad

de la corriente que suministran como consecuencia de la resistencia interna del

dispositivo.

c. ¿Cuál es el sentido de circulación de la corriente?

Benjamin Franklin (1706-1790) supuso que las cargas positivas se desplazaban por el

conductor desde el extremo conectado al polo positivo de la fuente de tensión hacia el

negativo. Sin embargo, luego de más de un siglo, la teoría atómica moderna demostró que

son los electrones -de carga negativa- los portadores de carga en un metal.

Consecuentemente, el verdadero sentido del movimiento de los portadores de carga en un

conductor metálico es justamente el opuesto (recordá que las cargas de distinto signo se

atraen). De todos modos, por razones históricas y dado a que no se genera ningún

inconveniente, se ha mantenido la convención de que la corriente eléctrica fluye por el

circuito desde terminal positivo de la fuente hacia el negativo.

Figura 8. Sentido de circulación de la corriente cuando conectamos

una lamparita a una batería alcalina (o pila) “D” de 1,5 V.

d. ¿De dónde provienen los electrones de la corriente que circula por una lámpara? Al conectar una lámpara incandescente a un tomacorriente domiciliario, se conforma un circuito (cable + filamento de la lámpara + cable) entre cuyos extremos se establece una tensión de polaridad alternante (60 Hz) que genera la fuerza eléctrica necesaria para que los electrones se muevan en un sentido y luego en el opuesto en forma alternada. Estos electrones (llamados electrones de conducción) constituyen la corriente eléctrica alterna establecida en la lámpara y no provienen del tomacorriente domiciliario sino que pertenecen al filamento. Es decir que la empresa de energía eléctrica, sólo suministra la energía para que se establezca la corriente en los artefactos que enchufamos, no los electrones que circulan por ellos.

e. ¿Qué es un fusible eléctrico? ¿Para qué sirve?

Un fusible eléctrico es básicamente un dispositivo eléctrico simple de seguridad

constituido esencialmente por un alambre conductor delgado de un material con

temperatura de fusión relativamente baja. Se utiliza para evitar que la intensidad de la

corriente que se establece en un circuito nunca supere cierto valor máximo. Se instalan en

la línea de alimentación del circuito que se desee proteger. Si en el fusible se establece

+

–




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Nivel 2 una corriente de intensidad superior a cierto valor umbral preestablecido, el alambre del

fusible se funde y el circuito eléctrico se abre, impidiendo que la corriente se mantenga en

el circuito. Los fusibles se clasifican por la intensidad máxima de corriente que soportan y

por su forma de instalación. En la actualidad, se utilizan principalmente para evitar la

sobrecarga en los circuitos de CC en los automóviles. Por cuestiones prácticas, en las

instalaciones domiciliarias modernas habitualmente se utilizan interruptores

termomagnéticos que utilizan bandas bimetálicas o bobinas eléctricas. Los fusibles no

protegen a las personas de las descargas eléctricas. Su función es evitar que se

produzcan sobrecalentamientos en los equipos conectados al circuito. El fenómeno por el

cual la circulación de una corriente produce un aumento de temperatura es el efecto Joule.

f. ¿Cómo nos podemos proteger de las descargas eléctricas en una vivienda?

Para proteger a las personas de una descarga eléctrica a tierra se utilizan interruptores

diferenciales. Estos elementos son dispositivos magnéticos que cortan rápidamente el

circuito eléctrico cuando se produce una corriente a tierra de intensidad superior a cierto

valor máximo, considerado perjudicial para la salud del hombre. En este instante, la

intensidad de la corriente establecida en el cable vivo (la línea con tensión eléctrica

oscilatoria) crece abruptamente respecto de la existente en ese mismo momento en el

neutro. Los interruptores diferenciales se especifican por la intensidad máxima de

corriente que soportan (algunas decenas de miliamperes). Sin

embargo, el protector diferencial no nos protege en todas las

situaciones. Por ejemplo, si un niño introduce una aguja de tejer

en cada agujero de un tomacorriente, experimentará el paso de

una corriente eléctrica. El interruptor no actuará mientras el niño

permanezca aislado de la tierra debido a que la intensidad de la

corriente que se establece en el cable vivo crece en la misma

proporción que aumenta la intensidad de la corriente en el

neutro. Por tal motivo, puede producirle daños.

g. Los efectos de la corriente eléctrica alterna sobre el organismo

Si estamos descalzos y tocamos el terminal tierra del tomacorriente no experimentaremos

ninguna descarga. Ello se debe a que dicho terminal y el suelo sobre el que estamos parados

se hallan al mismo potencial.

Pero si tocamos el terminal L descalzos, tendremos entre los dedos de nuestra mano y la

planta de cada pie una diferencia de potencial alternante que establecerá en nuestro cuerpo

una corriente alterna muy peligrosa.

Los efectos de la corriente eléctrica alterna sobre el organismo se resumen en el siguiente

cuadro:

Intensidad de CA [A] Efecto sobre el organismo

0,001 Se percibe.

0,005 Causa dolor.

0,010 Contracciones musculares involuntarias.

0,015 Pérdida del control muscular.

0,070 Fatal si pasa por el corazón por más de un

segundo, ya que produce fibrilación.

A continuación, incluimos una tabla con los valores de la resistencia admisible del cuerpo

humano para los cálculos convencionales:

mano – mano 2.300 Ω

mano – pie 1.100 Ω

Cuerpo 1.000 Ω (IEEE Std 80 – 1976)




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Nivel 2 ANEXO 3: Actividades

Actividad 1: Experiencia electrostática sencilla

Te proponemos una experiencia sencilla, acerca de la generación de carga neta por frotamiento. Discutí con tus compañeros sobre lo que cada uno observa en las situaciones presentadas.

a) Tomá el tubo plástico de un bolígrafo y mirá si ocurre algo al acercarlo a un trozo pequeño de papel seco.

b) Luego frotá el tubo plástico sobre tu cabello y, nuevamente, acercalo al trozo de papel ¿Se observa lo mismo que antes?

c) Realizá un breve informe sobre lo que ocurre en cada caso, elaborando la justificación correspondiente a partir de los conceptos que hemos tratado hasta acá.

Actividad 2: Principales magnitudes en electrostática.

Elaborá un cuadro con todas las magnitudes que aparecen en la sección de electrostática en este apunte e indicá en qué unidad se expresa cada una de ellas en el Sistema Internacional (SI).

Actividad 3: Fenómenos curiosos para comprobar y explicar.

a) En un día poco húmedo realizá la experiencia de frotar sobre tu cabeza un globo. Luego acercalo a tu cabellera y describí lo que ocurre. Justificá tu respuesta.

b) Abrí ligeramente una canilla para que caiga un chorro de agua muy delgado pero constante. Toma un peine que hayas frotado con un trapo de lana y acercalo al chorro de agua, sin tocarlo ¿Ocurre algo? Describí lo que ves.

c) Colocá un trozo de papel en contacto con la pantalla de un televisor que haya estado apagado por varias horas. Luego, encendé el aparato durante algunos minutos y repetí el procedimiento ¿Ocurre algo con el pedacito de papel en cada caso?

Actividad 4: Carga y corriente eléctrica.

Si la intensidad de la corriente eléctrica establecida en un alambre conductor es de 0,4 A y se

mantiene constante durante 10 minutos, entonces:

a) ¿Cuál es la cantidad de carga que atravesó la sección transversal del conductor durante

ese tiempo?

b) ¿Te animás a calcular el número de electrones que pasaron por dicha sección?

Ayuda: leé el apunte de los conocimientos previos.

Actividad 5: Corriente continua y corriente alterna.

Para que evalúes tu comprensión sobre los conceptos de CC y CA, te proponemos que clasifiques las siguientes intensidades de corriente eléctrica, tachando lo que no corresponda.

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Tiempo s

2

1

0

1

2Intensidad A

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Tiempo s

2

1

0

1

2Intensidad A




TVM.2

Nivel 2 Alterna Continua

Alterna Continua

Alterna Continua

Alterna Continua

Alterna Continua Alterna Continua

Actividad 6: Resistencia eléctrica.

Respondé las siguientes preguntas acerca de las características de una lámpara

incandescente común.

a) ¿Cuál es el valor de las resistencias de dos lámparas de 220V de potencias 40W y 60W?

b) Teniendo en cuenta que el filamento de las lámparas incandescentes es de tungsteno y

que la resistividad de este material es mucho menor a temperatura ambiente que a altas

temperaturas explicá: ¿Por qué habitualmente se “queman” las lámparas incandescentes

en los instantes siguientes al encendido?

c) ¿Qué podría ocurrirle a una lámpara de filamento si por algún motivo (defecto o vibración)

se forma un corto circuito entre dos espiras de la bobina de tungsteno?

Actividad 7: Potencia eléctrica.

Se dispone de tres lámparas incandescentes idénticas conectadas a una fuente de tensión continua ΔV. Recordando las experiencias realizadas en clase, respondé las siguientes preguntas, justificando tus respuestas.

a) ¿Cuál de las lámparas tiene mayor brillo y cuál menor?

b) ¿Dónde deberías conectar la lámpara C para que todas estén encendidas y el brillo de la lámpara A sea máximo?

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Tiempo s

2

1

0

1

2Intensidad A

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Tiempo s

2

1

0

1

2Intensidad A

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Tiempo s

2

1

0

1

2Intensidad A

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Tiempo s

2

1

0

1

2Intensidad A




TVM.2

Nivel 2 ANEXO 4. El multímetro digital (“tester”) Uno de los instrumentos de medición de uso práctico es el Multímetro Digital cuyo nombre práctico es téster.

Un multímetro es un instrumento que permite medir más de una magnitud eléctrica. En términos generales miden, básicamente, intensidad de una corriente (en función amperímetro), tensión eléctrica (en función voltímetro) y resistencia eléctrica (en función óhmetro).

Función amperímetro: se utiliza para medir la intensidad de la corriente en cualquier rama de un circuito. Si, por ejemplo, se quiere medir la intensidad de la corriente en una resistencia, se colocará en serie con dicha resistencia. Esto requiere que se abra el circuito para poder insertarlo.

El uso del amperímetro no debe cambiar la intensidad de la corriente en el circuito que se está tratando de medir, de ahí que su resistencia debe ser tan baja como sea posible. Los amperímetros electrónicos modernos tienen una resistencia inferior a 0,01 Ω.

Función voltímetro: se emplea para medir la diferencia de potencial en cualquier parte de un circuito. Por ejemplo para medir la diferencia de potencial en una resistencia, se conecta el voltímetro en paralelo a la resistencia. Para que esta operación produzca el cambio más pequeño posible en las intensidades de corriente o voltajes en el circuito, el voltímetro debe tener una resistencia muy alta. Los voltímetros electrónicos modernos tienen una resistencia superior a 107 Ω.

Función óhmetro: se utiliza para medir la resistencia de un componente del circuito. Esto requiere que dicho componente se extraiga del circuito y se lo conecte por sus extremos a las puntas del multímetro que, en esta función, utiliza generalmente una pila de 1,5 V, para cerrar un circuito con el componente cuya resistencia se quiere medir.

En la figura que sigue se señalaron los nombres de cada una de las partes del multímetro digital. De ese modo se puede apreciar que el Selector de rango es un comando que permite seleccionar la función a utilizar al efectuar la medición, según cada una de las funciones que arriba hemos detallado.

Figura 9. Imagen de un multímetro digital.

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