Tema 1:Ley de Ohm.

1.1 Nociones Fundamentales de Electricidad

Magnitudes Eléctricas Fundamentales.

1.1.1 Intensidad

La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán. Se define básicamente  intensidad eléctrica o corriente como el flujo de electrones que circula en un sentido determinado a través de un medio conductor.La corriente eléctrica es medible siendo su unidad el amperio o ampere.

AMPERIO o AMPERE (A): Es el paso de un coulomb(= 6.29 x 10 E18 electrones) a

través de un conductor eléctrico en un segundo.

¿Por que tipos de materiales puede circular la corriente?

1.- Los cuerpos conductores están formados generalmente por enlaces moleculares metálicos. Estos enlaces se caracterizan por formar una nube de electrones compartida por todas las moléculas que forman el cuerpo. Es decir, existen electrones libres. Esta movilidad de los electrones permite la existencia y propagación de la corriente eléctrica. Por tanto todos los metales son conductores, pero existen otras sustancias no metal que también lo son, por ejemplo aquellas que se forman mediante enlaces iónicos con sales disueltas (agua).

2.- Los cuerpos semiconductores son aquellos que se vuelven conductores sólo bajo unas condiciones determinadas, como puede ser la temperatura, distribución de cargas, campos magnéticos, etc.

3. Los cuerpos aislantes son aquellos en los que sus moléculas establecen un potencial propio que evita la existencia de electrones libres.

1.1.2 Voltaje.

El voltaje es la unidad de medida del trabajo requerido para mover carga eléctrica a través de un elemento.

Específicamente se define el voltaje entre los extremos del elemento, como el trabajo requerido para mover una carga positiva de 1 coulomb de una terminal a la otra terminal del dispositivo.

VOLTIO (V): Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de alambre conductor que lleva una corriente constante de 1 Amperio, cuando la potencia disipada entre estos dos puntos es de 1 watt.

1.1.3 Resistencia.

El flujo de la carga a través de cualquier material encuentra una fuerza opuesta similar, en muchos aspectos, a la fricción mecánica. Esta oposición, debida a las colisiones entre electrones, y entre electrones con átomos del material, que transforma la energía eléctrica en calor, se denomina resistencia del material.

OHMIO (Ω): Es la unidad de medición de la resistencia y se define como la cantidad de resistencia que permite que fluya un ampere de corriente en un circuito al aplicarse al mismo un volt.

En circuitos eléctricos y electrónicos existe la necesidad de materiales con valores específicos de resistencia, estos materiales se denominan resistores.

Resistencia, reactancia e impedancia.

La resistencia es el valor de oposición al paso de la corriente (sea directa o alterna) que tiene el resistor o resistencia

La reactancia es el valor de la oposición al paso de la corriente (solo corriente alterna) que tienen los condensadores (capacitores) y las bobinas (inductores).

En este caso existe la reactancia capacitiva debido a los condensadores y la reactancia inductiva debido a las bobinas.

Cuando en un mismo circuito se tienen estos elementos combinados (resistencias, condensadores y bobinas) y por ellas circula corriente alterna, la oposición de este conjunto de elementos al paso de la corriente alterna se llama: impedancia

La impedancia tiene unidades de Ohmios (Ohms). Y es la suma de una componente resistiva (debido a las resistencias) y una componente reactiva (debido a las bobinas y los condensadores). 

La resultante vectorial se le conoce como impedancia.


1.2 Ley de Ohm.

Hasta ahora sabemos que la corriente eléctrica son cargas negativas (electrones) que fluyen por un conductor ante la existencia de un potencial eléctrico. Si la corriente se forma por una diferencia de potencial, existirá una tensión, por lo tanto ambos fenómenos deben de estar relacionados de alguna forma.

 Efectivamente y además la relación es directa, esta relación es llamada Ley de Ohm.

La ley de Ohm establece que la corriente es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia.

La ley revela con claridad que para una resistencia fija entre mayor es el voltaje a través de un resistor, más grande es la corriente, y entre mayor es la resistencia para el mismo voltaje, menor es la corriente.

La resistencia multiplicada por la corriente es igual al voltaje:

R X I = V

2. Dividiendo el voltaje entre la corriente obtenemos la resistencia:

V / I = R

3. Dividiendo el voltaje entre la resistencia obtenemos la corriente:

V / R = I

Ejemplo. Determine la corriente resultante de la aplicación de una batería de 9 V a través de una red con una resistencia de 2.2 Ohms.

Solución: I = UV/ R = 9V / 2.2 Ohms = 4.09 A

Es importante recordar que:

Al aumentar el voltaje aumenta la corriente y al disminuir el voltaje disminuye la corriente.

Al aumentar la resistencia disminuye la corriente; y al disminuir la resistencia aumenta la corriente.

1.3 Potencia eléctrica y la Ley de Ohm.

La potencia eléctrica se define como la cantidad de energía eléctrica o trabajo, que se transporta o que se consume en una determinada unidad de tiempo.
Si la tensión se mantiene constante, la potencia es directamente proporcional a la corriente (intensidad). Ésta aumenta si la corriente aumenta.

Normalmente se analiza la Ley de Ohm como una relación entre el voltaje, la corriente y el valor de un resistor

Una forma más completa de expresar la Ley de Ohm es incluyendo la fórmula de potencia eléctrica.

Si se utiliza la conocida fórmula de potencia (con unidad de watts o vatios): P = V x I, potencia = voltaje x corriente, y sus variantes: V = P / I e I = P / V, se obtienen ecuaciones adicionales.

Las nuevas ecuaciones permiten obtener los valores de potencia, voltaje, corriente y resistencia, con sólo dos de las cuatro variables.

Despejando para P (potencia en watts o vatios) se obtiene:
P = V² / R, P = I² x R, P = V x I

Despejando para I (corriente en amperios) se obtiene:
I = V / R, I = P / V, I = (P / R)^1/2

Despejando para R (resistencia en ohmios) se obtiene:
R = V / I, R = V² / P, R = P / I²

Despejando para V (Voltaje en voltios) se obtiene:

V = (P x R)^1/2, V = P / I, V = I x R

Gráfica de la ley de Ohm con la formula de la potencia.

Ejercicios de la ley de Ohm.

1. Calcula la intensidad de la corriente que alimenta a una lavadora de juguete que  tiene una resistencia de 10 ohmios y funciona con una batería con una diferencia  de potencial de 30 V.

Datos.                   Formula.

I= ?                         I= V/R                  I= 30V/10 Ohms 

V= 30V                                               I= 3 Amp.

R= 10 Ohms.

2. Calcula el voltaje, entre dos puntos del circuito de una plancha, por el que  atraviesa una corriente de 4 amperios y presenta una resistencia de 10 ohmios.

Datos.                   Formula.

I= 4 Amp.              V= I.R                      V= 4 Amp.10 Ohms 

V= ?                                                       V= 40 V.

R= 10 Ohms.

3. Calcula la resistencia atravesada por una corriente con una intensidad de 5  amperios y una diferencia de potencial de 10 voltios.

Datos.                   Formula.

I= 5 Amp.               R= V/I                       R= 10V/5 Amp.

V= 10V                                                    R= 2 Ohm.

R= ?

4. Calcula la resistencia que presenta un conductor al paso de una corriente con una tensión de 15 voltios y con una intensidad de 3 amperios.

Datos.                     Formula.

I= 3 Amp.                R= V/I                        R= 15V/3 Amp.

V= 15V                                                      R= 5 Ohm.

R= ?

5. Calcula la intensidad que lleva una corriente eléctrica por un circuito en el que se encuentra una resistencia de 25 ohmios y que presenta una diferencia de  potencial entre los extremos del circuito de 80 voltios.

Datos.                       Formula.

I= ?                            I= V/R                       I= 80V/25 Ohms 

V= 80V                                                       I= 3.2 Amp.

R= 25 Ohms.

6. Calcula la tensión que lleva la corriente que alimenta a una cámara frigorífica si  tiene una intensidad de 2,5 amperios y una resistencia de 500 ohmios.

Datos.                        Formula.

I= 2.5 Amp.                 V= I.R                     V= 2.5 Amp.500 Ohms 

V= ?                                                            V= 1250 V.

R= 500 Ohms.

7. Calcula la intensidad de una corriente que atraviesa una resistencia de 5 ohmios  y que tiene una diferencia de potencial entre los extremos de los circuitos de

105 V.

Datos.                       Formula.

I= ?                            I= V/R                      I= 105V/5 Ohms 

V= 105V                                                    I= 21 Amp.

R= 5 Ohms.

8. Calcula la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, por el que  atraviesa una corriente de 8,4 amperios y hay una resistencia de 56 ohmios.

Datos.                        Formula.

I= 8.4 Amp.                V= I.R                  V= 8.4 Amp.56 Ohms 

V= ?                                                       V= 470.4 V.

R= 56 Ohms.

9. Calcula la potencia de una corriente eléctrica que atraviesa una resistencia de

5 ampers y que tiene una diferencia de potencial entre los extremos del circuito

50 voltios.

Datos.                        Formula.

P= ?                     

I= 5 Amp.                    P= I.V                 P= 5 Amp.50 Ohms                                                                                   

V= 50 Ohms.                                         P= 250 W.

10.Calcular ¿Qué potencia eléctrica desarrolla una parrilla que recibe una diferencia de potencial de 120 V y por su resistencia circula una corriente de 6 amperes.

Datos                           Fórmulas

P = ?                             P = VI                 P= 120V.6Amp

V = 120 V                                                 P= 720 W

I = 6 A

11.Obtener la potencia eléctrica de un tostador de pan cuya resistencia es de 40 Ω y por ella circula una corriente de 3 amperes.

Datos                            Fórmula

P = ?                             P = I²R.              P= (3 Amp.)² . 40 Ohms

R = 40 Ohms

I = 3 A                                                       P= 360 W

12. Un foco de 100 W se conecta a una diferencia de potencial de 120 V. Determinar la resistencia del filamento.

Datos.                           Fórmula 

R=?                               R= V²/P              R= (120V²)/100

P= 100W                      

V= 120V.                                                  R= 144 Ohms.

Para mejor entendimiento recomiendo ver el siguiente vídeo y no se pierdan el siguiente tema donde comenzaré a desarrollar el tema de potencia eléctrica. 

Tema 2: Circuitos en serie y paralelo.

Circuitos.

-2.1 Serie

Un circuito eléctrico comprende todas las conexiones que llevan la energía de un punto a otro.

Tienen una estructura que les permite funcionar de una forma determinada.

Existen diferentes tipos de circuitos: Uno de ellos es el circuito en serie Esto quiere decir que las resistencias son conectadas una tras otra una de las características de este circuito es que la totalidad de la corriente fluye a través de todas las resistencias sin embargo el voltaje se va perdiendo.

Calculo de resistencia.

RT= Resistencia total.

RT= R1+R2+R3+.......RN

Digamos que en el ejemplo anterior tenemos que cada resistencia o foco tiene un valor de 10 Ohms esto quiere decir que:

RT= 10 Ohms+10 Ohms = 20 Ohms.

-2.2 Paralelo.

Otro tipo de circuito es en paralelo  es en donde los puntos de conexión es el mismo esto permite a cada resistencia contar con el voltaje total del sistema(Es básicamente que las resistencias estén conectadas en el mismo punto sin depender una de la otra). Ya que lo que ahora se divide es la intensidad. 

RT=1/ (1/R1+ 1/R2) . También se podría elevar a la inversa lo que esta dentro del paréntesis.

Esto quiere decir que si las 2 resistencias del circuito anterior valieran 10 Ohms sería:

RT= 1/(1/10 +1/10) = 5 Ohms.

-2.3 Mixto.

El circuito mixto es aquel que contiene resistencias conectadas en paralelo y serie.

En mixto se aplican los principios de serie y paralelo.

Esto quiere decir que si las resistencias valieran 10 Ohms primero las sumaríamos en Paralelo:

R1= 1/(1/10 +1/10) = 5 Ohms.

Ahora la resistencia resultante se suma en serie con la otra resistencia en serie:

RT= 10 Ohms+5Ohms = 15 Ohms


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Tema 3: Potencia eléctrica.

3.1 ¿Qué es potencia?

En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).

Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles  como calor, luz (lampara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. 

Una definición más fácil de comprender es que la  tensión entre dos puntos que no causa flujo de corriente es similar al resorte tenso que no se mueve y, por lo tanto, no produce trabajo. Siempre que la tensión provoca movimiento de electrones, se realiza un trabajo al desplazar a los electrones de un punto a otro. La rapidez con que este trabajo se realiza se denomina como potencia eléctrica.

La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto concuerda con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión

Eso explica la fórmula:

P= V.I

I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como:

P= V²/R

recordando que a mayor corriente, menor voltaje.

3.2 ¿Qué es un vatio?

El vatio (en inglés y también en español: watt) es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades. Su símbolo es W.

Es el equivalente a 1 julio sobre segundo (1 J/s) y es una de las unidades derivadas. Expresado en unidades utilizadas en electricidad.

La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en vatios, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW) que equivale a 1000 vatios.

La unidad de potencia recibe su nombre en honor al escocés James Watt, un ingeniero nacido en el siglo XVIII que, de una manera u otra –porque hay bastantes discusiones acerca de su mérito y el de otros inventores de la época– contribuyó de manera fundamental al desarrollo de la máquina de vapor y, con ella, a la llegada de la revolución industrial. Como ves, nada que ver con la electricidad. Aquí tienes su definición oficial, que probablemente te deje frío:

·      -   Un vatio o watt (W) es igual a un julio de energía cada segundo.

No dice mucho salvo que ya sepas Física, ¿verdad? Si te has quedado como estabas, no te preocupes, porque podemos dar una definición alternativa –extraoficial, ya que se basa en unidades que derivan oficialmente de ella, pero bueno– que probablemente tenga bastante más sentido si has entendido lo de la rueda, la pila, la gasolinera y la bombilla:

·         - Un vatio (W) es la potencia generada, transportada o consumida cuando la intensidad de corriente es de un amperio y el voltaje es de un voltio.

Es de sentido común, ¿no? Dado que la potencia es proporcional a la tensión y la intensidad, la unidad de potencia eléctrica se da cuando tanto el voltaje como la intensidad de corriente tienen el valor unidad. De modo que si, por ejemplo, una pila proporciona una tensión entre sus electrodos de 1 V, y la intensidad de corriente es 1 A, la potencia que nos está dando la pila es de 1 W.

3.3 Energía.

El término energía (actividad, operación; fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.

En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo.

 E=P.T

Energía eléctrica (Kw.h)= Potencia(Vatios)*Tiempo (horas)

Energía eléctrica: Energía eléctrica consumida por un aparato que está funcionando durante un tiempo “t” determinado. Se mide en  Kw.h

3.4 Trabajo.

Se denomina trabajo al desplazamiento de una fuerza en la propia dirección de la fuerza, y su valor es, precisamente, el producto de la fuerza por el desplazamiento.

Obtención: Trabajo= Fuerza x Distancia.

T= F.D

Ejemplo: Si una persona alza una cubeta de 30 litros de agua 10 metros ¿Cuál es el trabajo?

Datos:                                 Formula.            

F= 30 Kg = 300N                T=F.D               T= 300N.10m = 3000Nm

D= 10 m

¡Ojo! Potencia ≠ energía

Aunque sea repetitivo, hay tal confusión entre mucha gente sobre la diferencia de potencia y energía que quiero hacer énfasis al respecto. 10 kW no es una energía: es una potencia. Es decir, 10 kW da una idea de cómo de grande es el flujo de energía que está entrando en mi casa cada segundo. La potencia es, en cierto sentido, análoga a la velocidad de un coche: un coche que se mueve a 200 km/h no ha recorrido una distancia grande o pequeña, simplemente va rápido. Al igual que la velocidad no es la distancia recorrida, sino el ritmo al que se recorre, la potencia no es la energía consumida (o generada, o transportada), sino el ritmo al que se consume, transporta o genera.

Tabla de unidades.

EQUIVALENCIAS ENTRE UNIDADES

Potencia

1 caballo de fuerza (hp) = 745,7 watios (W)

1 caballo de fuerza (hp) = 178,2 calorías/segundo (cal/s)

1 caballo de fuerza (hp) = 2546 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

1 caballo de fuerza (hp) = 550 pies libra/segundo (ft.lb/s)

1 caloría/segundo (cal/s) = 4,184 watios (W)

1 caloría/segundo (cal/s) = 5,611 x 10-3  hp

1 caloría/segundo (cal/s) = 3,086 x 10-4 pies libra/segundo (ft.lb/s)

1 caloría/segundo (cal/s) = 14,29 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

1 julio/segundo (J/s) = 1 watio (W)

1 kilowatio (kW) = 103 watios (W)

1 kilowatio (kW) x hora (h) = 1000 watios (W) x 3600 segundos (s)

1 kilowatio (kW) x hora (h) = 3,6 x 106 julios (J)

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 1.356 watios (W)

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 0,3240 calorías/segundo (cal/s)

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 1,818 x 10-3  hp

1 pie libra/segundo (ft.lb/s) = 4,629 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

1 watio (W) = 1 julio/segundo (J/s)

1 watio (W) = 0,7376 pie libra/segundo (ft.lb/s)

1 watio (W) = 0,239 caloría/segundo (cal/s)

1 watio (W) = 1,341 x 10-3  hp

1 watio (W) = 3,414 unidades térmicas británica/segundo (btu/s)

Ejercicios.

I Resuelve los siguientes planteamientos.

1.- Si en circuito se tiene una resistencia de 10 Ohm y un Voltaje de 112 Volts ¿Cual es la potencia?

Datos:                              Fórmula.

V= 112 V                         P= V²/R                             P= (112V²) / 10 Ohms.

R= 10 Ohms.                                                            P= 1254.4 W

2.- Calcula la potencia eléctrica de una bombilla alimentada a un voltaje de 220voltios y que tiene una resistencia de 10 Ohms. Calcula la energía eléctrica consumida por la bombilla si ha estado encendida durante 2 horas. En KWh

Datos:                              Fórmula.

V= 220 V                        P= V²/R                              P= (220 V²) / 10 Ohms.

R= 10 Ohms.                  E= P.T                                P= 4840 W = 4.84 KW

T= 2 horas.                     E= 4.84 W x 2 h                 E= 9.68 KWh

3.- Calcula la potencia eléctrica de un calefactor eléctrico alimentado a un voltaje de 120 Volts y que tiene una resistencia de 50 Ohms. Calcula la energía eléctrica consumida por el motor si ha estado funcionando durante 15 minutos. En KWh

Datos:                              Fórmula.

V= 120 V                         P= V²/R                             P= (120 V²) / 50 Ohms.

R= 50 Ohms.                  E= P.T                               P= 288 W = .288KW

T= 15 min.= .25h           E= .288 KW x .25 h            E= .072 KWh

4.- Calcula la potencia eléctrica de un motor eléctrico por el que pasa una intensidad de corriente de 3A y que tiene una resistencia de 200 Ohms. Calcula la energía eléctrica consumida por el motor si ha estado funcionando durante 10 minutos.

Datos:                              Fórmula.

I= 3A                               P= I² x R                           P= (3A²) X 200 Ohms.

R= 200 Ohms.                E= P.T                              P= 1800 W = 1.8 Kw

T= 10 min.= .166h          E= 1.8 KW x .166 h          E= .3 KWh

5.- Calcule el tiempo de consumo de energía en un refrigerador que consumió 8 KWh si el refrigerador tiene una resistencia de 85 Ohms y una diferencia de potencial de 120  Volts.  

Datos:                              Fórmula.

V= 120 V                        P= V²/ R                            P= (120²) / 85 Ohms.

R= 85 Ohms.             si  E= P.T                              P= 169.41 W = .169 Kw

E= 8 KWh                       T= E/P                              T= 8KWh/ .169 KW

T= 47.22 h

II Conversiones de unidades.

6.- Convertir 90 HP a KW.

1HP = 745.7 W

90HP x 745.7 W/1HP = 67113 W/1000 = 67.113 KW

7.- Convertir 85.3 ft.lb/s a HP.

1 ft.lb/s = 1356 W

1 HP = 745.7 W

85.3 ft.lb/s x 1356 W  /  1 ft.lb/s x 1HP / 745.7 W = 155.11 HP

8.- Convertir 78.2 J/s a ft.lb/s.

1 J/s = 1W

1 lb.ft/s = 1356 W

78.2 J/s x 1 ft.lb/s  / 1356 J/s ( es igual a 1 W)= .00073 lb.ft/s

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