Fuerza electromotriz (fem)
Una fem es un dispositivo capaz de producir y sostener un campo eléctrico en el interior de un conductor. Por ejemplo una pila, una batería, una dínamo, etc.
En un circuito se la indica con el siguiente símbolo:
Una Fem siempre transforma algún tipo de energía en energía eléctrica:
Pila: Transforma energía química en eléctrica
Dínamo y alternador: Transforman energía mecánica en eléctrica Fotocélula: Transforman energía lumínica en eléctrica
Fem
Termocupla: Transforma energía térmica en eléctrica
Pila de Volta
Alessandro Volta (1745-1827), gran científico italiano, fue quien invento la primera pila eléctrica, que hoy conocemos con el nombre de pila de Volta.
La pila de volta está compuesta de tres partes: un par de placas metálicas distintas, llamadas
electrodos, una solución ácida llamada electrolito y un recipiente no conductor, llamado celda.
Se han probado y usado muy diversas combinaciones de materiales en estas celdas; por ejemplo cinc y cobre como electrodos; ácido sulfúrico diluido en agua como electrolito y un recipiente de vidrio o goma dura como celda.
Las moléculas individuales de ácido sulfúrico ( H SO2 4 ) están compuestas de siete átomos cada una: dos átomos de hidrógeno, uno de azufre y cuatro de oxígeno. Cuando se vierte un poco de ácido concentrado en una celda llena de agua que tiene los electrodos de cobre (Cu) y cinc (Zn) se produce una reacción química de manera que el cinc se combina con el ácido formando sulfato de cinc ( ZnSO4 ), esta reacción, tiene como consecuencia la liberación de electrones en el electrodo de cinc, quedando cargado entonces con carga negativa, a su vez el electrodo de cobre tiene que ceder electrones quedando cargado positivamente.
Tensión (Diferencia de potencial)
El valor de una fem se mide a través de una magnitud denominada tensión.
La tensión de una fem, indica la cantidad de energía que dicha fem le entrega a cada unidad de carga. La unidad en que se mide se denomina Volt y se indica con V.
Una tensión de 1 Volt indica que cada Coulomb de carga entregado dispone de una energía de 1J para realizar trabajo. Es decir:
1
1
1
=
J
V
C
Una batería de 9V indica que cada Coulomb empujado por ella dispone de una energía de 9 Joule.
Corriente eléctrica
Si se unen los electrodos de una fem con un alambre conductor, observaremos que en pocos instantes aumenta su temperatura y emite calor. La explicación de este fenómeno está relacionada con lo que sucede en el interior del conductor a nivel microscópico.
La presencia de la fem genera en el interior del conductor un campo eléctrico que se dirige desde el polo positivo al negativo, este campo aplica fuerzas sobre cada uno de los electrones libres (cargados negativamente) obligándolos a moverse en el sentido opuesto al él.
De ésta manera comienza a circular un flujo de electrones continuo desde el electrodo negativo al positivo, que continuará mientras la fem tenga energía para producir la diferencia de potencial y por ende el campo. A éste flujo de electrones se lo denomina corriente eléctrica.
Entendamos que la fem es la que impulsa los electrones, cuanto mayor sea la diferencia de potencial que produzca, mayor será el flujo de electrones que circule por el conductor. Podemos concluir entonces que para que exista una corriente eléctrica deben existir tres elementos:
1- Un conductor, es el medio por donde circulará la corriente.
2- Electrones, es el conductor quien aporta sus innumerables electrones libres.
3- Una fuerza electro motriz (fem), encargada de producir la tensión que impulsa a los electrones a través del conductor.
Es claro que el flujo de electrones a través del conductor podrá ser más o menos veloz de acuerdo a leyes que pronto estudiaremos. Por esa razón se hace necesario definir una magnitud física que permita medir la rapidez con que fluyen los electrones.
Intensidad media de corriente eléctrica
La de corriente eléctrica ( I ) es una magnitud escalar cuyo valor se obtiene como el cociente
entre la cantidad de carga (ΔQ) que atraviesa la sección de un conductor en un intervalo de tiempo (Δt) y el valor de dicho intervalo.
Δ
=
Δ
Q
I
t
Unidades:[ ] [ ]
I
=
[ ]
Q
=
C
=
A A
(
)
t
s
mpère
La intensidad de corriente que circula por un conductor es de 1A cuando una sección del mismo es atravesada por 1 C de carga en cada segundo.
Corriente continua:
Cuando la intensidad y sentido de una corriente permanece constante a lo largo del tiempo, la corriente se denomina continua (CC o DC).
Esto se representa en el siguiente gráfico de intensidad en función de tiempo.
Ley de Ohm
Al conectar un conductor a una fem se observa que la intensidad de corriente que por él circula depende del valor de la tensión. Si se cambia el conductor para una misma tensión, la intensidad de corriente también cambia. Un Profesor de Física alemán llamado Georg Simon Ohm (1787-1854) estableció experimentalmente una ley, que si bien no es una ley fundamental de la física, por sus aplicaciones prácticas, cambió la historia de la electricidad.
Ley de Ohm:
La intensidad de corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la tensión a la que se lo conecta, siendo la constante de proporcionalidad que las relaciona, una magnitud que depende de las características físicas del conductor denominada resistencia eléctrica ( R ).
I
V
R
=
R
V
I
R
I
V
=
⋅
⇒
=
⇒
Unidades[ ] [ ]
=
[ ]
=
=
Ω
A
V
I
V
R
(Ohm)La resistencia eléctrica de un conductor es de 1 Ω cuando al conectarlo a una tensión de 1 V circula por él una intensidad de 1 A.
Resistencia eléctrica
La resistencia eléctrica es la propiedad que tienen los conductores de transformar la energía eléctrica en calor, todas las sustancias conductoras ofrecen resistencia al pasaje de corriente, pues, al desplazarse los electrones por el interior del conductor, van siendo atraídos por los átomos que lo conforman produciendo sucesivos choques que se manifiestan a través del aumento de su temperatura.
Fue precisamente Ohm quien también experimentalmente descubrió de qué factores dependía la resistencia de un conductor estableciendo que:
a- A mayor longitud de conductor mayor resistencia.
b- A mayor sección de conductor (grosor), menor resistencia.
c- Distintas sustancias tienen distintas resistencias específicas, por ejemplo el cobre tiene menor resistencia específica que el aluminio.
d- Algunas sustancias aumentan su resistencia eléctrica con la temperatura y otras la disminuyen.
Resistor
El resistor es un elemento especialmente construido de manera que su resistencia eléctrica sea muchísimo mayor que la del resto de los conductores que forman un circuito eléctrico. Los resistores se utilizan en un gran numero de aparatos electrodomésticos para transformar la energía eléctrica en calor y o luz, por ejemplo en planchas, cafeteras eléctricas, estufas, bombillas, etc.
En general, para un circuito, la resistencia de los alambres que se utilizan para hacer las conexiones es despreciable frente a la resistencia de los resistores.
Veamos un circuito elemental en donde simbolizaremos los elementos básicos que lo componen: un resistor, una fem, una llave interruptora y los correspondientes alambres conductores.
Cuando el circuito está abierto no hay circulación de corriente pero cuando la llave se cierra, la fem obliga a los electrones a circular atravesando el resistor.
El resistor puede estar representando la resistencia de una estufa, la lamparilla de un velador, etc. La llave L, un interruptor de tecla, o la perilla del velador. La fem, una batería, una pila o simplemente el toma corriente de la red domiciliaria.
Ejemplo 2:
Un velador se conecta a la red domiciliaria de 220 V, si la resistencia de la lamparita con que está construido es 1100 Ω, calcular:
a- El valor de la tensión que suministra la fem y la intensidad de corriente cuando la llave interruptora está abierta.
b- Ídem cuando la llave interruptora está cerrada. Solución:
a- Cuando el interruptor esta abierto, no circula corriente por el circuito, es decir I=0, sin
embargo, la tensión suministrada por la fem es 220 V, pues ésta, en condiciones ideales, no depende de que el circuito este cerrado o abierto.
b- Cuando la llave se cierra, comienza a circular corriente, y el valor de la intensidad se calcula con la ley de Ohm.
220
0, 2
1100
=
=
=
Ω
V
V
I
A
R
Potencia disipada por una resistencia
La potencia, para un circuito eléctrico elemental, es una magnitud que mide la cantidad de energía que se transforma en calor en la unidad de tiempo. Como sabemos, se mide en Watt ( W ).
Para una resistencia conectada a una fem la potencia se calcula como el producto de la tensión aplicada por la intensidad de corriente que circula:
= ⋅
P
V I
Unidades:
[ ] [ ] [ ]
P
=
V
⋅
I
= ⋅ =
V A
W
Ejemplo 3:
Una plancha que se conecta a la red domiciliaria tiene una resistencia de 50 Ω, Calcular : a- La intensidad de corriente que circula por ella.
b- La potencia que transforma en calor. Solución:
a- La intensidad de corriente la obtenemos aplicando la ley de Ohm, teniendo en cuenta que la red domiciliaria tiene una tensión de 220 V.
220
4, 4
50
=
=
=
Ω
V
V
I
A
R
b- Ahora aplicamos la ecuación para calcular potencia:
220
4, 4
968
= ⋅ =
⋅
=
P
V I
V
A
W
Voltímetro y Amperímetro
El voltímetro es un instrumento que permite medir la tensión entre dos puntos de un circuito. Se conecta en paralelo con los puntos del circuito entre los cuales se desea medir la tensión.
El amperímetro es un instrumento que permite medir la intensidad de corriente eléctrica que circula por un elemento de un circuito. Se conecta en serie con el elemento en cuestión:
Tester o Multímetro
El tester es un instrumento que puede ser usado como voltímetro y como amperímetro (también puede medir otras magnitudes eléctricas como la resistencia, en este caso actúa como ohmetro). Una perilla de control permite seleccionar la función requerida y dar al mismo varias escalas o alcances máximos de medición.
Asociación de resistencias.
Un conjunto de resistencias pueden asociarse con distintos fines en el diseño de un circuito. Las formas básicas de asociarlas son dos, en serie y en paralelo.
Asociación en serie:
En este caso las resistencias están conectadas una a continuación de la otra de manera que la suma de las tensiones aplicadas en cada una de ellas es igual a la tensión aplicada a todo el conjunto. Consideremos tres resistencias conectadas en serie como indica la figura.
La intensidad de corriente que circula por cada resistencia es la misma pues, una vez cerrado el circuito, se establece una única corriente. Todos los electrones que pasan por R1 luego lo harán por R y por R2 3. Sin embargo cada resistencia tendrá una tensión diferente. La suma de las tensiones en cada resistencia dará como resultado la tensión aplicada por la fem.
Observen que si se abre el circuito en cualquier punto, dejará de circular corriente por todas las resistencias. Las guirnaldas de luces de un árbol de navidad están conectadas de esta manera. Por esta razón, si se quema una lamparita no anda ninguna.
La resistencia total de un conjunto de resistencias asociadas en serie es igual a la suma de cada una de las resistencias conectadas.
3 2 1
R
R
R
R
T=
+
+
Asociación en Paralelo:
En este caso las resistencias están conectadas a la misma tensión como indica el ejemplo de la figura para tres resistencias:
Pero la corriente total al llegar al punto “A” se divide en tres. Una parte pasará por R , otra por R y otra por R1 2 3 luego, al llegar al nodo “B”, volverán a unirse conformando nuevamente la I total.
3 2 1
I
I
I
I
T=
+
+
La resistencia total del conjunto en paralelo puede calcularse del siguiente modo:
3 2 1
1
1
1
1
R
R
R
R
T+
+
=
En este tipo de conexión, si se quema una resistencia, solo ella dejará de funcionar, y las demás continuarán funcionando como si nada hubiera pasado.
Todos los artefactos que conectamos en nuestra casa, están conectados en paralelo.
En un circuito real, las resistencias se suelen conectar en muchas combinaciones de serie y paralelo
Preguntas y problemas
1- ¿ Cómo se define la intensidad de corriente eléctrica?3- ¿ Qué es una pila de Volta y cuales son sus componentes principales? 4- ¿ Qué es una fem y en qué unidades se mide?
5- ¿ Qué dice la ley de Ohm y en qué unidades se miden las magnitudes que intervienen en ella?
6- ¿ Qué es un voltímetro y cómo se conecta? 7- ¿ Qué es un amperímetro y cómo se conecta?
8- ¿ De qué factores depende la resistencia de un conductor? 9- ¿ Qué es un resistor?
10- Calcular el valor de la resistencia eléctrica de un resistor que al ser conectado a una fem de 60 V deja circular una intensidad de corriente de 180 A.
Resp: 0,333 Ω.
11- Una plancha se conecta a 220 V y por ella circula una corriente de 5 A. ¿Cuál es el valor de su resistencia eléctrica?
Resp: 44
Ω
.12- ¿ Qué corriente circulará por un resistor de 24
Ω
que se conecta a 120 V? Resp: 5A.13- Calcular la tensión que habrá que aplicar a un resistor de 50
Ω
, para que por él circule una intensidad de corriente de 3,5 A.Resp: 175 V.
14- Por una resistencia de 20
Ω
pasa una carga de 120 C en un minuto. Suponiendo que la corriente es continua, calcular su valor y el valor de la tensión a la que esta conectada la resistencia.Resp: 2 A , 40V
15- Un calentador eléctrico tiene una resistencia de 50
Ω
y se lo conecta a una fem de 200 V. Calcular cual es su potencia.Resp: 800 W
16- Calcular la intensidad de corriente que circula por una equipo de aire acondicionado que tiene una potencia de 2000 W.
Resp: 9,1 A
17- Calcular la resistencia eléctrica del filamento de una lámpara de 100 W que se conecta a la red domiciliaria. (Sugerencia: Primero calcular la intensidad de corriente)
Resp: 484
Ω
18- En el siguiente circuito que re representa en el dibujo, cada resistencia representa una lamparita eléctrica. Qué lamparitas se encenderán si:
a) Solo se cierra el interruptor L1
b) Se cierran todos los interruptores menos L1 c) Se cierran solo L y L1 2
, L y L e) Se cierran solo L1 2 4 f) Se cierran todos menos L2 g) Se cierran todos