Transcript la electricidad. conceptos generales.

ING. CRISTIAN TAPIA C.
LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
INTRODUCCIÓN
La electricidad es una de las formas de energía que mas
ventajas y comodidades aporta a los seres humanos en
la actualidad.
Luz con lámparas eléctricas; calor con cocinas, hornos y
calefacciones; frio con frigoríficos y equipos de aire
acondicionado; fuerza motriz con motores (ascensores,
maquinas
herramientas,
vehículos
eléctricos,
electrodomésticos, etc.), sistemas de información, etc.
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CONCEPTOS GENERALES.
CONTENIDO
 Sistemas de producción, transporte y distribución de
la energía eléctrica.
 Efectos de la electricidad.
 Naturaleza de la electricidad.
 Carga eléctrica.
 Corriente eléctrica.
 El circuito eléctrico.
 Formas de producir electricidad.
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CONCEPTOS GENERALES.
 Intensidad de la corriente eléctrica y su medida.
 Corriente continua y corriente alterna.
 Tensión eléctrica y su medida.
 Fuerza electromotriz.
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CONCEPTOS GENERALES.
PRODUCCIÓN Y CONSUMO DE ELECTRICIDAD
La electricidad → produce en las centrales eléctricas.
Hidráulica.
Térmica.
Nuclear.
Energía Eléctrica
Solar.
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El Generador Eléctrico:
 Se basa en el fenómeno que fue descubierto en 1820,
por Faraday.
 Cuando se mueve el conductor dentro de un campo
magnético (imán o electroimán) se produce
electricidad.
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En un generador eléctrico se hacen mover bobinas en
sentido giratorio en las proximidades de campos
magnéticos producidos por imanes o electroimanes.
Antes → centrales eléctricas
continua mediante dinamos.
producían
corriente
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CONCEPTOS GENERALES.
Ahora → centrales eléctricas producen corriente alterna
trifásica mediante alternadores trifásicos → se puede
transportar la electricidad a grandes distancias.
El transporte se realiza a través de líneas eléctricas, las
cuales producen grandes perdidas de energía en forma
de calor.
Para reducir estas perdidas se utilizan líneas de alta
tensión (220.000, 380.000 voltios).
Se disminuye la corriente → electricidad puede recorrer
grandes distancias con pocas perdidas.
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CONCEPTOS GENERALES.
Los aparatos que consiguen elevar la tensión son los
transformadores eléctricos → corriente alterna.
Las líneas eléctricas de alta tensión transportan la
energía eléctrica desde las centrales hasta las
proximidades de los centros de consumo.
Estas líneas constan de tres conductores (son de
aluminio reforzados con acero) sujetos a torres
metálicas de celosía y de gran altura.
Mayor es la tensión de la línea → mayor altura tienen
las torres.
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CONCEPTOS GENERALES.
Las subestaciones de transformación preparan la
energía eléctrica para ser distribuida, en un mayor
numero de líneas, hacia los centros de consumo
(grandes industrias, pequeñas poblaciones, sectores de
la ciudad, etc.).
Esto se lleva a cabo con varios transformadores
reductores que proporcionan media tensión en su
salida.
Por ultimo, se sitúan transformadores reductores cerca
de los consumidores y se lleva a cabo la ultima
reducción de la tensión, suministrando 120 o 220V.
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EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD
Que es la electricidad? Es lo que hace girar los motores,
lucir las lámparas, etc., en definitiva una fuerza, que
como tal es invisible y solo se notan sus efectos.
Los efectos fundamentales que se conocen de la
corriente eléctrica son:
Efecto térmico
Al fluir la corriente eléctrica por ciertos materiales
conductores, llamados resistivos, como el carbón se
produce calor en los mismos.
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CONCEPTOS GENERALES.
Ej.: calefacciones, cocinas, hornos, calentadores de
agua, planchas, secadores, etc.
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Efecto luminoso
Lámpara incandescente → al fluir por su filamento
resistivo una corriente eléctrica, este se calienta a altas
temperaturas, irradiando luz.
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Efecto químico
Al fluir la corriente eléctrica por ciertos líquidos, estos se
disgregan → electrolisis.
Con esto se pueden producir productos químicos y
metales, baños metálicos (galvanización) y recarga de
baterías de acumuladores.
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Efecto magnético
Al conectar una bobina a un circuito eléctrico, aquella
produce un campo magnético similar al de un imán →
atracción sobre ciertos materiales.
Ej.: electroimanes, motores
instrumentos de medida, etc.
eléctricos,
altavoces,
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CONCEPTOS GENERALES.
La Electricidad
Es una manifestación física que tiene que ver con las
modificaciones que se dan en las partes mas pequeñas
de la materia, en los átomos → electrones.
Experiencia 1.1: Consigue un bolígrafo de plástico y
frótalo con un paño de lana. Seguidamente, acércalo a
unos pedacitos de papel.
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CONCEPTOS GENERALES.
Para explicar → la experiencia 1.1 es necesario
comprender los cambios que se han producido en las
partes mas pequeñas de la materia.
Los materiales → están compuestos por moléculas → a
su vez estas se componen de átomos.
Por ejemplo la molécula de agua se compone de dos
átomos de hidrogeno y uno de oxigeno → H2O
Átomo → esta compuesto de partes mas pequeñas →
núcleo y los electrones.
Núcleo → protones y neutrones.
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Los electrones giran a gran velocidad en orbitas
alrededor del núcleo.
Si fuera posible situar un electrón frente a un protón, se
podría observar un fenómeno de atracción.
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CONCEPTOS GENERALES.
Si enfrentamos dos electrones o dos protones estos se
repelen.
Protón y electrón → propiedad que se manifiesta en
forma de fuerzas de atracción y de repulsión; nos
estamos refiriendo a la carga eléctrica.
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CONCEPTOS GENERALES.
Esta carga eléctrica es de diferente signo para el electrón
y para el protón:
 El protón tiene carga eléctrica positiva.
 El electrón tiene carga eléctrica negativa.
Protones → se mantienen confinados y muy próximos
entre si en el núcleo, debido a las enormes fuerzas de
carácter nuclear.
Neutrones no poseen carga eléctrica y aportan masa al
núcleo.
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CONCEPTOS GENERALES.
Los electrones mas alejados del núcleo son atraídos con
menor fuerza por el mismo, lo que hace posible su
movilidad hacia otros átomos.
Átomo con carga neutra: es un átomo que posee el
mismo numero de electrones que de protones.
Así, por ejemplo, un átomo de litio posee 3 protones y 3
electrones: 3(+) + 3(-) = 0.
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CONCEPTOS GENERALES.
Átomo con carga positiva: si por algún medio
conseguiríamos arrancar electrones de las ultimas
orbitas de los átomos, entonces habría mas carga
positiva en dicho átomo.
Así por ejemplo, al frotar con un paño el litio, es posible
que se arranque un electrón de su ultima orbita → 3(+)
+ 2(-) = 1(+).
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Átomo con carga negativa: si por algún procedimiento
conseguimos
agregar
electrones
a
un
átomo
eléctricamente neutro, entonces habría mas carga
negativa en dicho átomo
En el ejemplo del litio, al añadir un electrón en su
ultima orbita da como resultado una carga negativa:
3(+) + 4(-) = 1(-).
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CONCEPTOS GENERALES.
Electricidad Estática
Al frotar determinados materiales aislantes, estos
pierden o ganan electrones, lo que origina cargas
eléctricas estáticas en dichos materiales.
Al frotar el bolígrafo de plástico con el paño, se
transfieren electrones de un elemento a otro, quedando
el bolígrafo cargado eléctricamente.
El tipo de carga (positiva o negativa) con la que se
electrizan los materiales después de haber sido frotados
depende de los materiales que se empleen en el proceso.
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CONCEPTOS GENERALES.
Ej.: si se frota una barra de vidrio con un paño de lana,
los electrones se transfieren del vidrio hacia el paño,
quedando electrizado el primero con carga positiva.
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CONCEPTOS GENERALES.
Si lo que frotamos es una barra de ebonita con una piel
de animal, los electrones son transferidos de la piel a la
ebonita, quedando esta ultima cargada negativamente.
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Que ocurre si después de frotar dos barras de vidrio se
acercan?
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Que ocurre si después de frotar una barra de vidrio y
una de ebonita las barras se acercan?
El causante en todo momento de la electrización de los
cuerpos es el electrón → carga y movilidad para
desplazarse por los materiales.
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CONCEPTOS GENERALES.
Carga Eléctrica
Se conoce como carga eléctrica de un cuerpo al exceso o
defecto de electrones que este posee:
 Carga negativa significa exceso de electrones.
 Carga positiva significa defecto de electrones.
La unidad de carga eléctrica es el culombio.
1 culombio equivale aproximadamente a un exceso o
defecto de 6 trillones de electrones (1 culombio =
6,3*1018 electrones).
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Ejemplo 1.1.
Determinar la carga eléctrica que tiene una barra de
ebonita si una vez frotada posee un exceso de 25,2*1018
electrones:
25,2 ∗ 1018
𝑄=
= 4 𝑐𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑖𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎
6,3 ∗ 1018
Ley de Coulomb
Coulomb consiguió medir la fuerza que desarrollan las
cargas eléctricas cuando se encuentran muy próximas.
De esta forma, dedujo que:
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Dos cargas eléctricas puntuales Q1 y Q2 ejercen una
sobre otra fuerzas de atracción y repulsión que son
directamente proporcionales al producto de dichas
cargas e inversamente proporcionales al cuadrado de la
distancia que las separa.
𝑄1 ∗ 𝑄2
𝐹=𝐾∗
𝑑2
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Si expresamos la fuerza (F) en newtons, las cargas Q1 y
Q2 en culombios y la distancia (d) en metros, la
constante de proporcionalidad (K) para el vacío o el aire
será:
2
2
𝑁
∗
𝑚
𝑁
∗
𝑚
𝐾 = 8,987 ∗ 109
= 9 ∗ 109
2
𝐶
𝐶2
Ejercicios:
1. ¿Cuál es la carga eléctrica en culombios que circula
por un cable, si pasan 31,151018 electrones?
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
2. ¿Qué fuerza surge entre dos cargas, una positiva de
4C, y otra negativa de 12C, separadas 0,5m en el
vacío? ¿Es de atracción o de repulsión?.
3. ¿A que distancia se encuentran dos cargas de 0,02C
que se encuentran en el vacío, si se repelen con una
fuerza de 1440N?.
4. Si dos cargas se repelen con una fuerza de 1800N,
en el vacío, a una distancia de 2m, y una de las
cargas es de 0,2mC ¿Cuál es el valor de la otra
carga?
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CONCEPTOS GENERALES.
Campo Eléctrico
Cuando frotamos el bolígrafo y este atrae a los papelitos,
ello es debido a que el bolígrafo ha desarrollado un
campo de fuerzas eléctricas. Estamos hablando del
campo eléctrico. Así, se puede decir que:
Un campo eléctrico es una región del espacio en el que
una carga eléctrica esta sometida a una fuerza de
carácter eléctrico.
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
El valor del campo eléctrico en un punto del espacio es
la Intensidad de Campo, E, en dicho punto y se define
como la fuerza, F, que ejerce el campo eléctrico sobre
una unidad de carga positiva, q, situada en ese punto.
𝐹
𝐸=
𝑞
𝑄∗𝑞
𝐹=𝐾∗ 2
𝑟
𝑄∗𝑞
𝐾∗ 2
𝑄
𝑟
𝐸=
=𝐾∗ 2
𝑞
𝑟
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Como la intensidad de campo es un vector, tendrá una
dirección, un punto de aplicación y un sentido.
El sentido de la intensidad de campo en un punto es el
sentido de la fuerza existente entre la carga que origina
el campo eléctrico y la unidad de carga positiva situada
en dicho punto.
La unidad de la intensidad de campo eléctrico, en el SI,
es el voltio/metro (V/m).
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Ejercicios:
1. Calcular la intensidad de campo eléctrico en un
punto situado en el mismo plano y a 2cm dirección
norte de una carga positiva de 2*10-6C?
2. Hallar el campo creado en el vértice de un triangulo
equilátero de 2cm de lado, por dos cargas positivas de
2C que están situadas en los vértices restantes.
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CONCEPTOS GENERALES.
Movimiento de Electrones
Supongamos que cargamos eléctricamente, por
frotamiento, una bola de vidrio y otra de ebonita y las
disponemos tal como se indica en la figura:
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Si ahora unimos eléctricamente
mediante un hilo conductor:
las
dos
esferas
Ahora por el camino conductor se puede desplazar los
electrones de una esfera a otra, aparece un movimiento
de electrones por el mismo hasta que las cargas queden
compensadas → diferencia de cargas deja de existir.
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CONCEPTOS GENERALES.
Al movimiento de electrones que se establece por el
conductor se denomina corriente eléctrica.
A la diferencia de cargas que se establece entre los dos
cuerpos cargados eléctricamente, y que es la causante
del movimiento de electrones se la conoce como tensión
o diferencia de potencial.
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN N° 1:
ELECTRICIDAD ATMOSFÉRICA
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
El circuito Eléctrico
Experiencia 1.2: Consigue una pila y una lámpara de
linterna y conéctalas con unos conductores de cobre tal
como se indica en la figura:
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Existe otra forma mas fácil de hacer un dibujo eléctrica,
tal como se muestra en la siguiente figura.
Se denomina esquema eléctrico, y en el se representa
sus elementos (pila, conductores y lámpara) mediante
símbolos normalizados.
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
Las condiciones que se han de dar para que se forme un
circuito eléctrico básico como el de la figura son:
 Un GENERADOR, que se encarga de generar una
diferencia de cargas o tensión entre sus dos polos →
pila de 4,5V.
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LA ELECTRICIDAD.
CONCEPTOS GENERALES.
 Un CONDUCTOR, que permite que fluyan los
electrones de una parte a otra del circuito →
conductor de cobre.
 Un RECEPTOR o aparato eléctrico, que aprovechando
el movimiento de electrones consigue transformar la
energía eléctrica en energía calorífica, luminosa,
motriz, etc. → lámpara.
A la diferencia de cargas que se establece entre los dos
cuerpos cargados eléctricamente, y que es la causante
del movimiento de electrones se la conoce como tensión
o diferencia de potencial.
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