Title: Unidad 2
Course: Física Cultiva 3 BGU

Corriente eléctrica

▲ La bombilla incandescente posiblemente es el elemento eléctrico más importante que trasformó la vida humana.

Hoy en día, las diversas actividades de la humanidad giran en torno a la energía eléctrica. Casi todo lo que nos rodea funciona con electricidad: el Internet, las computadoras, los celulares, los electrodomésticos y tantos otros equipos y sistemas. Dentro de nuestras viviendas hay circuitos eléctricos que desembocan en enchufes o en las boquillas de los focos. La base teórica para poder entender cómo funcionan los circuitos, las baterías, el voltaje, los aislantes o los conductores será analizada en esta unidad, mediante ejemplos de aplicación para un mejor entendimiento. Debemos tener claro que en la física todo lo que se aprende puede ser aplicado. Incluso, pueden crearse analogías o partir de algunos conceptos para demostrar otros.

  Objetivos

1. O.CN.F.2. Comprender que la física es un conjunto de teorías cuya validez ha tenido que comprobarse en cada caso, por medio de la experimentación
2. O.CN.F.3. Comunicar resultados de experimentaciones realizadas, relacionados con fenómenos físicos, mediante informes estructurados, detallando la metodología utilizada, con la correcta expresión de las magnitudes medidas o calculadas.
3. O.CN.F.9. Diseñar y construir dispositivos y aparatos que permitan comprobar y demostrar leyes físicas, aplicando los conceptos adquiridos a partir de las destrezas con criterios de desempeño.

  La física y las profesiones

Ingeniería Electrónica

Esta carrera corresponde a uno de los campos con mayor importancia dentro del desarrollo sustentable, pues perfecciona nuevas tecnologías que contribuyen al progreso de un país, en los ámbitos de la electricidad y la electrónica. Los profesionales  de esta especialidad son responsables de controlar sistemas automatizados, y operar ambientes modernos que necesitan el manejo de circuitos eléctricos óptimos.

En los últimos años, esta profesión se ha desarrollado más con la introducción de complejas tecnologías en las viviendas: casas que tienen controles remotos para abrir ventanas y garajes, o para encender luces a distancia. Estas tecnologías necesitan del conocimiento electrónico.

Universidades como la Escuela Politécnica Nacional, la Universidad Salesiana, la ESPOCH y la Universidad Católica de Guayaquil ofrecen esta carrera.

Conoce más en: www.cursosycarreras.com.ec/ingenieria-electronica-C-349

Cargas y flujo eléctrico

CN.F.5.1.47. Conceptualizar la corriente eléctrica como la tasa a la cual fluyen las cargas a través de una superficie A de un conductor, mediante su expresión matemática, y establecer que cuando se presenta un movimiento ordenado de cargas –corriente eléctrica– se transfiere energía desde la batería, la cual se puede transformar en calor, luz o en otra forma de energía.

● Cargas y flujo eléctrico

Saberes previos

¿Qué entiendes por simetría?

Desequilibrio cognitivo

Si un balón de fútbol es simétrico en todo sentido, ¿es simétrico también un balón de fútbol americano? Explica.

Es importante entender el término “simetría”, ya que nos ayuda al desarrollo de problemas que, a simple vista, pueden resultar complicados. En física tenemos sistemas simétricos que permiten evitar la realización de un sinnúmero de cálculos innecesarios. En ese sentido, debemos realizarlos una sola vez, con la particularidad de que los resultados serán los mismos.

Para entender la simetría se requiere idealizar una esfera; esta, desde cualquier perspectiva desde la que la observemos, es simétrica. Si trazamos un eje llamado “eje de simetría” por el centro de la esfera, miramos las mismas propiedades (forma y tamaño) a cualquier lado del eje (Figura 2.1.).

▲  Figura 2.1.

Carl Friedrich Gauss (Alemania, 1777-1855) formuló en 1835 la ley que es conocida como la ley de Gauss; en ella utilizó la simetría para simplificar problemas con respecto al campo eléctrico. El objetivo de Gauss con la demostración de esta ley fue determinar la relación que existe entre el campo eléctrico y las cargas eléctricas; asimismo, establecer la distribución que tienen las cargas dentro de los conductores. Gauss nos muestra que si tenemos una carga eléctrica, esta se encuentra encerrada en una esfera o en una superficie sin aberturas. Para saber si hay carga y el tipo de carga que existe dentro de esa superficie, hacemos uso de una carga conocida como “q_o”; dependiendo de los resultados, podemos definir el tipo de carga que se encuentra dentro del espacio encerrado (Figura 2.2).

▲ Figura 2.2. Una carga encerrada.

Ejercicios resueltos

Ejercicio 1

Un campo eléctrico rodea a una placa rectangular de 30 cm x 50 cm. La intensidad del campo eléctrico es de 5 x 10^6 N/C. El flujo forma un ángulo de 30° con la placa.

Ø_E = E · Acosθ
Ø_E = 50 × 10^6 N/C · 0,3m · 0,5m cos (30º)
Ø_E = 649519,05 Nm^2/C

Ejercicio 2

Un campo eléctrico rodea a una placa circular de 30 cm de radio. Si el flujo forma un ángulo de 15º con el campo eléctrico y tiene una magnitud de 400 000 Nm^2/C. ¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico?

Ø_E = E · Acosθ

E = 1 464 616,19 N/C

Se definen dos tipos de flujos: saliente y entrante. Los flujos dependen  del sentido en que están las cargas (Figura 2.3.).

▲  Figura 2.3. Flujos salientes y entrantes.

El “flujo neto” se refiere a lo que está sucediendo con respecto al tipo de cargas o al sentido que estas tienen. Anteriormente definimos a los flujos como entrantes o salientes. Ahora bien, para un último caso, nos imaginamos que la misma cantidad de flujo que entra es igual a la que sale o que simplemente no existen cargas. En este caso se dice que no existe “flujo neto” porque no existe un dominio de cargas o se encuentran las cargas en equilibrio eléctrico.

▲  Figura 2.4. Flujo saliente y entrante.

Cuando estudiamos el comportamiento que puede producirse en la mecánica de fluidos en tubos, observamos que la cantidad de agua que pasa por una sección se llama "caudal". Esta analogía se usa en corriente llamándola “flujo eléctrico”, donde E es la intensidad del campo y A es la sección transversal en análisis. Debemos además tomar en cuenta que el flujo eléctrico se mantiene constante. Al variar la sección, la intensidad disminuye y viceversa.

Ø_E = E · Acosθ

Gauss, al estudiar este fenómeno, enunció: “El flujo eléctrico de una carga encerrada en una superficie es proporcional a la carga dentro de la superficie”.

Intensidad de corriente eléctrica

CN.F.5.1.48. Analizar el origen atómico-molecular de la resistencia eléctrica en función de comprender que se origina por colisión de los electrones libres contra la red cristalina del material, y definir resistencia eléctrica con la finalidad de explicar el significado de resistor óhmico.

● Intensidad de corriente eléctrica

Saberes previos

¿Qué es el caudal en un fluido y cómo se define?

Desequilibrio cognitivo

¿Las líneas de flujo de un campo eléctrico se cruzan entre sí?

Vamos a continuar con el ejemplo de una tubería que transporta un líquido, pero esta vez el caudal, es decir, el flujo de corriente, estará conformado por cargas negativas (electrones) y cargas positivas. Lo importante para entender la intensidad de corriente es saber que convencionalmente, en un conductor, las cargas positivas se mueven en el sentido del flujo y las cargas negativas son contrarias al movimiento. Esto se expresa de la siguiente manera (Figura 2.5.):

▲ Figura 2.5. Dirección del movimiento de las cargas a través de un medio.

Es importante recalcar que el campo eléctrico E brinda la dirección de la intensidad eléctrica I. Esta intensidad dependerá principalmente de la carga Q durante un tiempo t, expresado mediante la ecuación:

La intensidad es medida en Amperios (A), lo que corresponde a 1 coulomb / segundo.

Ahora bien, hemos definido la intensidad, el tiempo y el campo
eléctrico, pero nos falta la velocidad en este caso constante, llamada "velocidad de deriva" (v_d). La vamos a estudiar cuando un flujo, es decir,  cuando la carga total Q se transporta por un medio conductor con un volumen “V”. Si realizamos un análisis en función de la intensidad de corriente (I = Q/t), la velocidad de deriva se expresa de la siguiente manera:

suponiendo que el flujo se desplaza con velocidad constante.

▼ Tabla 1

La carga total se define como

Q = n.q.V,

donde:

n = número de cargas en ese volumen determinado
q = carga
V = volumen en análisis

Si demostramos la intensidad en función del número de cargas y el volumen analizado, resulta que:

I = A.v_d.n.q

En donde I es la intensidad de corriente y A es superficie de la sección transversal.

Existen también otras propiedades de gran importancia que son la “densidad de corriente” J y la “resistividad” ρ. Siendo la “densidad de corriente” la relación de la intensidad de corriente I por sección transversal A; mientras que la resistividad se relaciona con las propiedades del material en resistencia al flujo eléctrico en el medio conductor. Existe un fenómeno sumamente curioso, y es que nosotros entendemos a las cargas negativas como electrones que se mueven en la corriente eléctrica, pero estos electrones, al ser sometidos a diferentes tipos de materiales y a unos cambios de temperatura altos, obligan a que estos se transporten dentro del conductor de una manera muy brusca y rápida, provocando así una mayor resistividad. Vale la pena recordar que los electrones tienen trayectorias arbitrarias, nunca siguen un flujo ordenado, y la resistencia dependerá de la sección transversal del conductor y de la longitud de este.

Laboratorio casero

Mira el enlace del
video: www.mayedu.ec/fis3/p53 y construye uniendo botellas de plástico el modelo de explicación mecánico análoga a la ley de ohm.

A la densidad de corriente J podemos expresarla con la siguiente ecuación:

Y a la resistencia la expresamos de la siguiente manera, en función de la longitud y el área:

donde la resistividad ρ:

La resistencia se mide en Ohmios (Ω) y se trata de la relación entre1 Voltio (V) y Amperios (A).

Debemos tomar en cuenta que una cosa es la velocidad de deriva, es decir, la rapidez con la que se mueven los electrones, un movimiento muy lento de apenas unos centímetros por segundo, y otra muy diferente es la velocidad de la energía eléctrica que se mueve casi a la velocidad de la luz, 300 000 km/s. Pero ¿cómo puede ser
posible? Cuando existe una diferencia de potencial, inmediatamente se produce la energía eléctrica de tal modo que todos los electrones se movilizan muy lentamente, pero casi en el mismo instante.

Recuerda que...

La resistencia se mide con un óhmetro, y se conecta entre los dos extremos de la resistencia que vamos a medir,  desconectada del circuito eléctrico.

El voltaje se mide con un voltimetro y se lo conecta en el circuito en paralelo.

La intensidad de corriente se mide con un amperímetro y se lo conecta en serie en donde se quiera medir.

Ley de Ohm

CN.F.5.1.51. Comprobar la ley de Ohm en circuitos sencillos a partir de la experimentación, analizar el funcionamiento de un circuito eléctrico sencillo y su simbología mediante la identificación de sus elementos constitutivos y la aplicación de dos de las grandes leyes de conservación (de la carga y de la energía) y explicar el calentamiento de Joule y su significado mediante la determinación de la potencia disipada en un circuito básico.

● Ley de Ohm

Saberes previos

¿Qué son un material conductor y uno aislante?

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo crees que la temperatura afecta a los materiales?

Laboratorio casero

Comprueba empíricamente la ley de Ohm

Conecta un pequeño foco led a una pila y luego conecta dos pequeños focos en serie. Verás cómo la intensidad luminosa de los focos se reduce a la mitad.

▲ Figura 2.6.

Esta es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica. Describe el comportamiento del flujo eléctrico en un conductor, comportamiento que depende del material, pues unos materiales son mejores conductores que otros. También depende de la temperatura a la cual esté sometido el conductor.

Como hablamos anteriormente, la temperatura puede alterar la resistividad del material, que al calentarse excita en su movimiento a los electrones y provoca movimientos caóticos. Como consecuencia, varía la resistencia del conductor, y al variar la resistencia, varía también la intensidad de corriente de una forma inversamente proporcional.

La ley de Ohm describe que la intensidad de corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial. Esto nos indica que si aumentamos voltaje (la diferencia de potencial), también aumenta el amperaje (la intensidad de corriente) o viceversa.

El físico Georg Simon Ohm (Alemania, 1789-1854) enunció en 1827 su ley de la siguiente manera:

“El flujo de corriente que circula por un circuito eléctrico cerrado
es directamente proporcional al voltaje inducido, e inversamente proporcional a la resistencia de la carga que lo mantiene conectada”.

Ohm definió una ecuación que depende principalmente de la diferencia de potencial con respecto a la resistencia que tienen artefactos dentro de circuitos cerrados.

▲  Figura 2.7. Circuitos cerrados.

Sabías que

Para medir la resistividad (ohmetro) y la intensidad de corriente (amperímetro) se lo conecta en serie; para medir el voltaje (voltímetro) lo conectamos en paralelo.

▲  El físico Georg Simon Ohm desarrolló la ley de la electricidad que lleva su nombre.

A los artefactos o medios que producen una resistencia se los representa con . Estas resistencias pueden estar a lo largo del circuito; la diferencia de potencial viene dada por la fuente de energía (por ejemplo, una batería).

La ley de Ohm, como habíamos dicho, matemáticamente se expresa:

donde V_ab es la diferencia de potencial o voltaje brindado por la fuente, y R es la resistencia. Como podemos observar de la ecuación: a mayor resistencia, menor intensidad de corriente.

Debemos diferenciar claramente dos términos que algunas veces pueden prestarse a equivocación. Uno es la intensidad del campo eléctrico E, y otro muy diferente es la intensidad de corriente I.

La ley de Ohm nos permite entender el funcionamiento de la electricidad. A partir de este principio se han desarrollado todos los artefactos eléctricos y electrónicos.

El uso adecuado de los materiales en conductores, semiconductores y aislantes se aplica en el diseño y la construcción de los circuitos tanto eléctricos como electrónicos, cuya diferencia básica es que los primeros utilizan únicamente elementos conductores y aislantes, mientras que los segundos utilizan además semiconductores.

Ejercicio resuelto

En el siguiente circuito determinar que pasaría si se desconecta la resistencia de 3 la corriente.

Respuesta: la corriente circulará por todos los otros resistores y al haber menos resistencia la intensidad será mayor y variará el voltaje.

A continuación, podemos observar un esquema presentado con algunos signos relevantes dentro de la representación de circuitos:

▲  Figura 2.8. Nomenclatura usada en circuitos electrónicos.

Voltaje

CN.F.5.1.49. Describir la relación entre diferencia de potencial (voltaje), corriente y resistencia eléctrica, la ley de Ohm, mediante la comprobación de que la corriente en un conductor es proporcional al voltaje aplicado (donde R es la constante de proporcionalidad).

● Voltaje

Saberes previos

¿Qué son la intensidad de corriente y el campo eléctrico?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué los artefactos eléctricos que gastan mucha energía funcionan con 220 V y no con 110 V?

Es común que los enchufes de nuestras casas tengan un voltaje de 110 V. Escuchamos acerca del voltaje cuando se realizan las conexiones eléctricas durante el proceso de construcción. Esto tiene que ver con la diferencia de potencial entre los bornes del tomacorriente. Pero, antes de profundizar en el tema, primero veamos qué es el potencial eléctrico V, el cual corresponde a la energía potencial por unidad de carga. Este potencial V se puede regir a cualquier punto en un campo eléctrico y se representa de mejor manera en la siguiente expresión:

donde E_e se refiere a la energía potencial y q_o se refiere a una carga de prueba.

Es importante notar que existe una división entre dos magnitudes escalares, por lo que el potencial eléctrico es una magnitud escalar.
El potencial eléctrico es medido en voltios en honor a Alessandro Volta (Italia, 1745-1827) y equivale a:

1 voltio = 1 joule/coulomb.

Para que exista corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial entre los puntos a y b de un sistema. Esto quiere decir que la diferencia de potencial o voltaje es el trabajo realizado por unidad de carga en un sistema, por lo tanto, el trabajo realizado desde un punto a hasta un punto b se expresa como: . Si dividimos para la carga representativa a toda la ecuación y teníamos antes que podemos expresar al diferencial de potencial como:

V_ab = V_b – V_a.

Por ello, con la expresión obtenida podemos enunciar que:

V_ab es el diferencial de potencial o voltaje que ocurre desde un punto a hasta un punto b, y este, a su vez, es igual al trabajo que realiza una carga unitaria q_o que se desplaza desde un punto a hacia un punto b.

Como habíamos dicho, para que exista corriente eléctrica debe haber una diferencia de potencial, esto equivale a decir que la corriente se da por el movimiento de las cargas de mayor potencial a menor potencial en la búsqueda del equilibrio entre las cargas. Por ello podemos afirmar de modo netamente didáctico y convencional que la corriente circula de (+) a (‒).

Interdisciplinariedad

Física y química

Las baterías y su composición química

Las baterías están compuestas de elementos nocivos para el ser humano. Sin embargo, tienen un proceso químico interesante al estar compuestas por plomo, ácidos, níquel, hierro, cadmio e iones de litio. Los componentes influyen en los costos de fabricación e incluso en la vida útil de las baterías.

Las pilas son hechas con componentes químicos que tienen la capacidad de transformar energía química en energía eléctrica (que abastece a todo el circuito). Para transportar cargas eléctricas es necesaria una diferencia de potencial entre los bornes de una pila. No importa el potencial de cada borne, sino la diferencia de potencial.

Si expresamos la intensidad ya conocida por la ley de Ohm, quedaría y despejamos V_ab. Además tenemos que P = (I · R) · I. Podemos concluir, mediante la ley de Ohm, que la potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad a través de una constante R, de la siguiente manera:

Se tiene que tomar en cuenta que esto se aplica en el armaje de circuitos con base en una generación de energía mediante baterías o pilas, como se muestra a continuación:

Figura 2.9.

En la Figura 2.9. podemos ver un circuito simple en donde apenas tenemos un foco, que es una resistencia que transforma la energía eléctrica (generada por la pila) en energía lumínica. Tenemos también un interruptor que permite el paso o no de la corriente eléctrica, y se evidencia que la corriente eléctrica va del (+) al (‒). Los voltajes deben ser adecuados a los instrumentos. Por ello, cuando se brinda más voltaje del recomendado, se queman los artefactos.

Por ejemplo, en los celulares aparecen baterías hinchadas por el exceso de tensión que ejerce el voltaje frente a un receptor menor. No se debe dejar cargando toda la noche un celular, porque se le estaría sobreexigiendo por muchas horas más a las permitidas. Las fábricas de celulares recomiendan dos horas de carga como tiempo estándar; si se lo incumple, se reduce casi en un 50 % la vida útil de la batería del teléfono celular.

Resistencia y capacitancia

CN.F.5.1.48. Analizar el origen atómico-molecular de la resistencia eléctrica en función de comprender que se origina por colisión de los electrones libres contra la red cristalina del material y definir resistencia eléctrica con la finalidad de explicar el significado de resistor óhmico.

● Resistencia y capacitancia

Saberes previos

¿Qué son el voltaje y el flujo eléctrico?

Desequilibrio cognitivo

¿Se puede almacenar energía eléctrica? ¿Qué instrumentos almacenan calor?

La resistencia

Los metales están formados por átomos que forman una red cristalina. Esta red es una estructura por la que circulan los electrones, pero este movimiento es algo caótico, como un tráfico sin semáforos y sin respeto por las normas de circulación. Cuando al metal se lo calienta, la excitación de los electrones aumenta y, por lo tanto, la resistencia también aumenta. Lo mismo pasa cuando los cables son muy angostos o los cables son muy largos.

Pareciera que la resistencia es una dificultad, pero aprovechando esta propiedad, se aplican en los circuitos unos dispositivos electrónicos llamados "resistores" (comúnmente conocidos como resistencias), diseñados para bajar la intensidad de corriente o generar calor, como en el caso de una plancha o la luz de un foco.

 Figura 2.10.

Resistores en serie

La resistencia de resistores en serie (cuando se ubican unos a continuación de otros a lo largo de un conductor) (Figura 2.10.) es igual a la suma de cada una de las resistencias. La intensidad de corriente es la misma a través de cada una de las resistencias.

Y por la ley de Ohm:

Figura 2.11.

Resistores en paralelo

Cuando tenemos un circuito en paralelo (Figura 2.11.), la intensidad de corriente se distribuye y el voltaje, siguiendo la ley de Ohm, sería:

Como podemos observar, mientras que en un circuito en serie la resistencia total es la suma aritmética de cada resistencia, en paralelo el recíproco de la resistencia es igual a la suma de los recíprocos de las resistencias. Por otro lado, el voltaje en serie es igual a la suma de los voltajes de cada resistencia y en paralelo se mantiene constante. Es por ello que en las instalaciones eléctricas se realizan las conexiones en paralelo para que no existan caídas de voltaje.

Recuerda que...

Dentro de los circuitos eléctricos encontramos una serie de factores que pueden
intervenir en el flujo eléctrico que se transporta por un
medio. Por ejemplo, la temperatura y el tipo de material son factores que influyen en el flujo, pues cuando se aumenta la temperatura alrededor de un material, las cargas que fluyen
a través de este empiezan
a tener flujos turbulentos,
lo cual impide el paso de corriente. Esto ocurre también con la dilatación de los materiales: al disminuir su diámetro, se impide el paso de corriente eléctrica.

TIC

Mira el video:

www.mayedu.ec/fis3/p65

Discute con tus compañeros
y compañeras sobre los usos
de un capacitor o condensador.

La capacitancia

Para estudiar la capacitancia, tenemos que entender en primer lugar el término “condensador” como aquel objeto compuesto por dos placas, cuya función principal es la de almacenar energía. Por lo tanto, la capacitancia es la cantidad de carga y el potencial eléctrico que puede almacenar. Esta es medida en coulomb por voltio, equivalente al faradio (F) en honor a Michael Faraday (Inglaterra, 1791-1867).

▲ Figura 2.12. Representación de un condensador formado por dos placas, dos conductores y un dieléctrico.

▲  Condensador electrónico.

Estos instrumentos son utilizados para generar campos eléctricos y brindar pulsaciones eléctricas. También tienen funciones en los equipos de radio, al dejar pasar frecuencias.

Es importante saber que la energía acumulada en un condensador viene dada por el producto entre el diferencial de potencial y la carga

E = CV^2

Estrategias para resolver problemas

A primera vista, muchas veces resultan confusos los esquemas de circuitos en serie y en paralelo. Para resolver esta dificultad, realizamos un esquema del circuito abierto y observamos los nodos, es decir, los puntos en que están conectados dos o más dispositivos, sean resistencias, capacitores u otros.

Condensadores en serie y en paralelo

Decimos “en serie” cuando dos condensadores se encuentran como en la Figura 2.13a., y decimos “en paralelo” cuando se encuentran como en la Figura 2.13b.

▲  Figura 2.13. Tenemos dos tipos de posiciones para los condensadores, y es fundamental saber acerca de la colocación de los condensadores para llegar a un análisis.

Ejercicio resuelto

Determinar la resistencia total del siguiente circuito:

Abriendo el circuito

Si observamos la Figura 2.13b de condensadores en paralelo, al igual que lo que sucede con las resistencias, la diferencia de potencial entre los terminales de los condensadores es la misma en cada uno de ellos. Por lo tanto, tenemos que:

V_1 = V_2 = V_3

Además, entendemos que la carga se distribuye de tal forma que la suma de cada una de las cargas en los circuitos en paralelo nos da la carga total:

Q_T = Q_1 + Q_2 + ... + Q_n

Como sabemos, Q = VC. Por lo tanto, si reemplazamos Q, tenemos para cada sistema, según sus propiedades, que:

C_T = C_1 + C_2 + ... + C_n para condensadores en paralelo;

V_T = V_1 + V_2 + ... + V_n para condensadores en serie.

Ahora bien, observemos los condensadores en la Figura 2.13a. en serie. Si realizamos el mismo análisis, concluimos que:

 para condensadores en serie.

Como podemos observar, sucede lo contrario a lo ocurrido con las resistencias de los resistores. Es decir, en serie, la resistencia total es igual a la suma de cada una de las resistencias; y la capacitancia de un sistema de condensadores en paralelo es igual a la suma de las capacitancias de cada condensador.

Circuitos eléctricos y fuerza electromotriz

CN.F.5.1.50. Explicar que la batería produce una corriente directa en un circuito, a través de la determinación de su resistencia eléctrica e inferir que la diferencia de potencial entre sus bornes en circuito cerrado se llama FEM.

● Circuitos eléctricos y fuerza electromotriz

Saberes previos

¿Cómo se produce la corriente eléctrica en un circuito, y qué es necesario para que exista corriente y pueda funcionar cualquier artefacto eléctrico?

Desequilibrio cognitivo

Enumera algunos accesorios de los circuitos eléctricos y explica sus diferencias.

TIC

Aprende electrodinámica

En el siguiente enlace puedes encontrar una serie de pequeñas aplicaciones que te ayudarán en tu aprendizaje sobre la electrodinámica:

www.mayedu.ec/fis3/p68

Cuando se realizan construcciones de viviendas, oficinas, coliseos o edificios se pueden apreciar los planos para equipos eléctricos y electrónicos. En los planos se especifica, por decisión del diseñador, la ubicación de cada tomacorriente, foco y otros instrumentos que forman parte de la estructura, como se aprecia en la Figura 2.14.

▲ Figura 2.14. Las conexiones eléctricas generalmente se ubican detrás de las paredes para darle así un aspecto agradable a la vivienda.

En este apartado hablaremos de los tipos de corrientes. En primer lugar, tenemos la corriente alterna, la cual obliga a cambiar el sentido de circulación y su intensidad es variable. Tradicionalmente se usa en nuestras casas en las tomas de corriente. Esta puede ser producida por alternadores y centrales eléctricas.

Por otro lado, tenemos la corriente continua que, como su nombre lo indica, produce energía de manera constante sin variar en el tiempo. Generalmente es producida por las pilas y baterías, brindando a los artefactos electrónicos una capacidad limitada de voltaje. Su vida útil varía dependiendo del estado en que se encuentre la pila o batería, pues si se encuentra deteriorada, afectará el paso de voltaje y el artefacto electrónico dejará de funcionar.

Interdisciplinariedad

Central hidroeléctrica Coca Codo Sinclair

Se trata de la hidroeléctrica más grande del país. Actualmente produce 1 500 MW de potencia que permite abastecer a todo el país con una gran capacidad, aportando una energía media de 8,734 GWh/año. Esto ha generado 7 739 plazas de empleo y abastece a más de 20 000 habitantes del entorno.

Fuerza electromotriz

Ejercicio resuelto

La batería de un vehículo tiene un voltaje de 12 V y se considera una resistencia interna de apenas 0,07 Ω. Si con el paso del tiempo la batería del vehículo se va deteriorando y su resistencia interna se incrementa a 4 Ω, ¿cuál será el comportamiento de la batería y la intensidad de corriente para ambos casos, si está conectada a una resistencia de 5 Ω?

La intensidad de corriente se verá disminuida

Una fuente que suministre corriente eléctrica es llamada fuerza electromotriz con sus siglas FEM, fem o, muchas veces, ‘ε’. Para que esta fuente pueda impulsar cargas eléctricas a través de un circuito cerrado, este debe tener dos bornes, uno negativo y otro positivo, como lo vemos en las baterías de los autos. Es importante recalcar que el circuito será cerrado ya que, de no ser así, no habrá un circuito eléctrico y solo se encontrarán acumulaciones de carga en los extremos de los circuitos.

A la fem se la expresa en voltios (V). Es curioso observar que la forma de brindar energía es por medio de procesos químicos, como en el caso de las pilas que contienen zinc y carbón, o como en el caso de las baterías de los autos, que contienen plomo y ácido.

Cabe señalar que todo elemento que forma parte del circuito ocasionará una resistencia interna al sistema, expresada con la letra ‘r’.
Si consideramos la resistencia (V = IR) con respecto a la energía brindada y la intensidad, tenemos que:

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

Focos led,
el futuro de la
iluminación

Una luz led contiene diodos, también llamados diodos LED. Estos, cuando se encuentran polarizados directamente, emiten luz. La principal característica de un diodo led es permitir el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido, por lo que cuando el diodo es conectado en el mismo sentido que corre la corriente eléctrica, se dice que se encuentra polarizado directamente, produciendo luz a menores cantidades de consumo en comparación con las luces convencionales. Existen diodos semiconductores de diferentes colores (como el rojo, el verde y el azul), que permiten obtener diferentes tonalidades cuando se juega con estas luces. Este tipo de luces, por su menor consumo, suelen utilizarse en los árboles de Navidad.

¿Cómo se investiga en física?

¿Cómo se investiga en física?

Uso de la tecnología para investigación

En todos los campos de la física existen numerosas formas de investigación para las situaciones que nos rodean, desde medir el agua que pasa por un río, hasta calcular la velocidad a la que se traslada un objeto o las condiciones del suelo sobre el cual estamos ubicados. A lo largo de la historia se han creado nuevas formas de investigación. La humanidad, al constatar la comodidad de sistemas innovadores obtenidos por medio del uso de nuevas tecnologías informáticas, ha desarrollado un incontable número de artefactos para la medición de sistemas físicos. Por ejemplo, para medir las vibraciones que ocurren durante un sismo, se usan acelerómetros; para medir el tipo de movimiento de los sismos y definir las condiciones del suelo, se usan pequeños choques eléctricos por medio de un método llamado “sísmica de refracción” que se basa en una placa en la superficie.

Pero algo que nos llama la atención cada día es el gran desarrollo en el campo de la electricidad  y electrónica, ya que dentro de nuestros hogares necesitamos saber el tipo de corriente que utilizamos, e incluso observar los posibles peligros y daños que pueden causar las fallas en los sistemas eléctricos. Para saberlo, se utilizan instrumentos como los siguientes:

Galvanómetros

Voltímetros

Amperímetros

Multímetros

Sistemas de medición de energías transitorias

Actividad

En grupos de tres estudiantes, realicen una investigación de la función de cada uno de los instrumentos presentados anteriormente. Luego, desarrollen una exposición.

Laboratorio

Laboratorio

Armando circuitos

Datos informativos

Institución educativa:

Nombre de los estudiantes: ​

Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Materiales

- Voltímetro
- Juego de cables con los bordes como se muestran en la figura
- Cuatro focos
- Cuatro bases para focos o boquillas

Objetivos

Conocer y entender experimentalmente el funcionamiento básico de un circuito eléctrico, sea en serie, en paralelo o mixto.

Procedimiento

1. Formar grupos de cinco personas y armar los siguientes circuitos.
2. En esta práctica armaremos circuitos en paralelo, serie y mixtos para observar los comportamientos que estos tendrán frente a la posición en que son colocados.
3. Observaremos también el voltaje que cada foco tendrá dentro del circuito a fin de diferenciar el funcionamiento de los tres sistemas.

Circuito en serie

Circuito en paralelo