Introducción

La electricidad es un tipo de energía tan importante en el desarrollo de la vida actual.La electricidad es una interacción natural que se origina en las particulas elementales que forman los átomos.Los primeros estudios que se conocen relacionados con la electricidad se hicieron en la antigua Grecia, alrededor del siglo VI a.C. En esos tiempos se estudiaban fenómenos en los que ciertos materiales, como el ámbar, después de ser frotados eran capaces de atraer cuerpos pequeños como trozos de cabello. El filósofo griego Tales de Mileto fue uno de los que estudió estos fenómenos. Incluso la palabra electricidad deriva de elektrón que en qriego significa ámbar.La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, así como la masa. Los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva.

Objetivos

Conocer :

• Origen de la electricidad
• Carga y Corriente eléctrica
• Reconocer sus aisladores y conectores
• Típos de corriente ,intensidad,potencial,resistencia
• Ley de Ohm
• Ley de Joule

Carga y Corriente electrica :

La carga eléctrica: es una propiedad intrínseca de algunas partíclas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la Interacción electromagnética. La partícula que transporta la información de estas interacciones es el fotón. Estas fuerzas son de alcance infinito y no se manifiestan de forma inmediata, sino que tardan un tiempo t = d/c , donde c es la velocidad de la luz en el medio en el que se transmite y d la distancia entre las cargas. Las dos partículas elementales cargadas que existen en la materia y que se encuentran de forma natural en la Tierra son el electrón y el protón, aunque pueden encontrarse otras partículas cargadas procedentes del exterior (como los muones o los piones). Todos los hadrones (como el protón y el neutrón) además, están constituidos por partículas cargadas más pequeñas llamadas quarks, sin embargo estas no pueden encontrarse libres en la naturaleza.

Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza

La corriente eléctrica: es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones por el interior del material. Se mide en amperios y se indica con el símbolo A. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético. Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativas, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional.

Origen de la Electricidad :

la electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrónicos. Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas. Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas electrostáticas. Cuando las cargas eléctricas están en movimiento relativo se ejercen también fuerzas magnéticas. Se conocen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que conforman la materia contienen partículas subatómicas positivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay partículas elementales cargadas que en condiciones normales no son estables, por lo que se manifiestan sólo en determinados procesos como los rayos cósmicos y y las desintegraciones radiactivas.

Conductores y Aisladores :

Conductividad y resistividad:

La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores.

Conductores eléctricos:

Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.

Conductor eléctrico de cobre

Dieléctricos o Aisladores de eléctricos: Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos (forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga) y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.

Corriente eléctrica:

Se denomina corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material sometido a una diferencia de potencial. Históricamente, se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y se desplazan en sentido contrario al convencional.
A partir de la corriente eléctrica se definen dos magnitudes: la intensidad y la densidad de corriente. El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es determinante para calcular la sección de los elementos conductores del mismo.

Corriente continua: Se denomina corriente continua al flujo de cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la suministrada por una batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto.

Actualmente se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua a partir de células fotoeléctricas que permiten aprovechar la energía solar.

Cuando es necesario disponer de corriente continua para el funcionamiento de aparatos electrónicos, se puede transformar la corriente alterna de la red de suministro eléctrico mediante un proceso, denominado rectificación, que se realiza con unos dispositivos llamados rectificadores, basados en el empleo de diodos semiconductores o tiristores (antiguamente, también de tubos de vacío).

Rectificador de corriente alterna en continua, con puente de Gratz. Se emplea cuando la tensión de salida tiene un valor distinto de la tensión de entrada.

Corriente alterna : Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinoidal. En el uso coloquial, "corriente alterna" se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas.

Onda senoidal.

La razón del amplio uso de la corriente alterna, que minimiza los problemas de trasmisión de potencia, viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. La energía eléctrica trasmitida viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, se puede, mediante un transformador, modificar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Esto permite que los conductores sean de menor sección y, por tanto, de menor costo; además, minimiza las pérdidas por efecto Joule, que dependen del cuadrado de la intensidad. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para permitir su uso industrial o doméstico de forma cómoda y segura.

Intensidad de Corriente :

Se denomina intensidad de corriente eléctrica a la carga eléctrica que pasa a través de una sección del conductor en la unidad de tiempo. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C·s-1 (culombios partido por segundo), unidad que se denomina amperio.

La intensidad de corriente (I) : en una sección dada de un conductor (s) se define como la carga eléctrica (Q) que atraviesa la sección en una unidad de tiempo (t):

Si la intensidad de corriente es constante, entonces :

La densidad de corriente (j) : es la intensidad de corriente que atraviesa una sección por unidad de superficie de la sección (S).

Ejercicios:

1) Determina cuánta corriente circula por 3 artefactos eléctricos de tu casa y luego la corriente tortal que pasa por el medidor .

2) ¿Cuántos electrones circularían por el filamento de una ampolleta de 100 W de potencia, que funciona conun voltaje de 220 V , al encenderla por 10 segundos?

3) Una ampolleta de 15 W de potencia es utilizada como luz de freno para un automóvil. Entonces, ¿Cuántos amperes circulan por ella cuando se pisa el pdal de freno ?

4) La central eléctrica Colbún posee dos generadores de una potencia de 200 MW cada uno. Si cada generador entrega un voltaje de 13 kV, ¿Cuántos amperes circulan por sus terminales?

5) ¿Cuál es la potencia que puede suministrar un transformador para teléfonos celulares si entrega un voltaje de 3,7 V y una corriente de intensidad 0,35 A?

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga positiva q desde el infinito (donde el potencial es cero) hasta ese punto. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde el infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:

Considérese una carga de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de prueba localizada a una distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:

De manera equivalente, el potencial eléctrico es:


¿Que es voltaje?

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.Es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente.

Voltaje en pilas, baterias y red publica.

1,5 V

9V

12 V

El voltaje de la red publica es de 220 v

Resistencia Eléctrica

Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia.

La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el Ohmio y se representa por la letra griega omega (Ω) y se expresa con la letra "R".
Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia.
Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

Código de Colores de Resistencias

Las resistencias son fabricadas en una gran variedad de formas y tamaños.
En las más grandes, el valor de la resistencia se imprime directamente en el cuerpo de la misma, pero en las más pequeñas no es posible.
Para poder obtener con facilidad el valor de la resistencia / resistor se utiliza el código de colores
Sobre estas resistencias se pintan unas bandas de colores. Cada color representa un número que se utiliza para obtener el valor final de la resistencia.
Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor del resistor, la tercera banda indica cuantos ceros hay que aumentarle al valor anterior para obtener el valor final de la resistencia.
La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay quinta banda, ésta nos indica su confiabilidad

Ejemplo: Si un resistor tiene las siguiente bandas de colores:

ROJO AMARILLO VERDE ORO

2--------------- 4------------ 5----- +/- 5 %

La resistencia tiene un valor de 2400,000 Ohmios +/- 5 %El valor máximo de esta resistencia es: 25200,000 ΩEl valor mínimo de esta resistencia es: 22800,000 ΩLa resistencia puede tener cualquier valor entre el máximo y mínimo calculados

Elementos de un Circuito Eléctrico

Resistores (resistencias) en serie:

Los resistores en serie son aquellos que están conectados uno después del otro.El valor de la resistencia equivalente a las resistencias conectadas en serie es igual a la suma de los valores de cada una de ellas.

En este caso la corriente que fluye por los resistores es la misma en todos.

Resistores(resistencia total serie) = R1 + R2 + R3 :

El valor de la corriente en el circuito equivalente (ver el diagrama) es el mismo que en el circuito original y se calcula con la ley de Ohm.
Una vez que se tiene el valor de la corriente por el circuito, se pueden obtener las caídas de voltaje a través de cada uno de los resistores utilizando la ley de Ohm.

- En R1 la caída de voltaje es V1 = I x R1

- En R2 la caída de voltaje es V2 = I x R2

- En R3 la caída de voltaje es V3 = I x R3

Ley de Ohm

Establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:

Donde, empleando unidades del Sistema internacional, tenemos que:

I = Intensidad en amperios (A)
V = Diferencia de potencial en voltios (V)
R = Resistencia en ohmios (Ω).

La Ley de Ohm se puede entender con facilidad si se analiza un circuito donde están en serie, una fuente de voltaje (una batería de 12 voltios) y una resistencia de 6 ohms (ohmios).
Se puede establecer una relación entre la voltaje de la batería, el valor de la resistencia y la corriente que entrega la batería y que circula a través de dicha resistencia.

• Entonces la corriente que circula por el circuito (por la resistencia o resistor) es:

• 
  
  
  De la misma manera, de la fórmula se puede despejar la tensión en función de la corriente y la resistencia, entonces la Ley de Ohm queda:
  
  
  

Así si se conoce la corriente y la resistencia se puede obtener la tensión entre los terminales de la resistencia, así: V = 2 Amperios * 6 ohms = 12 V

• 
  
  
  Al igual que en el caso anterior, si se despeja la resistencia en función del voltaje y la corriente, y se obtiene la Ley de Ohm de la forma:
  

Entonces si se conoce la tensión en la resistencia y la corriente que pasa por ella se obtiene que: R = 12 Voltios / 2 Amperios = 6 ohms
Es interesante ver que la relación entre la corriente y la tensión en una resistencia siempre es lineal y la pendiente de esta línea está directamente relacionada con el valor de la resistencia. Así, a mayor resistencia mayor pendiente. Ver gráfico abajo.

Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el siguiente triángulo que tiene mucha similitud con las fórmulas analizadas anteriormente.

Se dan 3 Casos:

- Con la resistencia fija. La corriente sigue a la tensión. Un incremento en la tensión, significa un incremento en la corriente y un incremento en la corriente significa un incremento en la tensión.

- Con el voltaje fijo. Un incremento en la corriente, causa una disminución en la resistencia y un incremento en la resistencia causa una disminución en la corriente

- Con la corriente fija. El voltaje sigue a la resistencia. Un incremento en la resistencia, causa un incremento en el voltaje y un incremento en el voltaje causa un incremento en la resistencia

Para tres valores de resistencia diferentes, un valor en el eje vertical (corriente) corresponde un valor en el eje horizontal (voltaje).

Las pendientes de estas líneas rectas representan el valor de la resistencia.

Con ayuda de estos gráficos se puede obtener un valor de corriente para un resistor y un voltaje dados. Igualmente para un voltaje y un resistor dados se puede obtener la corriente.

ejercicios:

1) Si la diferencia de voltaje en unaresistencia de 100 Ohm conectada en un circuito es de 12 V, ¿Cuál es la corriente eléctrica que circula por ella?

2) Por una resistencia circulan 5 mA cuando entre sus terminales s aplica un voltaje de 10 V. ¿Cuál es el valor de la resistencia eléctrica?

3) El gráfico muestra la relación entre la corriente y el voltaje en una resistencia.

a) ¿Cuál es el valor de la resistencia eléctrica?

b) Si se aplica un voltaje de 72 V a la resistencia, ¿Cuál es la corriente que circula por ella?


c) Si la corriente por ella es de 100 mA, ¿Cuál es el voltaje en ella?

Potencia Eléctrica

En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por:

Donde

P es la potencia.
E es la energía total o trabajo.
t es el tiempo.

Ley de Joule

Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto Joule en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en la década de 1860.

Causas del fenómeno :

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.
Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como:

Donde:

Q = energía calorífica producida por la corriente
I = intensidad de la corriente que circula y se mide en amperios
R = resistencia eléctrica del conductor y se mide en ohms
t = tiempo el cual se mide en segundos

Así, la potencia disipada por efecto Joule será:

donde V es la diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

Relacion con la ley de Ohm

La ley de joule dice que parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan.

En cambio :

La ley de Ohm dice que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo".

Conclusiones:

• Existen dos tipos de corriente, la alterna y la continua. En nuestros hogares el suministro de energía es por corriente alterna a una tensión de 220 volts. En las industrias también es alterna llegando a 380 volts.
• Por otro lado en vehículos y sistemas de control de maquinarías donde se necesitan voltajes menores la alimentación es de 12v,24v de corriente continua.
• Hoy en Chile la electricidad es generada por medio de centrales Hidro eléctricas, eólicas y minoritariamente solares.
• En este trabajo hemos conocido las principlaes leyes físicas que explican los diversos parámetros que la rigen.
• Corriente eléctrica es un flujo ordenado de electrones libres que circulan por un conductor.
• Tensión eléctrica ,es la fuerza necesaria para empujar los electrones en un conductor.
• Resistencia eléctrica, es la opción al paso de la corriente.
• Conductor es el que permite que circulen los eletrones libres.
• La corriente es directamente proporcional al volteje e inversamente proporcional a la resistencia. Esta simple afirmación da como origen a la Ley de Ohm una de las pricipales formulas que explican la electricidad.
• La simbología y los códigos de colores permiten hacer diagramas y circuitos eléctricos.
• Existen circuitos en serie, en paralelo y míxtos los cuales permiten gobernar, máquinas,grúas,computadores,televisores,radios y en si ,todo lo que requiere electricidad.

Como trabajo de investigación me pareció muy interesante el poder descubrir esta ciencia que sin duda me ha dejado la curiosidad de poder aprender más de ella. La electricidad como la electrónica hoy en día son el pilar fundamental para que el mundo funcione.

Bibliografía

Libro

- "Texto para el estudiante" - Física, Primero medio - Ed. Santillana

Links de Internet

- http://www.asifunciona.com/
- http://www.natureduca.com/tecno_eltec_resist_codigo2php
- http://www.santillana.cl/fis1
-http://www.unicrom.com/
-http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia