Electricidad: Conceptos Fundamentales y Leyes
Corriente Eléctrica
Es la rapidez del flujo de carga Q que pasa por un punto dado P en un conductor eléctrico por unidad de tiempo. La unidad de corriente eléctrica es el Ampere.
Fórmulas:
- I = Q / t
- t = Q / I
- Q = t * I
Ampere
Representa un flujo de carga con la rapidez de un coulomb por segundo, al pasar por cualquier punto. 1 A = 1 C / 1 s
Para una corriente de 1 A, fluyen 6.25 x 1018 electrones/C pasando por un punto dado en un segundo.
Resistencia
Es la oposición al flujo o paso de la corriente a través de un conductor. Su unidad de medida es el Ohm (Ω), en honor a Georg Simon Ohm, quien en 1826 descubrió que para un resistor dado, a una temperatura particular, la corriente es directamente proporcional al voltaje aplicado.
Factores que afectan la Resistencia de un Conductor
- Tipo de material.
- Longitud.
- Área de su sección transversal (calibre).
- Temperatura.
Densidad de Corriente
Es una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente por unidad de superficie. En otras palabras, la densidad de corriente mide el movimiento promedio de las cargas.
Conductividad
Es una propiedad intrínseca de los cuerpos que permite el paso o flujo de corriente eléctrica.
Resistividad
Es una propiedad del material resistivo que está dada por:
ρ = (R * A) / L
Donde:
- R = resistencia (Ω)
- ρ = constante de proporcionalidad (resistividad, Ω·m)
- L = longitud (m)
- A = área (m2)
Ley de Ohm
La ley de Ohm establece la relación entre voltaje (V), corriente (I) y resistencia (R) en un circuito eléctrico: V = I * R.
Circuitos Eléctricos
Circuitos en Serie
Se dice que dos o más elementos están en serie si tienen un solo punto en común que no está conectado a un tercer elemento.
Circuitos en Paralelo
Un circuito en paralelo es aquel en el que dos o más componentes se conectan a dos puntos comunes del circuito.
Leyes de Kirchhoff
Las leyes de Kirchhoff son un procedimiento que permite aplicar fácilmente la ley de Ohm cuando las redes son complejas debido a que incluyen varias mallas y varias fuentes de voltaje. Se aplican en una red eléctrica que consta de cierto número de trayectorias cerradas o mallas por donde circula corriente.
Primera Ley de Kirchhoff (Ley de Nodos)
La suma de todas las corrientes que entran y salen a un nodo es igual a cero (∑ Ientrada = ∑ Isalida).
Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de Mallas)
La suma de todas las caídas de potencial (voltajes) en una malla cerrada es igual a cero (∑ V = 0).
Ejemplo de Cálculo de Carga y Electrones
¿Cuántos electrones pasan por un punto en 5 s si se mantiene en un conductor una corriente constante de 8 A?
Cálculo:
- I = Q / t
- Q = I * t = (8 A) * (5 s)
- Q = (8 C/s) * (5 s) = 40 C
- Número de electrones = 40 C * (6.25 x 1018 e/C) = 2.50 x 1020 electrones
Electromagnetismo: Principios y Leyes
Definiciones Clave
Electromagnetismo
Es una rama de la física que estudia la relación entre el magnetismo y la electricidad.
Inductancia
Propiedad de los circuitos eléctricos mediante la cual se produce una fuerza electromotriz cuando varía la corriente que pasa actualmente por el propio circuito (autoinducción) o por otro circuito cercano. Se mide en Henrios (H).
Magnetismo
Es la fuerza de atracción o repulsión que ejercen ciertos materiales sobre otros.
Imán
Es aquel objeto que ejerce una fuerza magnética.
Polos Magnéticos
Son aquellas regiones en donde se concentra la fuerza de un imán.
Dominios Magnéticos
Son regiones microscópicas que agrupan átomos con momentos magnéticos alineados en un material magnético.
Leyes Fundamentales del Electromagnetismo
Ley de Fuerza Electromagnética
Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen.
Campos Magnéticos
Es el área del espacio que rodea a todo imán o corriente eléctrica en el cual se manifiestan sus efectos magnéticos.
Ley de Ampère
La circulación de un campo magnético a lo largo de una línea cerrada es igual al producto de μ0 por la intensidad neta que atraviesa el área limitada por la trayectoria.
Nota: Esta ley se cumplía según Ampère siempre y cuando las corrientes fuesen continuas.
Ley de Biot-Savart
El módulo del campo magnético, B, producido por una corriente rectilínea e indefinida, es directamente proporcional a la intensidad de la corriente e inversamente proporcional a la distancia.
Permite calcular el campo magnético B creado por un circuito de forma cualquiera recorrido por una corriente de intensidad i.
Ley de Faraday y Lenz
La fuerza electromotriz inducida es igual a la variación de flujo magnético por unidad de tiempo (∊ΦB / ∊t). La ley de Lenz indica que la dirección de la corriente inducida se opone al cambio que la produce.
Explica cómo se genera electricidad a partir de un campo magnético variable.
Ley de Maxwell
Maxwell demostró que la ley de Ampère debía modificarse para incluir la corriente de desplazamiento, haciendo que la circulación de un campo magnético a lo largo de una línea cerrada sea igual al producto de μ0 por la suma de la intensidad de corriente neta y la corriente de desplazamiento que atraviesan el área limitada por la trayectoria. Esta ley se cumple para todas las corrientes, aun y que fuesen discontinuas.
Ley de Lorentz
Describe la fuerza que un campo electromagnético ejerce sobre una partícula cargada. La fuerza magnética sobre una carga en movimiento se puede determinar usando la Regla de la Mano Izquierda (para cargas negativas) o la Regla de la Mano Derecha (para cargas positivas).
Campo Eléctrico Terrestre
(Contenido no proporcionado en el texto original)
Trayectoria de las Cargas en Movimiento dentro de un Campo Magnético
La dirección de la fuerza magnética F sobre una carga positiva en movimiento con una velocidad v en un campo de densidad de flujo B puede considerarse mediante la…
Regla de la Mano Derecha
Extendemos nuestro dedo índice de la mano derecha en dirección de la velocidad de la partícula. Colocamos el dedo medio de manera que apunte en dirección de la densidad de flujo magnético y, finalmente, extendemos el pulgar para indicar la dirección de la fuerza que actúa sobre la partícula.
Si la carga en movimiento es negativa, la dirección de la fuerza se determina siguiendo el mismo procedimiento pero con la mano izquierda (Regla de la Mano Izquierda).
Inductancia Magnética
Es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma, conformando un inductor.
La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia.
Este fenómeno de la inductancia se debe a un cambio de corriente en una bobina inducido por una fem en ella. El Henry se puede definir en términos de la fem inducida por unidad de rapidez de cambio de la corriente. Por lo tanto, la inductancia equivale a un henry si la rapidez de cambio de la corriente es de 1 ampere por segundo e induce una fem de 1 volt.
Fórmula de Inductancia por Intensidad de Corriente
L = (Φ * N) / I
Donde:
- L = Inductancia (Henrys, H)
- Φ = Flujo magnético (Webers, Wb)
- N = Número de espiras del devanado (Vueltas)
- I = Intensidad de la corriente eléctrica (Amperes, A)