A) Identificación de los conceptos básicos de la electricidad.
Que es la materia? Cómo está constituida la materia? Cómo se crea la materia?. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, esta está constituida por elementos llamado átomos, estos a su vez están constituidos de 3 elementos: protones, electrones y neutrones. Cada uno de ellos tiene una carga, la cual se muestra a continuación:
Elemento
|
Carga
|
Protón
|
+
|
Electrón
|
-
|
Neutrón
|
Neutro
|
Carga eléctrica.
Propiedad de la materia que permite cuantificar la pérdida o ganancia de electrones. Algunos átomos pueden perder o ganar electrones, Cuando esto ocurre se altera la distribución de cargas en el átomo. Si un átomo gana electrones, entonces tendrá una polaridad negativa, pero si pierde electrones, entonces tendrá una sobre carga de protones, lo que le dará una polaridad positiva. Si juntamos dos elementos que tienen una polaridad igual, esos se rechazaran, pero si su polaridad es opuesta, estos tenderán juntarse. Como esto es inevitable, existe una ley para las cargas eléctricas: Cargas iguales se repelen, cargas distintas se atrae.
Ley de Coulumb
La magnitud de la carga eléctrica que posee un cuerpo se determina por el número de electrones en relación con los protones. El símbolo utilizado para expresar la carga eléctrica es la Q y la unidad de medida es el Coulomb. El número de referencia bajo el cual se expresa esta diferencia de electrones y protones es la constante: 6.25X1018.
La ley de Coulomb dice:
La magnitud de la fuerza de atracción o repulsión que experimentan dos cargas eléctricas, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
dónde:
Si las cargas son de signo opuesto (+ y -), la fuerza “F” será negativa lo que indica atracción
Si las cargas son del mismo signo (- y - ó + y +), la fuerza “F” será positiva lo que indica repulsión.
Si las cargas son del mismo signo (- y - ó + y +), la fuerza “F” será positiva lo que indica repulsión.
Un circuito eléctrico es un sistema formado por componentes y conductores. Existen materiales que pueden transmitir fácil mente la electricidad, quiere decir que no se oponen al flujo de los electrones (o su resistencia es insignificante), a estos materiales suele llamárseles conductores; por el contrario los materiales que no permiten el flujo de la corriente se les llama aislantes. Cuando todos los elementos del circuito eléctrico están conectados de forma correcta, permite el libre tránsito de la corriente eléctrica.
Entre los componente básicos de un circuito eléctrico están la resistencia, la fuente de energía y el interruptor.
Resistencia:
Una resistencia es un componente de un circuito eléctrico el cual se opone al flujo de la corriente eléctrica.
Corriente
Es el flujo de los electrones a través de un material conductor. Este flujo puede ser en un solo sentido (corriente directa) o puede ser en ambos sentidos (corriente alterna). La corriente se mide en amperios. El nombre de esta unidad de medida se debe al físico y matemático André-Marie Ampère. Para medir los amperios de la corriente se utiliza un amperímetro.
Ley de Ohm
La ley de Ohm establece la relación entre la corriente, el voltaje y la resistencia. Matemáticamente se expresa de tres formas:
- Con respecto a la corriente, el voltaje aplicado al circuito entre la resistencia del circuito. I=V/R
- Con respecto al voltaje: es el producto de la multiplicación de la corriente por la resistencia. V=IxR
- Con respecto a la resistencia: el voltaje aplicado al circuito entre la corriente. R=V/I
B) Aplicación de la Ley de Coulumb.
Ejercicio 1
Una carga de 7X10-6 C se encuentra a 2 m de una carga de -5×106 C, ¿Cuál es la magnitud de la fuerza de atracción entre las cargas? Identifica si la fuerza es de atracción o de repulsión.
Ejercicio 2
Una carga de 5×10-7 C ejerce una fuerza a otra carga de 0.550 N a una distancia de 3 metros, Cuál es el signo de la segunda carga? Cuál es el valor?
Ejercicio 3
Dos cargas con valor de 5.8×10-6 C y 7.5×10-6 C respectivamente se atraen con una fuerza de 10N, ¿A qué distancia se encuentran separadas?
C) Identificación del comportamiento de un campo eléctrico.
Intensidad de campo eléctrico.
La característica fundamental de una carga eléctrica es su capacidad para ejercer una fuerza, la cual se manifiesta dentro del campo electrostático que rodea a todo objeto cargado. Cuando dos objetos de polaridad opuesta se acercan, el campo electrostático se concentra en la región que se encuentra entre ellos.
Potencial eléctrico.
Un objeto cargado conservara temporalmente su carga si no hay transferencia de electrones de él o hacia él. Esta carga se encuentra en reposo y se le llama electricidad estática. Una carga eléctrica tiene la capacidad de efectuar un trabajo al mover a otra carga por atracción o por repulsión. Esta capacidad se llama potencial. Cuando 2 cargas no son iguales, existe entre ellas una diferencia de potencial. La suma de las diferencias de potencial se llama fuerza electromotriz (emf). La unidad básica de la diferencia de potencial es el volt (V).
El símbolo de la diferencia de potencial es V e indica la capacidad de efectuar un trabajo para que los electrones se muevan.
D) Identificación del comportamiento de un campo inducido.
Inducción electromagnética.
La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.
Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.
La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).
Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.
Ver animaciones en internet sobre inducción electromagnética
E) Aplicación de la Ley Ohm.
V
R
I
V
|
R
|
I
|
Ejercicio 1. Encuentra I cuando el V=110V y R=30Ω
Ejercicio 2. Encuentra V cuando I= 4A, R= 20Ω
Ejercicio 3. Encuentra R cuando I= 7A, V=110
Ejercicio 4. Encuentra I cuando V= 120V y R=10Ω
Ejercicio 5. Encuentra V cuando I=10A y R=45Ω
Ejercicio 6. Encuentra R cuando V=110V e I=4A
Ejercicio 7. Una bombilla conectada en un circuito consume 7A de corriente al operar con un voltaje de 110V, que valor debe tener la resistencia?
F) Simulación de circuitos por computadora.
1. Orcad Spice.
ORCAD 10.0 es un programa ampliamente utilizado para el diseño de circuitos electrónicos. Consta de dos bloques básicos: una herramienta para la simulación del comportamiento de circuitos electrónicos (PSPICE) y una herramienta para el diseño de placas de circuito impreso ,PCB, (Layout). Como paso previo para la simulación del circuito y el diseño del PCB es necesario realizar la captura del esquema del circuito que se quiere analizar. En esta introducción al manejo de ORCAD 10.0 nos centraremos en la parte de simulación, que es la que se va a utilizar en la asignatura.
2. Workbench.
Electronics WorkBench® es un programa de simulación de circuitos capaz de simular circuitos digitales o electrónicos a través de un laboratorio virtual compuesto por varios paneles donde se ofrecen instrumentos para el diseño de dispositivos electrónicos. Es también una empresa radicada en la ciudad canadiense de Toronto, en Ontario, que fue la que produjo este software por primera vez.
3. Circuitos simulados.
Los simuladores de circuitos eléctricos y electrónicos son imprescindibles para conocer el comportamiento de un circuito que hemos diseñado y adaptarlo así a los requerimientos que necesitamos.
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