C U R S O: FÍSICA COMÚN MATERIAL: FC-24 ELECTRICIDAD III
ALESSANDRO VOLTA (Como, actual Italia, 1745-id., 1827) El Conde Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, nació y murió en Como al norte de Italia. Fue conocido como un gran físico, inventor de la batería eléctrica. En 1775, su interés por la electricidad le llevó a inventar un artefacto conocido como electróforo, empleado para generar electricidad estática. Un año antes había sido nombrado profesor de física del Colegio Real de Como. En 1778 identificó y aisló el gas metano, y al año siguiente pasó a ocupar la cátedra de física de la Universidad de Pavía. En 1780, un amigo de Volta, Luigi Galvani, observó que el contacto de dos metales diferentes con el músculo de una rana originaba la aparición de corriente eléctrica. En 1794, Volta comenzó a experimentar con metales únicamente, y llegó a la conclusión de que el tejido animal no era necesario para producir corriente. Este hallazgo suscitó una fuerte controversia entre los partidarios de la electricidad animal y los defensores de la electricidad metálica, pero la demostración, realizada en 1800, del funcionamiento de la primera pila eléctrica certificó la victoria del bando favorable a las tesis de Volta. Alessandro Volta Un año más tarde, el físico efectuó ante Napoleón una nueva demostración de su generador de corriente. Impresionado, el emperador francés nombró a Volta conde y senador del reino de Lombardía. El emperador de Austria, por su parte, lo designó director de la facultad de filosofía de la Universidad de Padua en 1815. La unidad de voltaje o diferencia de potencial del Sistema Internacional lleva el nombre de voltio en su honor desde el año 1881.
Potencia y Energía Eléctrica La potencia eléctrica es la energía entregada o disipada en la unidad de tiempo, es decir: Potencia =
Energía tiempo
y se obtiene como P = V · i (watt)
La unidad de medida en el SI es el watt el cual es equivalente a 1 watt = 1 volt · 1 Ampere
Por otro lado, usando la ley de Ohm, se encuentra,
P = i2 · R =
V2 R
Cuando un Coulomb pasa a través de un conductor, consume una energía igual a la diferencia de potencial aplicada. La pregunta es, ¿qué le pasa a esta energía?, si no hay un motor o algún otro aprovechamiento de la energía, ésta se convierte en calor. Aunque el calentamiento de un conductor al ser atravesado por una corriente eléctrica es a veces indeseable, tiene aplicaciones útiles siendo la más importante, las parrillas, radiadores, planchas, estufas eléctricas; las ampolletas, cuyo filamento eleva tanto su temperatura que su incandescencia es tal que sirve para el alumbrado, etc. El fenómeno térmico mencionado en el párrafo anterior que se produce en un conductor se conoce como Efecto Joule. Nota: La unidad kilowatt-hora corresponde a potencia por tiempo, es decir, es una unidad de energía y no de potencia, como suelen pensar algunas personas.
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Instrumentos eléctricos de medición Al trabajar con circuitos eléctricos en el laboratorio suele ser necesario conocer los valores de las diversas magnitudes relacionadas con tales circuitos. A continuación analizamos la manera
en que
podemos
medir, usando
los
instrumentos
adecuados, dos
cantidades
importantes de un circuito eléctrico cualquiera: intensidad de corriente y tensión (o diferencia de potencial).
Medición de corriente Cualquier instrumento que indique la presencia de corriente en un circuito se denomina galvanómetro. Si la escala de este aparato se gradúa de manera que indique la intensidad de la corriente que pasa, el instrumento
recibe
el nombre de amperímetro. La figura 1
muestra cómo se representan en forma esquemática los amperímetros en los diagramas de circuitos eléctricos.
A fig. 1
Existen amperímetros destinados a medir corrientes de intensidad alta. En este caso, la escala del instrumento está graduada en amperes. Existen otros amperímetros más sensibles que pueden medir corrientes de intensidad
baja, y por tanto, su escala está
graduada en
miliamperes (1mA= 10-3 A), o bien, en microamperes (1 A = 10-6 A). Por ello, estos aparatos suelen ser denominados, respectivamente, miliamperímetros y microamperímetros. Por ejemplo, cuando deseamos medir la corriente que pasa, por una resistencia determinada, debemos conectar el amperímetro al circuito, en serie al resistor como muestra la figura 2, y por lo tanto, toda la corriente que pasa por este elemento pasará a través del medidor, para que el valor de esta corriente no se vea alterado la resistencia interna del instrumento, idealmente debe ser muy chica, es decir, despreciable. En estas condiciones, la aguja se desplazará a lo largo de la escala, indicando directamente el valor de la corriente.
A fig. 2 En el interior de un amperímetro existen elementos conductores que deben ser recorridos por la corriente eléctrica para que el instrumento indique su intensidad. Tales elementos presentan cierta resistencia eléctrica, que se denomina resistencia interna del amperímetro.
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Medición de tensión La medida de la diferencia de potencial entre dos puntos se realiza mediante instrumentos denominados voltímetros. La figura 3 muestra la forma en que este aparato se representa en los diagramas de circuitos eléctricos.
V
fig. 3 Por ejemplo, si deseamos medir la diferencia de potencial que existe, entre los extremos de una resistencia, hay que conectar un voltímetro en la manera mostrada en la figura 4. Como vemos, el medidor de tensión debe conectarse en paralelo con la resistencia. De manera
que parte
de la corriente
que llega
al punto
A
se desvía,
pasando por el
voltímetro, lo cual hace que la aguja se desplace a lo largo de la escala del instrumento e indique directamente el valor del voltaje VAB.
i A
B
V fig. 4 Al igual que un amperímetro, un voltímetro también posee resistencia interna. Es deseable que la corriente que se desvía al voltímetro sea la menor posible, para que la perturbación causada
en el circuito
sabemos, esta corriente
por la
introducción
del aparato, resulte
despreciable. Como
será tanto menor cuanto mayor sea la resistencia del voltímetro.
Por este motivo, este aparato debe fabricarse de manera que su resistencia interna sea la mayor posible.
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EJEMPLOS 1.
En el circuito de la figura 5, se propone conectar amperímetros y voltímetros en las posiciones indicadas, considere que los instrumentos son ideales. Si bien estos instrumentos se pueden conectar en distintas formas, en relación a la forma correcta en que debieran estar conectados, y considerando que no tienen que estar todos los instrumentos conectados en forma simultánea, es verdadero que R A) B) C) D) E)
A1 V1 A2 V2 A3
esta esta esta esta esta
mal conectado. bien conectado. bien conectado. bien conectado. mal conectado.
V1 V2
A2 R
R
A1
A3 fig. 5
2.
Tres resistencias de 3, 7 y 10 ohm se conectan en serie a una batería de 10 volt como se muestra en la figura 6. Con relación a ese circuito se afirma que I) II) III)
la potencia disipada por el circuito es de 20 W. en la resistencia de 3 es donde más se disipa energía en cada segundo. la potencia total se puede obtener como la suma de las potencias parciales disipadas en cada resistencia del circuito. 3
Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)
sólo sólo sólo sólo I, II
I. II. III. II y III. y III.
7
10 V +
10
–
fig. 6 3.
El circuito que se aprecia en la figura 7, posee dos resistencias y una fuente de poder que puede entregar distintos voltajes en el tiempo. Al ir variando el voltaje de la fuente, se obtuvieron distintos valores de intensidad de corriente eléctrica. Es correcto afirmar que la potencia disipada hasta que el voltaje fue de 40 V fue de acuerdo al gráfico igual a
A) 160 W. B) 80 W. C) 40 W. D) 20 W. E) 10 W.
V(V) R
V
40
R
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fig. 7 5
I(A)
PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE
1.
Una intensidad de corriente eléctrica circula desde el punto P hacia el punto Q de la configuración de resistencias, todas iguales, mostradas en la figura 8. Respecto a la potencia se afirma que R5
P
R1
R2
R3
R4
Q
fig. 8
A) B) C) D) E)
2.
se disipa más potencia en la resistencia R1. la energía disipada en cada segundo es la misma para cada resistencia. en R1, R2 y R4 la energía disipada en cada segundo es la misma. se disipa menos potencia en la resistencia R4. en R5 se disipa más potencia.
Respecto a los instrumentos de medida de la intensidad de corriente eléctrica y de la tensión se afirma que
el el el el
amperímetro se caracteriza por tener una gran resistencia interna. voltímetro tiene una resistencia interna despreciable. amperímetro se debe conectar en serie con el elemento a medir. voltímetro se debe conectar en paralelo con el elemento a medir.
Responda verdadero (V) o falso (F) para cada una de las afirmaciones anteriores y en el mismo orden de aparición de éstas. A) B) C) D) E)
3.
VVVV. FFFF. FFVV. VVFF. VFVF.
El kWh es una unidad que sirve para medir A) B) C) D) E)
la energía. sólo la potencia eléctrica. la potencia mecánica y la eléctrica. la intensidad de corriente eléctrica. la tensión.
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4.
Una estufa eléctrica consume 2 kW y trabaja con 220 volt. Si la mantenemos funcionando durante 4 horas y considerando que 1 kWh cuesta 110 pesos, entonces el gasto diario que se hace con esta estufa es A) 220 B) 440 C) 880 D) 1.760 E) 24.200
5.
pesos pesos pesos pesos pesos
En el circuito mostrado en la figura 9 se aprecian tres ampolletas, A1, A2 y A3, de 45 W, 60 W y 100 W, respectivamente, y todas fueron fabricadas para trabajar a 220 volt. En relación a la resistencia que tiene su filamento es correcto que A1 A) B) C) D) E)
6.
A1 > A 2 > A 3 A3 > A 2 > A 1 A3 = A 2 = A 1 las ampolletas no poseen resistencia. todas las ampolletas tienen una resistencia menor de 1 ohm.
A3
fig. 9
Al cerrar el interruptor S en los circuitos X e Y se encienden las ampolletas A 1 y A2, las cuales fueron fabricadas para trabajar a 220 volt y entregar una potencia de 100 y 60 Watt respectivamente en relación a lo que ocurre en cada circuito se afirma lo siguiente: I) II) III)
Tanto en X como en Y alumbra más la ampolleta de 100 Watt. En Y cada ampolleta trabaja de acuerdo a lo esperado en su fabricación. En X cada ampolleta trabaja de acuerdo a lo esperado en su fabricación.
Es (son) correcta(s)
X
A) B) C) D) E)
sólo sólo sólo sólo sólo
I. III. I y II. I y III. II y III.
A1
Y A1
7.
A2
A2
A2
220 V
S
220 V S
fig. 10
La potencia que disipa el circuito mostrado en la figura 11, es A) 200 W B) 80 W C) 80 W D) 20 W E) ninguna de las anteriores.
20 V
3
fig. 11 7
6
8.
Una persona compra una ampolleta que trae escrito los valores 60 W y 220 V, esta persona vive en Santiago de Chile, al encender esta ampolleta durante 2 horas, la energía consumida en cada segundo es A) 6J B) 60 J C) 120 J D) 220 J E) 440 J
9.
Se tienen 3 resistencias de distinto valor como las que muestra la figura 12, junto con una fuente de voltaje V. El mayor consumo de energía se produce cuando se conectan V
R=2
R = 10
R = 10
fig. 12 A) B) C) D) E)
las tres resistencias en serie con la fuente. en serie la fuente y las dos de 10 , sin usar la tercera resistencia. en serie la fuente, una de 10 y la de 2 , sin usar la otra resistencia. las tres en paralelo con la fuente. sólo las dos de 10 en paralelo con la fuente, sin usar la otra resistencia.
10. En relación a los amperímetros y al voltímetro ideales, mostrados en el circuito de la figura 13, es incorrecto que R3 A) B) C) D) E)
A1
V mide el voltaje de la batería. A1 mide lo mismo que A3. A2 mide la corriente que pasa por R3. A3 mide la corriente que circula en R1. A1 mide la corriente total del circuito.
V
V
R1
R2
A3 fig. 13
CLAVES DE LOS EJEMPLOS
1D
2C
3B
8
A2