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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmán

Nombre de la unidad didáctica

Competencia particular

UNIDAD 1 NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD

Determina el comportamiento de los parámetros en los circuitos eléctricos de corriente continua a partir de los conceptos y componentes básicos de los sistemas eléctricos.

Introducción.

La electricidad es una forma de energía que, a pesar de su conocimiento y su dominio son relativamente recientes, se encuentra en todas las facetas y actividades de cualquier sociedad desarrollada. La utilización de la electricidad represento una importante evolución en las soluciones tecnológicas que dan respuestas a les necesidades de la humanidad.

UNIDAD I NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD

RAP No. 1 Explica la generación de la energía eléctrica en función de las diferentes teorías de la materia y su aplicación en circuitos eléctricos.

Tema(s).

1.1.1 Estructura de la materiaTeoría atómica

La palabra átomo proviene del griego y hace referencia a la parte más pequeña de un elemento que poseyendo las características del mismo, no se puede subdividir.

Un átomo está formado por un núcleo en el cual hay protones y neutrones y por una corteza en la que se encuentran los electrones del átomo describiendo órbitas alrededor del núcleo. Cuando el número de protones y e- coincide el átomo se dice que es eléctricamente neutro, siendo éste su estado natural.

La última capa donde se encuentran los e-, es la capa de valencia. Esta capa de valencia, requiere para mantener su estabilidad tener 8 e- , excepto cuando existe una sola capa, en cuyo caso puede tener un máximo de 2 e-.

En ocasiones, como consecuencia de un aporte de energía externa, los electrones de la última capa pueden abandonar el átomo y moverse libremente a otro con facilidad. Este movimiento de electrones es conocido como corriente eléctrica.

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Todos los cuerpos están formados por elementos químicos ó sustancias elementales, y cada uno de ellos está constituido por partículas elementales ó átomos.

Los electrones giran en orbitas distintas alrededor del núcleo,

Cada átomo está formado por:

• Electrones --- cargas negativas.

• Protones ----- cargas positivas.

• Neutrones --- sin carga eléctrica.

Es decir, un átomo tiene un núcleo central, que contiene a los protones y neutrones y alrededor giran a gran velocidad unas partículas cargadas negativamente llamadas electrones. En el núcleo tenemos un número igual de partículas positivas protones, que anulan a las negativas, y unas partículas sin carga eléctrica denominadas neutrones.

1.1.2 Electrostática La materia está constituida por unas partículas elementales llamadas átomos.

Dentro de cada átomo es posible distinguir dos zonas. La zona central llamada núcleo, concentra unas partículas subatómicas que tienen carga eléctrica positiva llamadas protones y otras partículas neutras, desde el punto de vista de la carga eléctrica, llamados neutrones.

Rodeando al núcleo se localiza la corteza. En esta zona se mueven los electrones, que son partículas con carga eléctrica negativa, girando en orbitales que envuelven al núcleo.

átomo núcleo protones

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neutrones

corteza electrones

Estructura del átomo.

.

Los responsables de todos los fenómenos eléctricos son los electrones, porque pueden escapar de la órbita del átomo y son mucho más ligeros que las otras partículas.

Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que poseen algunas partículas subatómicas. Esta carga puede ser positiva o negativa. Todos los átomos están formados por protones (de carga positiva) y electrones (de carga negativa). En general, los materiales son neutros, ya que tienen el mismo número de electrones que de protones. Cuando un cuerpo está cargado, es porque los electrones de los átomos que lo constituyen pueden moverse de un material a otro originando cuerpos con cargas positivas (con perdida de electrones) y cuerpos con carga negativa (con exceso de electrones), pudiendo actuar sobre otros cuerpos que también están cargados

En el Sistema Internacional, la unidad de carga eléctrica es el Culombio (C). Un Culombio es la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio.

La carga eléctrica es discreta, y la unidad elemental de carga es la que porta un electrón. En el Sistema Internacional, la carga del electrón es:

Déficit o exceso d electrones en el átomo

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánPor tanto, para adquirir carga eléctrica, es decir, para electrizarse, los cuerpos tienen que ganar o perder electrones.

Tenemos entonces que:

Si un cuerpo está cargado negativamente es porque tiene un exceso de electrones.

Si un cuerpo está cargado positivamente es porque tiene un déficit de electrones.

La electricidad estáticaLa electricidad estática es un tipo de electricidad que se produce de forma natural cuando en un cuerpo se acumulan cargas eléctricas.

Muchos cuerpos se cargan al frotarlos.

Campo eléctricoEl campo eléctrico es un sector espacial que ha sido modificado por la carga eléctrica que, al ser introducida en el mismo, genera una determinada respuesta o reacción.

En otras palabras, en el campo eléctrico se describe c0m0 la interacción que existe entre los cuerpos con carga eléctrica, la cual se comprende como el nivel de electricidad que contienen los cuerpos.

Esta interacción puede manifestarse por la atracción o la repulsión entre los cuerpos, dependiendo de la carga que posean.

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Todas las partículas que constituyen la materia tienen como una propiedad fundamental una determinada carga eléctrica, de lo que se origina el campo eléctrico.

Las cargas eléctricas pueden ser positivas (+) o negativas (-). Dos objetos de la misma carga se repelen, mientras que los de carga diferente se atraen.

Líneas de campo eléctrico

Misma carga se rechazan Carga diferente se atraen

El campo eléctrico se expresa en líneas imaginarias que llamamos vectores. Estos permiten darnos una idea de la intensidad y la orientación del campo eléctrico.

Intensidad de campo eléctrico

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánLa intensidad de campo eléctrico, simplificada comúnmente a la expresión campo eléctrico, se refiere al grado de fuerza que se ejerce sobre la unidad de carga positiva en un determinado punto.

Para calcular la intensidad del campo eléctrico emplearemos la siguiente fórmula:

N/C

Las flechas representan los vectores. Las letras representan los siguientes conceptos:

• E: campo eléctrico. (N/C)

• F: fuerza eléctrica. (N)

• q: carga eléctrica. (C)

Ley de las cargas eléctricasUna característica de las cargas, es que las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas con diferente signo se atraen.

Ley de CoulombLa ley de Coulomb puede predecir cuál será la fuerza electrostática de atracción o repulsión existente entre dos partículas según su carga eléctrica y la distancia que existe entre ambas.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánLa ley de Coulomb enuncia lo siguiente, que constituye la base de la electrostática:

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.

Esta ley se representa de la siguiente manera:

El valor de la constante de Coulomb en el Sistema Internacional de medidas es:

F = fuerza eléctrica de atracción o repulsión en Newtons (N). Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen.

k = es la constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. La fuerza varía según la permitividad eléctrica (ε) del medio.

q = valor de las cargas eléctricas medidas en Coulomb (C).

r = distancia que separa a las cargas y que es medida en metros (m).

Cabe destacar que la permitividad eléctrica del vacío es constante, y una de las más empleadas. Se calcula de la siguiente manera: ε0 = 8,8541878176x10-12 C2 / (N·m2). Es de suma importancia tener en cuenta la permitividad del material.

Esta ley solo toma en cuenta la interacción entre dos cargas puntuales al mismo tiempo y solo determina la fuerza que existe entre q1 y q2 sin considerar las cargas alrededor.

Ejemplo 1

Tenemos dos cargas eléctrica, una de +3c y una de -2c, separadas a una distancia de 3m. Para calcular la fuerza que existe entre ambas cargas es necesario multiplicar la constante K por el producto de ambas cargas. Como se observa en la imagen, se ha obtenido una fuerza negativa.

Ejemplo ilustrado de cómo aplicar la ley de Coulomb:

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Energía potencia del campo eléctricoLa ley de Coulomb nos permite calcular fuerzas entre cargas estáticas. A continuación exploramos qué ocurre si las cargas se mueven, encontramos qué significa hacer trabajo en un campo eléctrico y desarrollamos definiciones formales sobre algunos conceptos nuevos:

• Energía potencial eléctrica

• Potencial eléctrico (también conocido como voltaje)

"La Energía Potencial Eléctrica es la energía que tiene una carga eléctrica debido a su posición en relación con otra u otras cargas eléctricas". El movimiento de las cargas eléctricas es debido a esta energía.

En la imagen anterior la carga pequeña tiene máxima energía potencial eléctrica cuando está pegada a la carga grande o carga 1, es por eso que si la soltamos se moverá por repulsión alejándose de la carga grande y perdiendo energía potencial eléctrica, pero ganando velocidad (energía cinética).

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánRecuerda: las cargas eléctricas pueden tener carga positiva, por ejemplo un protón, o negativa, por ejemplo un electrón.

Las cargas eléctricas opuestas (positiva y negativa) se atraen, al igual que la Tierra atrae a una pelota. Las cargas iguales se repelen (por ejemplos dos cargas positivas o dos negativas).

La cantidad Ur representa la energía potencial eléctrica almacenada en la carga q cuando está a una distancia r de Q.

Podemos escribir el cambio en la energía de ir de A a B como, diferencia en la energía potencial eléctrica = UB – UA

El potencial eléctricoPodemos nombrar los dos términos de la ecuación anterior para la diferencia de potencial eléctrico. Podemos decir que hay un potencial eléctrico en todos lados del espacio alrededor de Q, dado por,

Puede parecer extraño pensar acerca de esto como una propiedad del espacio (pero no más extraño que la noción de un campo eléctrico). Es básicamente decir: si pusiéramos una carga unitaria de prueba en esta posición, tendría esta energía potencial. Si retiramos la carga de prueba, la propiedad del espacio permanece.

La palabra átomo proviene del griego y hace referencia a la parte más pequeña de un

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmán1.1.3 Fuentes d energía eléctrica

Cada vez está más cerca el punto de no retorno del cambio climático en nuestro planeta. Por eso está en nuestras manos reducir el impacto ambiental en nuestro planeta, reduciendo las emisiones contaminantes y de gases efecto invernadero. Una forma para conseguirlo es consumir electricidad generada a partir de fuentes de energías renovables.

Las fuentes de energía renovable son aquellas energías que se obtienen de fuentes limpias e inagotables. Además, reducen el impacto medioambiental, ya que no originan emisiones contaminantes ni gases de efecto invernadero. Y te preguntarás, ¿qué tipos de energía renovable se usan para producir electricidad? Si quieres conocerlas, te animo a que sigas leyendo.

Las fuentes de energía se clasifican en dos grandes grupos:

Renovables o ilimitados. Ejemplo: el viento.

No renovables o limitados. Ejemplo: el carbón.

Hidroeléctrica

La energía hidráulica es aquella energía que aprovecha la fuerza del agua en movimiento para producir y/o almacenar la electricidad. Para conseguirlo se utiliza el agua de ríos o arroyos que desciende de las montañas.

Eólica

La energía eólica es la que utiliza la fuerza del viento para originar la electricidad. Se obtiene a través de los aerogeneradores instalados en los parques eólicos.

Solar

Las fuentes de energía renovable más conocida es la que proviene del sol. Aquí hay que distinguir entre la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica:

Energía solar térmica. También se le conoce como energía termoeléctrica. Es la que concentra con espejos la radiación solar para calentar un fluido con el que producir vapor y con este a su vez electricidad.

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Energía solar fotovoltaica. Es la que convierte directamente la radiación solar en electricidad gracias a los paneles solares integrados por células fotovoltaicas

Energía Geotérmica

Esta fuente de energía renovable se obtiene al aprovechar el calor interno de la tierra que transmiten las capas internas de su interior. Se perfora el terreno y se instalan unas tuberías por las que se hace pasar agua que, una vez se calienta, se transforma en vapor de agua. Este vapor pasa a través de un sistema de turbinas que genera la electricidad.

Energía Biomasa

También tenemos como otra de las fuentes de energía renovable la biomasa, que utiliza la materia orgánica como fuente de energía. La materia orgánica puede ser natural, residual o procedente de cultivos energéticos. Gracias a la combustión de la biomasa se genera calor para que caliente agua. Esta se convierte en vapor que genera la electricidad a partir de unos grupos turbo – alternadores

Ventajas y desventajas de la energía eléctrica

Este tipo de energía tan común hoy en día significó un salto hacia adelante en la industrialización del mundo y permitió el desarrollo tecnológico contemporáneo. Además, nuestro modelo de sociedad no sería sostenible sin ella. Aun así, podemos identificar en ella las siguientes ventajas y desventajas:

• Las ventajas de la electricidad son numerosas. Se trata de una forma de energía versátil, veloz, potente, de manejo relativamente simple y que puede almacenarse durante buenos períodos de tiempo en condiciones ideales. Por otro lado, su manejo es medianamente económico, si bien su gran problema en ese sentido es la generación.

• Otra ventaja de la energía eléctrica es que su estudio arroja conocimientos sobre la naturaleza atómica del mundo, ya que se trata

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmánjunto con el magnetismo de una de las principales fuerzas que actúan en nuestro universo.

• La principal desventaja de la electricidad, en cambio, apunta al costo de producirla, ya que no puede derivársela de la naturaleza y debe ser generada mediante el uso de combustibles (a menudo contaminantes o riesgosos) o mediante la intervención directa en la naturaleza (como la instalación de represas hidroeléctricas). Todo ello con un costo ambiental importante, incluso en el caso de las baterías, que una vez desechadas vierten su contenido de metales pesados al entorno. Sin embargo, existe una creciente demanda de energía “verde” o ecológica, proveniente de la radiación solar y la acción eólica.

• Los riesgos comprenden la otra desventaja, ya que la acción directa de la electricidad sobre los seres vivos produce quemaduras y riesgos de shock, y es capaz de producir incendios y desastres naturales cuando no se toman las precauciones debidas en su instalación urbana. De igual forma, los tendidos eléctricos son vulnerables a los efectos climáticos y muchas veces el medio ambiente incide en apagones o caídas de la red de distribución

Ventajas y desventajas de la energía eléctrica

.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánRap 2Analiza el comportamiento de los parámetros de los circuitos eléctricos a partir de sus componentes básicos para verificar su funcionamiento.

Tema(s).

1.2.1 Resistencia Eléctrica

Introducción

La resistencia eléctrica es la oposición (dificultad) al paso de la corriente eléctrica. Sabemos que la corriente eléctrica es el paso (movimiento) de electrones por un circuito o, a través de un elemento de un circuito (receptor). Según lo dicho podemos concluir que "la corriente eléctrica es un movimiento de electrones”.

Dependiendo del tipo, material y sección (grosor) de cable o conductor por el que tengan que pasar los electrones, les costará más o menos trabajo. Un buen conductor casi no le ofrecerá resistencia a su paso por él, un aislante les ofrecerá tanta resistencia que los electrones no podrán pasar a través de él. Ese esfuerzo que tienen que vencer los electrones para circular, es precisamente la Resistencia Eléctrica.

La resistencia eléctrica se mide en Ohmios (Ω) y se representa con la letra R.

Para el símbolo de la resistencia eléctrica, dentro de los circuitos eléctricos, podemos usar dos diferentes:

Resistencia de los Conductores

Aunque en los circuitos pequeños la resistencia de los conductores se considera la mayoría de las veces cero, cuando hablamos de circuitos donde los cables son muy largos, debemos calcular el valor de la resistencia del conductor entre un extremo y el otro del cable. En estos casos no vale la ley de ohm.

Para estos casos la fórmula para hallar la resistencia es:

R=L Donde: L es la longitud del cable en metros,

S la sección del cable en milímetros cuadrados

es la resistividad del conductor o cable

s

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánSi la L se pone en metros, la Sección o diámetro en mm cuadrados y la resistencia nos dará en ohmios.

Por ejemplo:

El cobre a 20ºC tiene una resistividad de 0,017 Ω x mm2/metros, y significa que un cable de cobre de 1 metro de largo y de 1 mm2 de sección tiene una resistencia igual a 0,017 ohmios.

Un material cambia de resistencia con la temperatura.

A más temperatura más resistencia

Tambien se puede emplear el sistema ingles.

Variación de la resistencia eléctrica en función de la temperaturaPara calcular la variación de resistencia de un material con la temperatura se utiliza la siguiente fórmula:

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El Incremento o elevación de la temperatura será la temperatura final menos la inicial. En la fórmula ponemos como referencia la resistencia del material a 20ºC, ya que es la más conocida por ser la que se suele dar como valor en la resistividad, pero podria ser a otras temperaturas diferentes

Tipos de resistoresLas resistencias vienen en tamaños y formatos diferentes. Dependiendo del tamaño, ya que pueden ser de agujeros pasantes (through hole) o de montaje en superficie. Dependiendo del formato, pueden ser estándar, fijas, un paquete de resistencias, o resistencias variables conocidas como potenciómetros.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánPor su funcionalidad se clasifican en:

Resistencias fijas: Son las que presentan un valor que no podemos modificar.

Resistencias variables: Son las que presentan un valor que nosotros podemos variar modificando la posición de un contacto deslizante. A este tipo de resistencia variables se le llama Potenciómetro.

Resistencias especiales: Son las que varían su valor en función de la estimulación que reciben de un factor externo (luz, temperatura...). Por ejemplo las LDR son las que varían su valor en función de la luz que incide sobre ellas.

Resistencias fijas

Resistencias fijas

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https://cursos.mcielectronics.cl/wp-content/uploads/2014/09/image024.jpg


Resistencias variables

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Valores nominalesLa resistencia nominal (Rn): es el valor óhmico que se espera que tenga el componente.

Tolerancia: es el margen de valores que rodean a la resistencia nominal y en el que se encuentra el valor real de la resistencia.

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Código de coloresLas resistencias fijas se caracterizan por tener un único valor en ohmios (Ω). Para identificarlo se emplea un código de cuatro franjas de colores. Las tres primeras indican el valor nominal de la resistencia (valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación), y la cuarta proporciona el valor de la tolerancia. La tolerancia se define como la desviación máxima, expresada en tanto por ciento, sobre el valor que indican las tres primeras franjas.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánComo determinar el valor de una resistencia de 4 franjas, utilizando el código de colores.

La banda numero 1 representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 2 Representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 3 Representa el multiplicador y es color café, representa x 10.La numero 1 Representa el múltiplo del resultado anterior.La banda número 4 de color dorada es la tolerancia especificada en la tabla de código de colores.

Determinar el valor nominal de la Resistencia Rojo, Rojo, Marrón, Dorado

TABLA DE CODIGO DE COLORES DE 4 BANDAS

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La banda numero 1 representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 2 Representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 3 Representa valor y es el color negro, representa el número 0La banda numero 4 Representa el multiplicador y es color negro, representa x 1.La numero 1 Representa el múltiplo del resultado anterior.La banda número 5 de color dorada es la tolerancia especificada en la tabla de código de colores.

Determinar el valor nominal de la Resistencia Rojo, Rojo, Negro, Negro, Dorado


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La fórmula de la resistencia Azul, Gris, Negro, Negro, Dorado es el siguiente.

6 8 0 x1 = 680

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Este es el valor en ohms de esta resistencia. Muy sencillo, solo resta agregar la tolerancia para estar completo el resultado, en este caso se trata de una resistencia de 680 ohms, con 5% de tolerancia.

Tolerancia = Valor nominal x Porcentaje de tolerancia

Tolerancia= 680 x 0.05 = +/- 34

Valor Máximo= Valor nominal + Tolerancia = 680 + 34 = 704

Valor Minimo = Valor nominal – Tolerancia = 680 -34 = 646

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Fuente: https://www.ejemplos.co/10-ejemplos-de-energia-electrica/#ixzz6YX7qQAqI

RAP No.2

Resistencia Eléctrica

-Variación de la resistencia eléctrica en función de la temperatura

-Tipos de resistores (Fijos, Variables y especiales )

-Valores nominales

-Código de colores

Capacitor

-Definición

-Capacitancia

-Construcción del capacitor

-Principio de operación

-Valores nominales

- Ley de Faraday

Inductores ( Propiedades magnéticas )

-Imanes

-Polos magnéticos

-Campo magnético

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https://www.ejemplos.co/10-ejemplos-de-energia-electrica/#ixzz6YX7qQAqI

Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmán-Densidad de flujo

-Atracción y repulsión entre imanes

Electromagnetismo.

-Campo magnético que rodea a un conductor

-Campo magnético de una espira

Electroimanes

-Intensidad del campo magnético

-Fuerza electromotriz inducida por movimiento

-Fuerza electromotriz inducida por variación de flujo

-Ley de Lenz

Actividades y/o ejercicios.

Ley de Coulomb.

Ejemplo 1

Tenemos dos cargas eléctrica, una de +3c y una de -2c, separadas a una distancia de 3m. Para calcular la fuerza que existe entre ambas cargas es necesario multiplicar la constante K por el producto de ambas cargas. Como se observa en la imagen, se ha obtenido una fuerza negativa.

Ejemplo ilustrado de cómo aplicar la ley de Coulomb:

Ejemplo 2

Tenemos una carga de 6 x 10-6C (q1) que se encuentra a 2m de distancia de una carga de -4 x 10-6C (q2). Entonces, ¿cuál es la magnitud de fuerza entre estas dos cargas?

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a. Se multiplican los coeficientes: 9 x 6 x 4= 216.

b. Se suman de manera algebraica los exponentes: -6 y -6 = -12. Ahora -12 + 9 = -3.

Respuesta: F = 54 x 10-3 N.

Ejemplos de ejercicios

1. Tenemos una carga de 3 x 10-6C (q1) y otra carga de -8 x 10-6C (q2) a una distancia de 2 m. ¿Cuál es la magnitud de fuerza de atracción que existe entre ambas?

Respuesta: F = 54 X 10-3 N.

2. Determinar la fuerza que actúa entre dos cargas eléctricas 1 x 10-6C (q1) y otra carga de 2,5 x 10-6C (q2), que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm (recuerda llevar los cm a m siguiendo el Sistema Internacional de medidas).

Respuesta: F = 9 N.

En este circuito vemos varias resistencias y nosotros determinaremos el valor de la resistencia marcada en un circulo rojo.

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Preguntas de reflexión.

¿Qué es la electricidad?

¿Qué es la Energía Potencial Eléctrica?

Fuentes de consulta.

Bibliografía.

https://codigodecolor.com/tabla-de-codigo-de-color/ Resistencia

UNIDAD I NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD

RAP No.2 Analiza el comportamiento de los parámetros de los circuitos eléctricos a partir de sus componentes básicos para verificar su funcionamiento.

1.2.1 Resistencia Eléctrica

Introducción

La resistencia eléctrica es la oposición (dificultad) al paso de la corriente eléctrica. Sabemos que la corriente eléctrica es el paso (movimiento) de electrones por un circuito o, a través de un elemento de un circuito (receptor). Según lo dicho podemos concluir que "la corriente eléctrica es un movimiento de electrones”.

Dependiendo del tipo, material y sección (grosor) de cable o conductor por el que tengan que pasar los electrones, les costará más o menos trabajo. Un buen conductor casi no le ofrecerá resistencia a su paso por él, un aislante les ofrecerá tanta resistencia que los electrones no podrán pasar a través de él. Ese esfuerzo

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https://codigodecolor.com/tabla-de-codigo-de-color/

Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmánque tienen que vencer los electrones para circular, es precisamente la Resistencia Eléctrica.

La resistencia eléctrica se mide en Ohmios (Ω) y se representa con la letra R.

Para el símbolo de la resistencia eléctrica, dentro de los circuitos eléctricos, podemos usar dos diferentes:

Resistencia de los Conductores

Aunque en los circuitos pequeños la resistencia de los conductores se considera la mayoría de las veces cero, cuando hablamos de circuitos donde los cables son muy largos, debemos calcular el valor de la resistencia del conductor entre un extremo y el otro del cable. En estos casos no vale la ley de ohm.

Para estos casos la fórmula para hallar la resistencia es:

R=L Donde: L es la longitud del cable en metros,

S la sección del cable en milímetros cuadrados

es la resistividad del conductor o cable

s

Si la L se pone en metros, la Sección o diámetro en mm cuadrados y la resistencia nos dará en ohmios.

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Por ejemplo:

El cobre a 20ºC tiene una resistividad de 0,017 Ω x mm2/metros, y significa que un cable de cobre de 1 metro de largo y de 1 mm2 de sección tiene una resistencia igual a 0,017 ohmios.

Un material cambia de resistencia con la temperatura.

A más temperatura más resistencia

Tambien se puede emplear el sistema ingles.

Variación de la resistencia eléctrica en función de la temperaturaPara calcular la variación de resistencia de un material con la temperatura se utiliza la siguiente fórmula:

El Incremento o elevación de la temperatura será la temperatura final menos la inicial. En la fórmula ponemos como referencia la resistencia del material a 20ºC, ya que es la más conocida por ser la que se suele dar como valor en la resistividad, pero podria ser a otras temperaturas diferentes

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Tipos de resistoresLas resistencias vienen en tamaños y formatos diferentes. Dependiendo del tamaño, ya que pueden ser de agujeros pasantes (through hole) o de montaje en superficie. Dependiendo del formato, pueden ser estándar, fijas, un paquete de resistencias, o resistencias variables conocidas como potenciómetros.

Por su funcionalidad se clasifican en:

Resistencias fijas: Son las que presentan un valor que no podemos modificar.

Resistencias variables: Son las que presentan un valor que nosotros podemos variar modificando la posición de un contacto deslizante. A este tipo de resistencia variables se le llama Potenciómetro.

Resistencias especiales: Son las que varían su valor en función de la estimulación que reciben de un factor externo (luz, temperatura...). Por ejemplo las LDR son las que varían su valor en función de la luz que incide sobre ellas.

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Resistencias fijas

Resistencias fijas

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https://cursos.mcielectronics.cl/wp-content/uploads/2014/09/image024.jpg


Resistencias variables

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Valores nominalesLa resistencia nominal (Rn): es el valor óhmico que se espera que tenga el componente.

Tolerancia: es el margen de valores que rodean a la resistencia nominal y en el que se encuentra el valor real de la resistencia.

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Código de coloresLas resistencias fijas se caracterizan por tener un único valor en ohmios (Ω). Para identificarlo se emplea un código de cuatro franjas de colores. Las tres primeras indican el valor nominal de la resistencia (valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación), y la cuarta proporciona el valor de la tolerancia. La tolerancia se define como la desviación máxima, expresada en tanto por ciento, sobre el valor que indican las tres primeras franjas.

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La banda numero 1 representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 2 Representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 3 Representa el multiplicador y es color café, representa x 10.La numero 1 Representa el múltiplo del resultado anterior.La banda número 4 de color dorada es la tolerancia especificada en la tabla de código de colores.

Determinar el valor nominal de la Resistencia Rojo, Rojo, Marrón, Dorado


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La banda numero 1 representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 2 Representa valor y es el color rojo, representa el número 2.La banda numero 3 Representa valor y es el color negro, representa el número 0La banda numero 4 Representa el multiplicador y es color negro, representa x 1.La numero 1 Representa el múltiplo del resultado anterior.La banda número 5 de color dorada es la tolerancia especificada en la tabla de código de colores.

Determinar el valor nominal de la Resistencia Rojo, Rojo, Negro, Negro, Dorado


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La fórmula de la resistencia Azul, Gris, Negro, Negro, Dorado es el siguiente.

6 8 0 x1 = 680

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Este es el valor en ohms de esta resistencia. Muy sencillo, solo resta agregar la tolerancia para estar completo el resultado, en este caso se trata de una resistencia de 680 ohms, con 5% de tolerancia.

Tolerancia = Valor nominal x Porcentaje de tolerancia

Tolerancia= 680 x 0.05 = +/- 34

Valor Máximo= Valor nominal + Tolerancia = 680 + 34 = 704

Valor Minimo = Valor nominal – Tolerancia = 680 -34 = 646

1.2.2 Capacitor

El capacitor es un dispositivo eléctrico que permite almacenar energía en forma de campo eléctrico. Es decir, es un dispositivo que almacena cargas en reposo o estáticas. A diferencia de una batería común, el capacitor solo almacena la energía y puede actuar de filtro en un circuito electrónico, en cambio. La batería no solo almacena la energía, sino que también la genera.

Un ejemplo de capacitor natural son los relámpagos; donde una de las placas es la nube y la otra placa es la tierra, mientras que el rayo es la carga liberada entre las dos placas. Hay que aclarar que en un capacitor tan grande la cantidad de carga retenida es inmensa

. Algunas de las aplicaciones prácticas más comunes de los capacitores incluyen:

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmán• Dispositivos que requieren capacitores para almacenar una carga la cual debe ser liberada rápidamente; como por ejemplo el flash de la cámara fotográfica, grandes láseres que requieren hacer brillantes e instantáneos.

• Los capacitores pueden eliminar ondas o rizos en la frecuencia de la corriente eléctrica. Si en un circuito con corriente de voltaje continuo DC hay rizos u ondas un capacitor grande puede absorber los picos y llenar los valles, nivelando el voltaje.

En circuitos en los que el voltaje de la corriente eléctrica fluctúa mucho; mediante el uso de un capacitor intermedio se puede nivelar bastante el mismo; ya que cuando el voltaje aumenta la energía sobrante es almacenada por el capacitor y cuando baja la energía acumulada es liberada. Como dato interesante es bueno saber que si a ese circuito se le agrega una resistencia junto al capacitor, la fluctuación en el voltaje casi desaparece por completo.

Otra gran propiedad que tienen los capacitores es la de generar demoras o retrasos en los circuitos eléctricos. En electrónica muchas veces es necesario realizar tareas que ocurren con frecuencias determinadas en períodos constantes o entre determinados intervalos de tiempo; esto se logra poniendo demoras en el flujo de la corriente eléctrica.

Así, con distintos tipos de capacitores se puede regular o controlar la frecuencia de la corriente eléctrica en circuitos, y por otro lado crear demoras que hacen que las tareas ocurran con cierto ritmo. Por eso mismo, los capacitores son de tanta importancia en el desarrollo de dispositivos electrónicos

el condensador eléctrico, también denominado capacitor. Veremos qué es un condensador, cómo funciona, algunos tipos de condensadores, y, por último, alguna aplicación de los mismos.

Un condensador es un dispositivo capaz de almacenar “electricidad”. Si queremos una explicación un poco más profunda, podemos decir que un condensador eléctrico es un componente eléctrico pasivo, de dos terminales, que acumula energía en forma de campo eléctrico.Su composición es muy simple. Basta con disponer dos superficies conductoras separadas por un material dieléctrico (mal conductor de la electricidad, pero que puede

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmándar cabida a un campo eléctrico en su interior si es sometido a un campo eléctrico externo) o por el vacío. Las dos superficies conductoras se cargan eléctricamente -una de forma positiva y la otra de forma negatva- al aplicarlas una diferencia de potencial. La relación entre dicha carga y la diferencia de potencial entre ambas placas se denomina capacidad eléctrica o capacitancia. Así, si tenemos una carga acumulada de Q coulombios y una diferencia de potencial de ΔV voltios, la capacidad del condensador será:

CapacitanciaLa capacitancia es la capacidad de un componente o circuito para recoger y almacenar energía en forma de carga eléctrica. Siempre es un valor positivo, y podemos entenderla como una medida de la capacidad para almacenar cargas eléctricas de un capacitor.

En el sistema internacional de unidades la capacidad de unidades se mide en faradios (F), siendo un faradio la capacidad de un conductor que al ser sometido a una diferencia de potencial de 1 voltio, adquiere una carga eléctrica de 1 culombio

1 Faradio = ¡ Coulomb1 Volt

La capacitancia entre dos conductores que tienen cargas de igual magnitud y de signo contrario es la razón de la magnitud de la carga en uno u otro con la diferencia de potencial resultante entre ambos conductores.

Resulta que un faradio es demasiada capacitancia, incluso 0.001F (1 mili faradio – 1mF) es un capacitor grande. Generalmente se ven los capacitores en el rango de los picofaradios (10-12) a los microfaradios (10-6).

Nombre de Prefijo Abreviación Peso Faradios Equivalentes

Picofaradio pF 10-12 0.000000000001 F

Nano faradio nF 10-9 0.000000001 F

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Microfaradio µF 10-6 0.000001 F

Mili faradio mF 10-3 0.001 F

Kilo faradio kF 103 1000 F

Dicho valor es constante y depende de las características del material del dieléctrico, así como del tamaño y forma del propio capacitor.Otra característica importante del condensador, y que también condiciona la carga máxima que puede acumular es el voltaje máximo al que puede ser sometido. Aunque éste viene dado por el fabricante del mismo, siempre es buena práctica no someter al capacitor a una diferencia de potencial superior al voltaje máximo, dividido por raíz de 2 (~18 V para un condensador con ΔVmax = 25 V):

Por último, tenemos, al igual que en el caso de las resistencias, un valor denominado tolerancia porcentual. Este valor nos va a indicar -normalmente con una letra- el rango en el que se encuentra el valor “real” del capacitor con respecto a la inscripción que trae impresa en el cuerpo. Los valores más típicos son:

Tolerancias en % del condensador eléctrico

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https://rduinostar.com/documentacion/componentes/resistencia-o-resistor/

https://rduinostar.com/wp-content/uploads/2012/10/tolerancias-percentuales-condensador-capacitor.jpg

Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánConstrucción de un capacitorLa capacitancia es la capacidad de un componente o circuito para recoger y almacenar energía en forma de carga eléctrica. Siempre es un valor positivo, y podemos entenderla como una medida de la capacidad para almacenar cargas eléctricas de un capacitor.

En el sistema internacional de unidades la capacidad de unidades se mide en faradios (F), siendo un faradio la capacidad de un conductor que al ser sometido a una diferencia de potencial de 1 voltio, adquiere una carga eléctrica de 1 culombio

1 Faradio = ¡ Coulomb1 Volt

Principio de operación de un capacitorSupongamos que tenemos un condensador bien simple formado por dos placas de área , separadas entre sí una distancia y con una diferencia de potencial entre ellas tal como muestra la Figura 2. Cada placa tiene una densidad de carga que produce un campo eléctrico . Recordemos que:

Siendo la carga total en cada placa.

Y también que:

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Figura 2.

La placa cargada positivamente produce un campo eléctrico saliente de dicha placa (flechas rojas) mientras que la placa conectada al potencial negativo produce un campo entrante a la misma (flechas azules).

Figura 3.

Se puede observar que el campo eléctrico fuera de las placas queda anulado mientras que el que está entre las mismas se refuerza, como muestra la Figura 3.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánValores nominalesEl valor nominal es la diferencia de potencial máxima a la que funciona el capacitor (dado por el fabricante), mientras que el valor real es la diferencia de potencial que marcaría un instrumento de medición.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánLey de FaradayLa ley de Faraday establece que la tensión inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde

1.2.3 Inductancia (imanes)

Se conoce como imán a un cuerpo de cualquier material capaz de producir un campo magnético y atraer hacia sí o ser atraído hacia otro imán o hacia cualquier otro cuerpo de hierro, cobalto u otros metales ferromagnéticos. Es un material con propiedades ferromagnéticas naturales o artificiales, que generan un campo magnético continuo.

Los imanes son algunas de las primeras manifestaciones que el ser humano descubrió del magnetismo, conocido desde la antigüedad clásica pero comprendido recién en el siglo XIX, cuando se supo que la mayoría de los elementos y compuestos conocidos demostraban un cierto nivel de magnetismo.

Características de un imán

La línea que junta ambos polos (negativo y positivo) se llama eje magnético.

Los imanes son cuerpos que generan un campo magnético a su alrededor orientado en base a dos polos: negativo (Sur) y positivo (Norte). Estos polos se atraen con sus opuestos (positivo-negativo) pero repelen a sus iguales (positivo-positivo o negativo-negativo). La línea que junta ambos polos se llama eje magnético.

Las propiedades magnéticas de los imanes se mantienen intactas a menos que se les apliquen fuerzas magnéticas opuestas, se les aumente de temperatura (por encima de la Temperatura de Curie o Punto de Curie, distinto según el elemento), o si se les somete a golpes fuertes o de mucha altura. Por otro lado, estas propiedades pueden transferirse temporalmente a un material sensible, por contacto (magnetización).

Cómo funcionan los imanes

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánEl magnetismo de los imanes es producto de una disposición particular de los electrones (partículas subatómicas con carga negativa) que componen la materia. Estos poseen una rotación intrínseca sobre su propio eje, que se denomina spin. Las cargas en movimiento generan campos magnéticos. Por lo tanto, los electrones rotando, o sea, cargas en movimiento, también generan un campo magnético. La introducción de energía en la materia (por ejemplo la aplicación de un magnetismo intenso de tipo contrario o calor que eleve mucho la temperatura) destruye el magnetismo, ya que altera el delicado balance de los electrones

Tipos de imanes

Los imanes naturales están compuestos por mezclas de magnetita y otros minerales.

Existen tres tipos de imanes, clasificados de acuerdo a su naturaleza en:

• Imanes naturales. Compuestos generalmente por mezclas de magnetita (ferrofelita o morpholita, compuesta por óxidos férricos) y otros minerales terrestres, poseen naturalmente propiedades magnéticas. Los principales yacimientos de magnetita se hallan en Suecia (Falun, provincia de Dalarna), Noruega (Arendal), Francia (Plestin-les-Gréves, Bretaña) y Portugal (Sao Bartolomé, Nazaré).

• Imanes artificiales permanentes. Materiales sensibles al magnetismo que, tras ser frotados con magnetita, replican sus propiedades ferromagnéticas durante un largo período de tiempo hasta eventualmente perderlas.

• Imanes artificiales temporales. Materiales sensibles al magnetismo que, tras ser frotados con magnetita, replican sus propiedades ferromagnéticas, solo que por un período muy breve de tiempo.

• Electroimanes. Son bobinas de alambre que se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético como el hierro. Por las bobinas circula electricidad, generando un campo eléctrico y magnético a su alrededor. El núcleo magnético de hierro concentra el flujo magnético y hace un imán más potente. Este fenómeno dura únicamente mientras circule la electricidad.

Polos magnéticos

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánLos imanes, tanto naturales como artificiales, tienen las siguientes propiedades:

Todo imán presenta la máxima atracción o repulsión en los extremos, que reciben el nombre de polos magnéticos. Los polos magnéticos reciben los nombres de Norte y Sur porque se orienta según los polos magnéticos de la Tierra, que es un imán natural. No existen los monopolos magnéticos, es decir, los polos magnéticos son inseparables por lo que un imán siempre presenta dos polos (dipolos) por muy pequeño que sea. Los polos del mismo tipo se repelen y los de distinto nombre se atraen.

El valor de la fuerza de atracción o repulsión entre imanes decrece con la distancia de separación entre ellos.

Los polos de un imán están unidos por líneas de fuerza, debidas al campo magnético existente. Estas líneas de fuerza salen de uno de los polos y vuelven a entrar por el otro creando una curva cerrada, atravesando el material. Aunque estas líneas de fuerza son invisibles pueden vislumbrarse, por ejemplo, mediante el uso de limaduras de hierro extendidas alrededor de un imán, ya que las líneas de campo indican la posición energéticamente más favorable en la que se dispondrá otro imán o momento magnético.

Líneas de campo magnético de un imán

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Campo magnéticoUn campo magnético es la región del espacio alrededor de un imán en la cual se manifiestan y actúan sus fuerzas magnéticas, interactuando (atrayendo o repeliendo) objetos ferromagnéticos, corrientes eléctricas y otros imanes que se encuentren dentro del campo.

Usualmente se representa mediante líneas de fuerza, que son flechas curvas que indican la dirección vectorial de la fuerza magnética del campo. La forma y dirección de dichas líneas dependerá de la forma del imán, y tienen su mayor intensidad en la región de los polos.

Nuestro planeta Tierra posee un campo magnético semejante al de los imanes, ya que su núcleo de hierro actúa como una gran masa de partículas cargadas en movimiento. Por esa razón se alinean con el polo norte las agujas de las brújulas. Este campo magnético terrestre, además, nos defiende de las emisiones electromagnéticas solares, conocidas como «viento solar».

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imanes, tanto naturales como artificiales, tienen las siguientes propiedades:

Todo imán presenta la máxima atracción o repulsión en los extremos, que reciben el nombre de polos magnéticos. Los polos magnéticos reciben los nombres de Norte y Sur porque se orienta según los polos magnéticos de la Tierra, que es un imán natural. No existen los monopolos magnéticos, es decir, los polos magnéticos son inseparables por lo que un imán siempre presenta dos polos (dipolos) por muy pequeño que sea. Los polos del mismo tipo se repelen

Densidad de flujoLa densidad de flujo magnético B describe la densidad y el sentido de las líneas de campo que atraviesan una superficie A. Cuanto más densas sean las líneas de campo, mayor será la densidad de flujo magnético. Se indica con la unidad tesla (T).

Cuando hablamos de la densidad de flujo magnético, nos referimos a la cantidad física, que indica como de fuertes son los campos magnéticos. Esto determina como denso es el área del flujo magnético.

El flujo magnético es una medida del campo magnético total que pasa a través de un área dada. Es una herramienta útil para describir los efectos de la fuerza magnética en algún objeto que ocupa un área dada. La medición del campo magnético está atada al área particular de elección. Podemos escoger como queramos el tamaño del área y su orientación relativa al campo magnético.

Si usamos la representación de líneas de campo del campo magnético, entonces cada línea de campo que atraviesa un área dada contribuye con algo de flujo magnético. El ángulo al cual la línea de campo se interseca con el área también es importante. Una línea de campo que penetra de forma rasante contribuye con una pequeña componente de campo al flujo magnético. Cuando calculamos el flujo magnético, solamente incluimos la componente del vector de campo magnético que es normal a nuestra área de prueba.

Si escogemos una superficie simple y plana de área A como nuestra área de prueba, y hay un ángulo θ entre su normal y un vector de campo vectorial (con magnitud B), entonces el flujo magnético es:

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Φ=BAcosθ

Si la superficie es perpendicular al campo, entonces el ángulo es cero y el flujo magnético simplemente es B ABAB, A. La Figura 1 muestra un ejemplo de un área de prueba plana a dos ángulos distintos con respecto al campo magnético y el flujo magnético resultante.

Figura 1: el flujo magnético que pasa a través de dos áreas dadas (azules), orientadas en ángulo (izquierda) y normal (derecha) al campo magnético

Atracción y repulsión entre imanesLa fuerza de atracción entre imanes es ligeramente superior a la de repulsión. Esto se debe a la orientación de los imanes elementales en el imán. Conforme aumenta la distancia, tanto la fuerza de atracción como la de repulsión de los imanes se reducen considerablemente.

La repulsión existe cuando las cargas tienen el mismo signo o polaridad, por ejemplo dos cargas negativas se repelen, dos cargas positivas igualmente se repelen y la atracción será con la misma fuerza y magnitud de la intensidad de su campo eléctrico.

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1.2.4 Electromagnetismo

El magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación. Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se 4 encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula. Si cogemos un trozo de alambre de cobre desnudo, recubierto con barniz aislante y lo enrollamos en forma de espiral, habremos creado un solenoide con núcleo de aire.

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https://sites.google.com/a/iesitaca.org/fisica-2o-bach/fisica-2o-bachillerato/campo-magnetico/descarga.png?attredirects=0


Si a ese solenoide le aplicamos una tensión o voltaje, desde el mismo momento que la corriente comienza a fluir por las espiras del alambre de cobre, creará un campo magnético más intenso que el que se origina en el conductor normal de un circuito eléctrico cualquiera cuando se encuentra extendido, sin formar espiras. Después, si a esa misma bobina con núcleo de aire le introducimos un trozo de metal como el hierro, ese núcleo, ahora metálico, , provocará que se intensifique

el campo magnético y actuará como un imán eléctrico (o electroimán), con el que se podrán atraer diferentes objetos metálicos durante todo el tiempo que la corriente eléctrica se mantenga circulando por las espiras del enrollado de alambre de cobre. Cuando el flujo de corriente eléctrica que circula a través del enrollado de cobre cesa, el magnetismo deberá desaparecer de inmediato, así como el efecto de atracción magnética que ejerce el núcleo de hierro sobre otros metales.

Esto no siempre sucede así, porque depende en gran medida de las características del metal de hierro que se haya empleado como núcleo del electroimán, pues en algunos casos queda lo que se denomina "magnetismo remanente" por un tiempo más o menos prolongado después de haberse interrumpido totalmente el suministro de corriente eléctrica.

Campo magnético que rodea a un conductor

Una vez establecido que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos, interesó establecer expresiones operativas que permitan calcular el campo creado por algunos tipos de corriente. Lógicamente, después de la experiencia de Oersted, el primer caso que se estudió fue la corriente rectilínea.

El resultado de la experiencia de Oersted indica que el campo magnético producido por una corriente rectilínea es perpendicular a dicha corriente.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánAdemás, el magnetismo natural muestra que las líneas de fuerza son cerradas en todas las experiencias. Por lo tanto, teniendo en cuenta la geometría de la situación, es lógico plantear que las líneas del campo deben ser circunferencias contenidas en planos perpendiculares a la corriente y con el centro en el conductor. La veracidad de esta hipótesis se puede comprobar sencillamente colocando una brújula en diversas posiciones alrededor de la corriente o espolvoreando en un plano perpendicular a la corriente limaduras de hierro, que se imantan y dibujan las líneas del campo magnético.

Se constata también que el sentido de las líneas del campo magnético verifica respecto del de la corriente la llamada regla de la mano derecha o de cualquier rosca (como la de un tornillo o un sacacorchos), que ilustra el dibujo adjunto. Esta regla tiene en cuenta que, como es lógico, si se invierte el sentido de la corriente eléctrica, también se invierte el sentido de circulación del campo magnético.

Campo magnético de una espira

Un conductor cerrado plano se llama espira. Si una espira se coloca en una región del espacio en la que existe un B uniforme, se ve sometida a una fuerza dada por la expresión para la fuerza sobre un conductor no rectilíneo obteniendo en este caso que:

ya que la suma de todos los vectores dl sobre una trayectoria cerrada es nula. Es decir:

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http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/magnet/fuerzamag2.html#arbitraria

http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/magnet/fuerzamag2.html#arbitraria

Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmán.

La fuerza neta ejercida por un campo B uniforme sobre un circuito cerrado de corriente es nula.

Sin embargo, la espira no permanece en reposo ya que el momento ejercido por las fuerzas magnéticas es distinto de cero. Según la ecuación de la dinámica de rotación, este hecho provoca un giro en la espira de modo que la aceleración angular adquirida sea paralela al momento de las fuerzas.

Analizamos como ejemplo el movimiento de una espira rectangular.

Espira rectangular

Sea una espira rectangular de lados a y b situada en un campo magnético B uniforme, contenido en el plano de la espira. Calculamos la fuerza neta que ejerce el campo sumando la fuerza sobre cada uno de los lados. La fuerza es nula sobre cada uno de lados a, por ser el campo paralelo al conductor.

Aplicamos la expresión para la fuerza sobre un conductor rectilíneo para cada lado b (lado 1 y lado 2):

El resultado es un par de fuerzas, (igual módulo y sentido opuesto), que ejercen un momento (τ) con respecto al centro del lado a, tal y como se muestra en la imagen frontal de la espira. Como los momentos ejercidos por ambas fuerzas tienen el mismo sentido, el módulo del momento resultante vendrá dado por la expresión:

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http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/solido/rotacion.html

http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/solido/rotacion.html


donde A es el área de la espira.

Debido al momento resultante de las fuerzas la espira aquiere una aceleración angular paralela a dicho momento y se produce una rotación.

Pasemos a generalizar este resultado cuando el campo B no está contenido en el plano de la espira.

Momento magnético de una espira μ

Definimos una mueva magnitud, llamada momento magnético de la espira μ que es independiente del campo magnético y que sólo tiene en cuenta las características del conductor (intensidad de corriente y área). El vector área A tiene de módulo el área de la espira, dirección perpendicular al plano que la contiene y sentido el que da la regla de la mano derecha según el sentido de la corriente eléctrica:

Las unidades del μ en el S.I. son Am2

La expresión general para el momento de las fuerzas queda:

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que coincide con el resultado obtenido en el ejemplo anterior cuando μ y B son perpendiculares.

El momento de las fuerzas, y por tanto, la aceleración angular dependerá del ángulo θ entre μ y B; si la espira está colocada con su momento paralelo al campo, es decir, el plano de la espira es perpendicular al campo, el momento de las fuerzas es nulo y por tanto la espira no sufre ninguna rotación.

Como resumen se puede enunciar que debido al momento de las fuerzas magnéticas:

una espira en un campo magnético B adquiere una aceleración angular, es decir, gira, de modo que su momento magnético μ tiende a colocarse paralelo al campo magnético.

Este constituye el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.

ElectroimanesUn electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Los electroimanes generalmente consisten en un gran número de espiras de alambre, muy próximas entre sí que crean el campo magnético.

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Todo imán presenta la máxima atracción o repulsión en los extremos, que reciben el nombre de polos magnéticos. Los polos magnéticos reciben los nombres de Norte y Sur porque se orienta según los polos magnéticos de la Tierra, que es un imán natural. No existen los monopolos magnéticos, es decir, los polos magnéticos son inseparables por lo que un imán siempre presenta dos polos (dipolos) por muy pequeño que sea. Los polos del mismo tipo se repelen

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Los electroimanes generalmente consisten en un gran número de espiras de alambre, muy próximas entre sí que crean el campo magnético. Las espiras de alambre a menudo se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético, como el hierro; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y hace un imán más potente.

La principal ventaja del electroimán sobre un imán permanente, es que el campo magnético se puede cambiar de forma rápida mediante el control de la cantidad de corriente eléctrica en el devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente, un electroimán requiere de una fuente de alimentación para mantener los campos.

Intensidad del campo magnéticoUn campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas (flujo de la electricidad). La fuerza (intensidad o corriente) de un campo magnético se mide en Gauss (G) o Tesla (T). El flujo decrece con la distancia a la fuente que provoca el campo.El flujo magnético es una medida del campo magnético total que pasa a través de un área dada. Es una herramienta útil para describir los efectos de la fuerza magnética en algún objeto que ocupa un área dada. La medición del campo magnético está atada al área particular de elección. Podemos escoger como queramos el tamaño del área y su orientación relativa al campo magnético.

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Las máquinas eléctricas necesitan de un campo magnético para funcionar. Igual que la corriente eléctrica necesita un circuito de material conductor (cobre o aluminio) por donde circular, el campo magnético también necesita un circuito de material ferromagnético por donde circular. Para saber cuántas espiras debe tener la bobina que induce el campo magnético, o que sección debe tener el circuito magnético etc. se hace necesario estudiar los circuitos magnéticos.Para poder hacer este estudio tenemos que definir una nueva magnitud, la intensidad de campo magnético o excitación magnética H. Su valor viene dado por la siguiente fórmula:

H= N·l,Donde: N es el número de espiras de la bobina inductora, la corriente que circula por la misma y l la longitud de la bobina (del núcleo magnético donde está arrollada la bobina).

La unidad de medida de la intensidad de campo magnético, es el amperio/metro (A/m).

A partir de la intensidad de campo, podemos calcular la inducción magnética mediante la fórmula

B = µ·H,Donde: µ es la permeabilidad magnética del material que se utiliza como núcleo de la bobina.Como el flujo magnético es φ = B·S, entonces podemos calcular el flujo:

Fuerza electromotriz inducida por movimiento Una fem inducida por un movimiento relativo a un campo magnético se llama fem de movimiento. Esto se representa com la ecuación emf = LvB, donde L es la longitud del objeto que se mueve a una rapidez v con relación a la intensidad del campo magnético B.

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánHasta ahora hemos visto que un campo magnético puede ser inducido por una corriente eléctrica y como un campo magnético es capaz de producir una fuerza sobre cargas eléctricas en movimiento. Ahora vamos a ver como un campo magnético puede inducir una fuerza electromotriz (tensión eléctrica) sobre un conductor. Efectivamente, si movemos un conductor que se encuentra en el seno de un campo magnético, sobre el se inducirá una fuerza electromotriz. El valor de esta fuerza depende de la velocidad a la que el conductor se mueva, la longitud de este y de la intensidad del campo magnético:

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES

No todos los materiales se comportan de igual manera frente a los campos magnéticos. Un clavo de hierro es atraído por un imán, pero un trozo de madera no experimenta ninguna fuerza en las proximidades de ese mismo imán.

El comportamiento de los materiales frente a los campos magnéticos depende de la estructura interna del material. El movimiento de los electrones que forman un

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga Guzmánmaterial hace que se induzcan pequemos campos magnéticos. En función de cómo se orienten estos pequeños campos magnéticos en presencia de un campo magnético externo los materiales presentan estas propiedades:

Diamagnéticos: Esta propiedad magnética consiste en que parte de los pequeños campos magnéticos inducidos por el movimiento de rotación de los electrones del propio material, en presencia de un campo magnético externo, se orientan de forma opuesta este. Como consecuencia, un material diamagnético tiende a desplazarse a la zona donde el campo magnético externo es más débil. Todos los materiales presentan la propiedad del diamagnetismo, lo que sucede es que este efecto es tan débil que queda oculto por otros efectos que veremos a continuación.

Paramagnéticos: Esta propiedad magnética consiste en que parte de los pequeños campos magnéticos inducidos por el movimiento de rotación de los electrones del propio material, en presencia de una campo magnético externo se alinean en la misma dirección que este. Como consecuencia, el campo magnético en el interior se hace más intenso, y el material tiende a desplazarse al lugar donde el campo magnético externo es más intenso.

Ferromagnéticos: En los materiales ferromagnéticos, las fuerzas entre los átomos próximos, hace que se creen pequeñas regiones, llamadas dominios, en las que el campo magnético originado por el movimiento de rotación de los electrones está alineado en la misma dirección. En ausencia de campo magnético externo, lo dominios están orientados al azar, pero al aplicar un campo magnético externo, estos dominios se alinean en la dirección del campo aplicado, haciendo que este se intensifique en el interior del material de forma considerable. Parte de estos dominios conservan la orientación incluso una vez que el campo magnético externo desaparece, hecho que explica el fenómeno de la imanación. Los materiales ferromagnéticos (hierro y aleaciones férreas) tienen mucha aplicación en las máquinas eléctricas.

Fuerza electromotriz inducida por variación de flujo

El flujo de un campo magnético se calcula de forma análoga al flujo del campo eléctrico.

1Wb=1T ·m2

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánEs muy común tener el caso de una superficie rodeada por una bobina que contiene N vueltas de alambre. En este caso, el flujo del campo magnético es:

Φm=N B Acos θ

Siendo: N el número de vueltas,

A el área de la superficie plana encerrada por una sola vuelta

Ley de Lenz

Ley: “El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce”.

La Ley de Lenz plantea que los voltajes inducidos serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

La polaridad de un voltaje inducido es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

Donde:

Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).

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Unidad de Aprendizaje: ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUAProf. Alejandro Lechuga GuzmánB = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).

S = Superficie del conductor.

α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:

En este caso la Ley de Faraday afirma que el Vε inducido en cada instante tiene por valor: Vε=

El valor negativo de la expresión anterior indica que el Vε se opone a la variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz.

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Si el pulgar, el dedo índice y el dedo medio de la mano derecha se coloca en el ángulo recto entre sí, apuntando con el pulgar en la dirección que se mueve el conductor y apuntándose con el índice en la dirección del campo (NaS), el dedo medio apuntara en la dirección convencional de la corriente inducida.

REGLA DE FLEMING

Actividades y/o ejercicios.

Ejercicio

Tenemos dos cargas eléctrica, una de +3c y una de -2c, separadas a una distancia de 3m. Para calcular la fuerza que existe entre ambas cargas es necesario multiplicar la constante K por el producto de ambas cargas. Como se observa en la imagen, se ha obtenido una fuerza negativa

Preguntas de reflexión.

¿Qué es la electricidad?

Bibliografía.

https://www.fundacionendesa.org/es/recursos/a201908-materia-carga-electricahttps://www.fundacionendesa.org/es/recursos/a201908-materia-carga-electrica

https://www.youtube.com/watch?v=9TQJ8KXtjvw https://www.youtube.com/watch?v=5NiwBPB7Ew0

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https://www.youtube.com/watch?v=5NiwBPB7Ew0

https://www.youtube.com/watch?v=9TQJ8KXtjvw

https://www.fundacionendesa.org/es/recursos/a201908-materia-carga-electrica

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