Contenidos_Didacticos_E_E_-_Unidad_1

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería

Contenido Didáctico del Curso Electricidad y Electromagnetismo

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

2050502 – ELECTRICIDAD Y ELECTROMAGETISMO

FREDDY REYNALDO TÉLLEZ ACUÑADirector Nacional

FUAN EVANGELISTA GÓMEZ RONDÓNCo-autor del Módulo

BUCARAMANGADiciembre de 2010






CONTENIDOS

UNIDAD CAPÍTULO LECCIONES

1. ELECTROSTÁTICA 1. CARGA ELÉCTRICA

2. POTENCIAL ELÉCTRICO

3. CAPACIDAD ELÉCTRICA

1. Carga y materia2. Ley de Coulomb3. Campo eléctrico4. Líneas de fuerza5. Ley de Gauss

6. Energía potencialeléctrica

7. Diferencia de potencial

8. Superficiesequipotenciales

9. El electronvoltio10. Aplicaciones

11. Condensadores12. Tipos de condensadores13. Condensadores en serie

y en paralelo14. Energía en un

condensador

15. Efecto de los dieléctricos

2. ELECTRICIDAD 4. NATURALEZA DE LAELECTRICIDAD

5. CIRCUITOS ELÉCTRICOS

16. El electrón17. Corriente eléctrica18. Fuerza electromotriz19. Fuentes de electricidad20. Señales continuas y

alternas

21. Componentes de un

circuito eléctrico22. Resistencia eléctrica23. Tipos de resistencias24. Código de colores para

resistencias eléctricas25. Resistencias eléctricas

en serie y en paralelo






6. LEYES DE LOSCIRCUITOS ELÉCTRICOS

26. Ley de Ohm27. Potencia eléctrica28. Circuito serie29. Circuito paralelo

30. Leyes de Kirchhoff

UNIDAD CAPÍTULO LECCIONES

3. ELECTROMAGNETISMO 7. MAGNETISMO

8. ELECTROMAGNETISMO

9. APLICACIONES

31. Imanes32. Campo magnético de un

imán33. Circuito magnético34. Inductancia35. Inductancias en serie y

en paralelo

36. Campo magnéticocreado por una corriente

37. Ley de Ampere38. Ley de Ley de Biot-

Savart39. Ley de Faraday-Lenz40. Fuerza sobre un

conductor

41. Horno de Inducción42. Motor eléctrico43. Generador eléctrico44. El transformador

eléctrico45. Antenas






ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido del módulo para el curso académico Electricidad yElectromagnetismo fue recopilado en el año 2010 por el Ing. Freddy ReynaldoTéllez, docente de la UNAD.

Este módulo nace de la experiencia de los autores, los cuáles han trabajadodurante varios años como directores nacionales de cursos tan importantes comoFísica General, Física Electrónica, Microprocesadores & Microcontroladores,Electromagnetismo y Campos Electromagnéticos.

El docente Freddy Téllez es Ingeniero Electricista y Magíster en PotenciaEléctrica de la Universidad Industrial de Santander. Se ha desempeñado comodocente e investigador de la UNAD desde el 2004 y ha sido catedrático einvestigador de diversas universidades.

El docente Fuan Evangelista Gómez Rendón es Físico Puro y Especialistaen Ciencias Electrónicas e Informática de la Universidad de Antioquia, Especialistaen Diseño de Ambientes de Aprendizaje ( apoyado en las Tics ) de la UniversidadMinuto de Dios y actualmente se encuentra desarrollando su Maestría en Física en

la A.I.U ( Atlantic International University ). Se ha desempeñado como docente dela UNAD desde el 2005 y ha sido catedrático de prestigiosas universidades delmedio.

Los autores han tomado algunas referencias e imágenes del módulo de“ Electromagnetismo ”, el cual fue diseñado y escrito para la UNAD por elIngeniero Carlos Jaimes ( este material fue actualizado por el docente FuanEvangelista Gómez en el 2010 )

Los autores esperan mejorar y actualizar este material de estudio en el

2011 y para ello esperan sus aportes. Felicidades.






INTRODUCCIÓN

Nuestro país progresivamente ha venido entrando en la modernizacióntecnológica, que hasta hace algunos años era aplicada sólo en países altamenteindustrializados. Este avance continuo y vertiginoso en la transformación denuestro entorno, hace imprescindible para muchas personas obtener unainformación rápida y clara sobre las bases en las que se soporta todo estedesarrollo.

El presente módulo, tiene entonces como finalidad principal ubicar al estudiantedentro del contexto de la electricidad y el electromagnetismo, por medio de unaformación de carácter analítico y conceptual, mediante el desarrollo de habilidadesy destrezas, necesarias para que los estudiantes se enfrenten con ciertapropiedad ante las situaciones que puedan surgir en esta sociedad tecnificada.

Esta formación ha de servir al estudiante para que se familiarice con los pilaresfísicos en los que, por un lado, se sustenta la actual era de la electrónica y lastelecomunicaciones y, por otro, se construye el conocimiento acerca de laingeniería aplicada y las nuevas tecnologías.

El Módulo contiene, entre otras, las siguientes temáticas:

Conceptos de electrostática, electricidad y electromagnetismo. Definición de importantes variables y magnitudes físicas. Leyes básicas de los campos y los circuitos eléctricos. Descripción de componentes y tipos de circuitos eléctricos. Aplicaciones de la electrostática y el electromagnetismo.

Deseamos finalmente que este texto sirva para enriquecer sus conocimientos y lepermita desempeñarse mejor en nuestra sociedad. Cualquier comentario osugerencia que nos pueda brindar para el mejoramiento de este material, serágratamente recibida.






UNIDAD 1

ELECTROSTÁTICA

CONTENIDOS

Capítulo 1. Carga Eléctrica

1. Carga y materia2. Ley de Coulomb3. Campo eléctrico4. Líneas de fuerza5. Ley de Gauss

Capítulo 2. Potencial Eléctrico

6. Energía potencial eléctrica7. Diferencia de potencial8. Superficies equipotenciales9. El electronvoltio10. Aplicaciones

Capítulo 3. Capacidad Eléctrica

11. Condensadores12. Tipos de condensadores13. Condensadores en serie y en paralelo14. Energía en un condensador15. Efecto de los dieléctricos






CAPITULO 1: CARGA ELÉCTRICA

Introducción

La fuerza eléctrica es una fuerza significativamente poderosa, que puede seratractiva o repulsiva, de carácter central y además es una fuerza conservativa. Esla responsable de los enlaces de la materia, explica el movimiento de loselectrones en una pantalla de televisión, nos ayuda a comprender el fenómeno delgalvanizado, justifica la estática de las nubes; es una fuerza especial de lanaturaleza que está muy cerca de nosotros.

Comprender y manejar los campos eléctricos estáticos, es decir, aquellos camposeléctricos que no dependen del tiempo, es muy importante para justificar y analizarel comportamiento de muchos equipos, dispositivos o fenómenos de la industriarelacionados con este campo del saber.

Lección 1: Carga y Materia

Antes de ocuparnos directamente de la carga eléctrica, demos un breve repaso alconcepto de materia.

Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, puedeencontrarse en forma sólida, líquida o gaseosa.

Los materiales básicos de toda materia son los elementos de la tabla periódica.Todo lo que nos rodea está formado de elementos y su combinación produce loque se llama compuestos, los cuales tienen características muy diferentes a las delos elementos que los constituyen.

Hidrógeno ( gas )

Ejemplo : el agua ( H2O ) es un compuesto deOxígeno ( gas )

Los átomos son la parte más pequeña en que se puede reducir un elementosimple sin que se pierdan sus características físicas y químicas, por lo tanto, todala materia tiene átomos.






Ahora bien, si el átomo de un elemento se divide más deja de existir y lo quetendremos serán partículas sub-atómicas. La cantidad de estas partículas son lasque hacen que el átomo de un elemento sea diferente al átomo de otro elemento.

Todo átomo está formado por las siguientes partículas sub-atómicas: electrones,protones y neutrones.

Fuente: http://www.kirlian.com.br/info_por_0004.asp

Los electrones tienen carga negativa y giran en diferentes órbitas alrededor delnúcleo. Los electrones de la órbita más externa del átomo se llaman electrones devalencia y son los de mayor interés dentro de este curso.

Los protones tienen carga positiva y se encuentran en el núcleo del átomo.

Los neutrones, no tienen carga y se encuentran en el núcleo del átomo.

En condiciones normales el número de electrones es igual al número de protones,lo cual hace que el átomo sea eléctricamente neutro. El número de protonesdetermina la diferencia entre los átomos y viene dado por el número atómico. Parailustrar lo anterior, se presenta en la siguiente figura, el átomo del Oxígeno.

Fuente: http://www.ccr.aldeae.net

8 electrones

8 rotones

Átomo deOxígeno






La carga eléctrica es entonces un concepto fundamental ( al nivel de la masa, lalongitud y el tiempo ) y que se aplica ante la existencia de fuerzas susceptibles deser medidas experimentalmente. Es una medida de la “cantidad de electrización”que posee un cuerpo.

La carga tiene dos formas conocidas como son:

• Carga positiva (+)• Carga negativa (-)

Estos dos tipos de carga fueron determinados por Benjamín Franklin (1706 -1790),quien a través de sus observaciones sistemáticas determinó que cargas iguales serepelen entre sí y cargas opuestas se atraen entre sí.

La carga eléctrica en un cuerpo, se puede presentar en su exterior, en su interior odentro de una superficie cerrada, constituyendo una forma cualitativa de excesode electricidad respecto a la presente en otro cuerpo o superficie.

La unidad correspondiente a la cuantificación de la carga eléctrica es el Coulombio( C ), el cual es una unidad derivada en el Sistema Internacional, es decir, que seexpresa en términos de las llamadas y aceptadas cantidades fundamentales.

Un Coulombio equivale aproximadamente a 6,25 x 1018 electrones, mientras quela carga de un electrón es: 1 e- = -1,6021 x 10-19 [ C ]. La carga eléctrica de unprotón es positiva y tiene el mismo valor absoluto de la carga eléctrica del electrón.

Lección 2: Ley de Coulomb

Charles Coulomb (1736 – 1806) midió las magnitudes de las fuerzas queexperimentaban cuerpos cargados eléctricamente, mediante un dispositivodenominado Balanza de Torsión y que el mismo desarrolló. Las fuerzas queactuaban a distancia y que Newton había inmortalizado en sus trabajos degravitación universal estimularon los trabajos de Coulomb en la fuerza eléctrica.

Las mediciones de Coulomb permitieron concluir lo siguiente:

- La fuerza eléctrica entre dos pequeñas esferas cargadas es inversamenteproporcional al cuadrado de la distancia que las separa, es decir:

F ∝ 1 / r 2






- La fuerza eléctrica experimentada por dos partículas cargadas esproporcional al producto de la magnitud de cargas de las partículas, o sea:

F ∝ q1 . q2

- La fuerza eléctrica es de repulsión si los signos de las cargas son iguales( Figura A ) y de atracción si los signos son opuestos ( Figura B )

A partir de esas conclusiones experimentales, Coulomb expreso la ley que lleva su

apellido, la cual se puede representar con la siguiente ecuación:

F = k ( q1 q2 / r2 )En donde:

F: es la fuerza eléctrica entre las cargas, [ N ]

q1, q2: magnitudes de las cargas eléctricas bajo consideración, [ C ]

r: distancia de separación entre las cargas, [ m ]

k: constante de proporcionalidad, [ N m 2 / C 2 ]

Las unidades aplicadas son las correspondientes al SI (Sistema Internacional). Laconstante “k” se deriva de la siguiente expresión:

k = 1 / 4π






La constante o se conoce como la “ permitividad eléctrica del vacío” y representael efecto que las cargas tienen en el espacio libre y tiene el siguiente valor:

o = 8,854 x 10-12 [ C 2 / N m 2 ]

Con lo cual: k = 9 x 109 [ N m 2 / C 2 ]

Hay que destacar que la fuerza es una cantidad vectorial, por lo que tendrá unamagnitud y un sentido y la suma de fuerzas se debe realizar de forma vectorial.

Lección 3: Campo Eléctrico

Un campo eléctrico es una región en la cual una carga eléctrica es capaz deexperimentar una fuerza eléctrica como consecuencia de otras cargas presentesen el lugar. Una carga eléctrica altera el espacio que la circunda, siendo laintensidad de esa alteración igual a la relación entre la fuerza eléctrica ( F ) sobrela carga de prueba ( q0 ). La expresión correspondiente es:

E = F / q 0 [ N / C ]

El campo eléctrico es producido por una carga externa a la carga de prueba, esdecir, no es producido por la carga de prueba. El campo eléctrico es un vector ytendrá la misma dirección de la fuerza ( F ) considerada.

Ejemplo. Encontrar la intensidad de campo eléctrico ( E ) a 50cm de una cargapositiva de 10-4C.

En este ejemplo la carga externa es la carga de +10 -4C y la carga de pruebapositiva se ubica a 50 cm de esta, es decir, en el punto A.

F = k ( q1 q2 / r2 )

F = 9 x 109 (10-4 * q0 ) / (0,5)2 = 3,6 x 106 . q0 [ N ]

E = F / q0

E = 3,6 x 106 [ N / C ]






Lección 4: Líneas de Fuerza

Dado que el campo eléctrico tiene una dirección, se pueden establecer líneas decampo que permitan “visualizar” la distribución del mismo, determinando los puntos de concentración. De manera pictórica ayudan a comprender o a explicarsignificativamente el comportamiento de los campos eléctricos estáticos.

Unas reglas básicas para dibujar las líneas de campo eléctrico son:

• Las líneas salen de la carga positiva y llegan o terminan en la carga negativa.

• El número de líneas dibujadas saliendo de una carga positiva o aproximándose auna carga negativa es proporcional a la magnitud de la carga.

• Ningún par de líneas de campo puede cruzarse.

Algunas configuraciones típicas se ilustran a continuación:






Lección 5: Ley de Gauss

Kart Friedrich Gauss (1777 – 1855) estableció una relación general entre el flujoeléctrico neto a través de una superficie cerrada y la carga eléctrica encerrada por

esa superficie. Esta relación se conoce como la Ley de Gauss y establece que:

ΦE = dA

En donde dA es un diferencial de área o superficie.

Para una carga eléctrica puntual, todos los puntos ubicados sobre una mismasuperficie ( por ejemplo en una esfera ) tienen el mismo valor de campo eléctrico,por lo tanto el flujo de campo eléctrico desarrollado a través de esa integral

genera:

ΦE = dA = E A = [ q / (4 π ε0 R2) ] * (4 π R2 ) = q / ε0 ,

en la cual se recuerda que el área de una esfera es: 4 π R2. Este resultado se hageneralizado a múltiples distribuciones de carga eléctrica y se ha encontrado que:“el flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada equivale a la cargaeléctrica encerrada por la superficie, dividida por la permitividad eléctrica delmedio (ε).

ΦE = q / ε0 , para el vacío.

La Ley de Gauss es una formulación alterna a la Ley de Coulomb, con la cual sepuede hallar el campo eléctrico en el caso de distribuciones simétricas de cargacomo la de una carga puntual, una carga lineal, una carga superficial cilíndrica ouna esférica.

Ejemplo. Cuál es el flujo eléctrico ( ΦE ) a través de unasuperficie esférica que tiene un radio de 1,0 m y porta

una carga eléctricade +1μC en su centro

?

Solución 1: mediante la Ley de Coulomb, se tiene que:

E = k . q / r 2 = ( 9 x 109 ) * 1 x 10-6 / ( 1 )2 = 9 x 103 [ N/C ]

El campo apunta radialmente hacia fuera, y por tanto, esperpendicular en todo punto a la superficie de la esfera.






El área de la superficie de la esfera es:

A = S = 4 π R2 = 12,6 m2

El flujo a través de la superficie esférica es:

ΦE = E . S = (9 x 103) * 12,6 = 1,13 x 105 [ N m2 / C ]

Solución 2: mediante la Ley de Gauss, se tiene que:

ΦE = q / ε0 = 1 x 10-6 / 8,854 x 10-12 = 1,13 x 105 [ N m2 / C ]






CAPITULO 2: POTENCIAL ELÉCTRICO

Introducción

El concepto de potencial se asocia con el de fuerza conservativa, como la fuerzagravitacional o la fuerza elástica. Dado que la fuerza electrostática, estudiada bajoel concepto de la Ley de Coulomb es conservativa, los fenómenos electrostáticospueden describirse en términos de energía potencial eléctrica.

Esta idea, permite definir una cantidad escalar denominada “Potencial Eléctrico”, el cual se determina en cualquier punto dentro de un campo eléctrico. También es

válido usar el término “voltaje” el cual se mide en “voltios” en honor al genio de Volta, creador de la primera pila eléctrica, presentada en el año de 1800.

Lección 6: Energía potencial eléctrica

Cuando una carga de prueba qo se encuentra dentro de un campo eléctrico Ecreado por un algún otro cuerpo cargado, la fuerza eléctrica que actúa sobre esa carga de prueba es:

F = qo . E

Esta fuerza es de tipo conservativo. Ahora, si la carga se mueve dentro de esecampo eléctrico por efecto de un agente externo, el trabajo realizado por el campoeléctrico sobre la carga es igual al negativo del trabajo hecho por el agenteexterno que produce el movimiento de la carga. La energía empleada en larealización de este trabajo, equivale al producto de la fuerza por la distanciarecorrida ( d ), con lo cual:

F . d = qo . E . d

Para un desplazamiento determinado entre dos puntos, A y B, el cambio en la

energía potencial del sistema se puede expresar como:

ΔEp = ΔUA-B = qo . E . d ΔUA-B / qo = E . d

Al igual a lo que sucede en la determinación de la energía potencial gravitatoria, elcambio en la condición de energía no depende de la trayectoria seguida, sino de ladiferencia de potencial entre los dos puntos considerados.






La energía potencial por unidad de carga, U/q0, es independiente del valor de qo ytiene un valor único en cada punto en un campo eléctrico. La cantidad U/q0 recibeel nombre de Potencial Eléctrico ( o simplemente Potencial ) V, por tanto, elPotencial Eléctrico en cualquier punto en un campo eléctrico es:

V = U / q 0

Lección 7: Diferencia de potencial

La diferencia de potencial ΔV = VB – VA entre los puntos A y B, en un campoeléctrico, se define como el cambio en la energía potencial del sistema, con locual:

ΔV = ΔU / q0 = E . d ( Voltio = Joule / Coulombio )

Se debe observar que de acuerdo con la ecuación anterior, al expresar el campoeléctrico E en función de la Diferencia de Potencial, el campo queda con unidadesde [ voltios / m ]

Lección 8: Superficies equipotenciales

En los laboratorios, en las placas de los televisores, de los osciloscopios, etc. loscampos eléctricos reales se registran o se controlan por la manipulación de ladistancia entre dos placas deflectoras y el voltaje o potencial entre ellas. En efecto

la experiencia registra que:E = ΔV / d

La magnitud del campo eléctrico en cualquier dirección es igual al cambio del“potencial eléctrico” en dicha dirección. El “ voltaje ” no cambia para cualquier desplazamiento perpendicular al campo eléctrico, por lo que las superficiesequipotenciales se determinan perpendicularmente al campo eléctrico. Ejemplosde superficies equipotenciales se presentan en la siguiente figura:






Lección 9: El electronvoltio

Considerando que las partículas fundamentales y los núcleos tienen una cargaque es igual a, o que es un múltiplo de la carga fundamental e, se sugiere que se

defina una nueva unidad de energía, llamada electronvoltio, abreviado eV.

Un electronvoltio es la energía adquirida por una partícula de carga e al moverse através de una diferencia de potencial de 1 voltio.

De esta manera tenemos que:

1 eV = 1 e * 1 V = ( 1,6021 x 10-19 C ) ( 1 V ) = 1,6021 x 10-19 [ J ]

Lección 10: Aplicaciones [4]

La electrostática está presente en dispositivos de uso corriente, entre los cuales sepueden mencionar los siguientes:

Filtros electrostáticos: son dispositivos que eliminan las partículas materiales delos gases de combustión, reduciendo la contaminación atmosférica producida porlas industrias que generan humos. Los sistemas actuales pueden eliminar el 99%de las emisiones de partículas. La siguiente figura muestra un esquema de un filtro

electrostático:






Se mantiene una alta diferencia de potencial, entre 40 y 100 KV, entre el alambreque se ubica en el centro del dispositivo y las paredes del mismo, estando elprimero conectado a tierra. El alambre esta a un potencial negativo respecto de las

paredes, con lo cual, el campo eléctrico está dirigido hacia el alambre. El campoeléctrico en el alambre es tan intenso que produce descargas eléctricas alrededordel mismo, las cuales ionizan el aire.

El humo a ser tratado se introduce en el ducto del dispositivo y se mueve cerca delalambre, al entrar en contacto con los iones de aire se producirá una ionización delas partículas del humo y dado que la mayoría de esas partículas quedan concarga negativa, se desplazaran hasta las paredes del dispositivo permitiendo serretiradas por precipitación mediante vibración del ducto.

Impresoras láser: el proceso de impresión con ayuda del rayo láser se basa en elproceso de xerografía en el cual primero se recubre la superficie de una placa o untambor con una película delgada de material fotoconductor (generalmente selenio)y se le proporciona una carga electrostática positiva bajo un ambiente oscuro.

La imagen de lo que se va a imprimir o a copiar se proyecta con el rayo lásersobre la superficie cargada, la superficie fotoconductora se vuelve conductora soloen aquellas áreas donde incide la luz. En estas áreas la luz produce conducciónde cargas en el fotoconductor, lo cual mueve la carga positiva del tambor, pero sepresenta permanencia de algunas cargas positivas en aquellas zonas donde noincide la luz.

El polvo del tóner con carga negativa se esparce sobre la superficiefotoconductora y se adhiere solo en aquellas zonas con carga positiva, pasando alpapel que se encuentra cargado positivamente.

En la figura siguiente se presentan los pasos mencionados en el proceso deimpresión.






CAPITULO 3: CAPACIDAD ELÉCTRICA

Introducción

En el campo eléctrico, la capacitancia hace referencia a la capacidad que tiene undispositivo o un cuerpo de almacenar una carga eléctrica. Su expresiónmatemática relaciona la cantidad de carga que puede almacenar un cuerpo( capacitor ) con el voltaje o diferencia de potencial que es aplicado en susextremos, los cuales en su gran mayoría son placas metálicas paralelas.

C = Q / V

C = capacitanciaQ = cantidad de cargaV = voltaje

La unidad de capacitancia es el Faradio ( F ) y físicamente representa lacapacitancia que almacena un coulombio de carga cuando se aplica un voltioentre los terminales de un capacitor.

Lección 11: Condensadores

Un condensador o capacitor es un elemento pasivo que tiene la particularidad dealmacenar carga eléctrica.

Los condensadores están formados por dos superficies metálicas conductorasllamadas armaduras, las cuáles se hallan separadas por un medio aislantedenominado dieléctrico. Este dieléctrico puede ser aire, cerámica, papel o mica.






En los circuitos electrónicos los condensadores o capacitores se suelen utilizarbásicamente para eliminar la componente continua de una señal eléctrica o paraalmacenar tensión en un determinado momento ( como batería temporal ) y

cederla posteriormente.

Lección 12: Tipos de condensadores

De acuerdo a su funcionamiento, los condensadores pueden ser:

Fijos

Variables

Condensadores fijos. Los condensadores fijos son aquellos cuya capacitancia nose puede alterar. El valor de la capacitancia está determinado desde el momentomismo de la construcción. Sus diferentes formas se pueden apreciar en la figura.

Es de tener en cuenta que los condensadores de capacitancia fija, también vienenen dos versiones.

No polarizados

Polarizados

Los no polarizados son aquellos que trabajan con corriente alterna y suelen serllamados “ condensadores de paso ”. Los polarizados, conocidos también comoelectrolíticos, son aquellos que trabajan únicamente con corriente directa y seemplean en circuitos de filtrado, temporizadores, etc. Estos últimos se reconocenfácilmente porque tienen marcado en su exterior el terminal negativo ( - )






de paso

electrolítico

Condensadores variables. Son aquellos a los que se le puede variar sucapacidad a voluntad y en cualquier momento, trayendo para el efecto un eje alcual se acopla una perilla. Estos están compuestos por varias placas y son demucho mayor capacidad que los fijos. Se emplean para sintonizar la frecuencia delos receptores de radio y de los transmisores. Su dieléctrico puede ser el aire o elpolietileno.

Lección 13: Condensadores en serie y en paralelo

Es posible encontrar redes formadas por varios condensadores, los cuáles puedenestar conectados en serie o en paralelo.

Montaje en serie:

Cuando los condensadores se encuentran conectados en serie se pueden llevar aun condensador equivalente por medio de la siguiente expresión:

1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn






Montaje en paralelo:

En la figura anterior se muestra una red de condensadores conectados enparalelo.

La expresión para llevar esta configuración a un condensador equivalente es lasiguiente.

CT = C1 + C2 + C3 + ... + Cn

Los condensadores poseen una unidad de medida que los diferencia de los demáselementos eléctricos y electrónicos, ésta es el Faradio ( F ).

Esta unidad como tal no se presenta en los condensadores, ya que tocaría fabricarcondensadores demasiado grandes, para ser representados por unidades deFaradios.

Para solucionar lo anterior se procede a fabricar condensadores con unidades

más pequeñas que nos permiten obtener condensadores de tamaño adecuadocon las propiedades requeridas para el campo de la electrónica.

Las unidades de submúltiplos más utilizadas para condensadores son elmicrofaradio ( F ) y el picofaradio ( pF ).

Lección 14: Energía en un condensador

En la figura observamos un condensador cuya armadura A se encuentraconectada al polo positivo de una fuente y cuya armadura B se encuentra

desconectada.






Mientras el interruptor S permanezca abierto las placas del condensador seráneléctricamente neutras, pues el número de protones y de electrones en cada unaes el mismo. Decimos entonces que se encuentra en equilibrio de cargas o

eléctricamente neutro.

Cuando se cierra el interruptor S, la carga negativa de la placa A es atraída por elterminal positivo de la fuente, mientras que la carga positiva de la placa B esatraída por el terminal negativo de la fuente. Este movimientos de cargas continúahasta que el voltaje en las placas del condensador sea igual al de la fuente, eneste momento el condensador está cargado.

Como resultado tenemos que en ambas armaduras aparece una carga cuyo valorabsoluto es el mismo, pero su polaridad opuesta. Esta carga se acumula por

influencia electrostática recíproca de las dos armaduras.

La corriente eléctrica que se produce es de poca duración y dependerá de lascaracterísticas del condensador, o sea de su capacitancia. Una vez cargadas lasarmaduras, la corriente por dicho circuito es nula.

Entonces podemos concluir que un condensador no permite el paso de la corrientecontinua. Sin embargo, la diferencia de potencial entre sus terminales es la mismaque la de la fuente. Por tanto, el condensador a la vez que acumula carga,almacena tensión entre sus armaduras.

La diferencia de potencial de un condensador cargado teóricamente no se pierde,aunque se desconecte de la fuente que originó la carga.

Lección 15: Efecto de los dieléctricos

La mayor parte de los condensadores llevan entre sus láminas una sustancia noconductora o dieléctrica.

A nivel de fabricación, un condensador típico está formado por láminas metálicasenrolladas, separadas por papel impregnado en cera. El condensador resultantese envuelve en una funda de plástico y su capacidad puede ser del orden de losmicrofaradios.

Los condensadores electrolíticos utilizan como dieléctrico una capa delgada deóxido no conductor entre una lámina metálica y una disolución conductora.






Esto puede apreciarse en la siguiente figura.

Los condensadores electrolíticos de dimensiones relativamente pequeñas puedentener una capacidad de 100 a 1000 uF.

La función de un dieléctrico sólido colocado entre las láminas es triple:

- Resuelve el problema mecánico de mantener dos grandes láminasmetálicas a distancia muy pequeña sin contacto alguno.

- Consigue aumentar la diferencia de potencial máxima que el condensador

es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas ( rupturadieléctrica )

- La capacidad de un condensador de dimensiones dadas es varias vecesmayor con un dieléctrico que separe sus láminas que si estas estuviesen enel vacío.






APÉNDICE A. NOTACIÓN CIENTÍFICA

En ingeniería es normal el tratar con números que son bastante grandes opequeños para ser escritos en un papel. Es por ello que se ha ideado una manerade escribir este tipo de cifras de una manera cómoda y accesible. Esta notación sedenomina notación científica.

Esta notación científica consiste en escribir el número como una cifra comprendidaentre 1 y 10, y luego multiplicarla por la potencia de 10 más adecuada.

Para comprender un poco mejor esto veamos los siguientes ejemplos:

Ejemplo. Utilice la notación científica para calcular:

a)

b) 6000 × 0,000012

Solución:

a) 0,0015 / 3000000 = 1,5 x 10-3 / 3 x 106 = 0,5 x 10-9 = 5 x 10-10

b) 6000 × 0,000012 = 6 x 103 × 1,2 x 10-5 = 7,2 × 10−2 = 0,072

A partir del anterior ejemplo ¿ podría usted deducir una regla general para lamultiplicación y la división utilizando la notación científica ?






APÉNDICE B. UNIDADES Y PREFIJOS

El Sistema Métrico Internacional de Unidades, comúnmente llamado SI, es el que

más se emplea en electricidad. Sus unidades básicas son :

UNIDADES BÁSICAS DEL SISTEMA INTERNACIONAL

Magnitud Física Unidad Símbolo

Longitud metro m

Masa kilogramo Kg

Tiempo segundo s

Corriente eléctrica amperio A

Temperatura Kelvin K

Intensidad luminosa candela cd

Cantidad de sustancia mol mol

De las unidades básicas se obtienen otras unidades muy usadas e importantespara el desarrollo del curso, las cuales se presentan a continuación:

Magnitud Unidad Símbolo

Fuerza newton N

Trabajo, Energía joule J

Potencia vatio WCarga eléctrica coulombio C

Tensión eléctrica voltio V

Resistencia eléctrica ohmio






Conductancia eléctrica siemens S

Capacidad eléctrica faradio F

Flujo magnético weber Wb

Inductancia eléctrica henrio H

Inducción magnética tesla T

Frecuencia hertz Hz

En el estudio de la electricidad, algunas unidades resultan demasiado grandes odemasiado pequeñas para que su uso sea conveniente. Es por eso que seemplean algunos prefijos para referirnos a ellas con mayor propiedad. Los másempleados se presentan en la siguiente tabla:

FACTOR PREFIJO SÍMBOLO

106 mega M

103 kilo K

10-3 mili m

10-6 micro

10-9 nano n

10-12 pico p






GLOSARIO DE TÉRMINOS

Admitancia: Medición de la facilidad que presenta un conductor al flujo de la

corriente eléctrica, ( es inversa a la impedancia ).

Amperio ( A ): Unidad de medida de la corriente eléctrica, es la cantidad de cargaque circula por un conductor por unidad de tiempo.

Banda de conducción: Región de un átomo, molécula o red de átomos omoléculas en la que los electrones circulan libremente.

Banda de valencia: Región de un átomo, molécula o red de átomos en la cual los

electrones están ligados al núcleo atómico.

Banda prohibida: Región que está entre la banda de valencia y la de conducción,en la cual los electrones de un átomo, molécula o red de átomos o moléculasatraviesan por un proceso cuántico para que, por ejemplo, los electrones de labanda de valencia lleguen a la de conducción. El ancho de la banda prohibida semide en unidades de energía y determina que un material sea conductor,semiconductor o aislante.

Capacitancia: Es la relación entre la carga electrostática entre dos conductores y

la diferencia de potencial requerida para mantener esa carga.

Circuito paralelo: Circuito que tiene más de un camino para la corriente, dondelos elementos comparten los terminales.

Circuito serie: Circuito con un único camino para la corriente, donde loselementos van uno a continuación del otro.

Condensador: Dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma mássencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas separadas poruna lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a ungenerador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa.

Conductancia ( G ): G = 1 / Resistencia. Es el inverso de la resistencia. Unelemento (resistor) con alta resistencia tiene baja conductancia, un resistor conbaja resistencia tiene alta conductancia.






Corriente Eléctrica: Es equivalente al flujo de carga ( generalmente electrones ) através de un conductor.

Corriente Alterna ( CA ): Corriente eléctrica que cambia su amplitud en formaperiódica en el tiempo.

Corriente Continua (CC): Es la corriente que fluye en una sola dirección. Lasbaterías, las celdas solares, etc. producen corriente en CC. Este tipo de corrienteno cambia su magnitud ni su sentido en el tiempo.

Coulombio ( C ): Unidad de medición de la carga eléctrica. Un coulombio equivalea 6.25x1018 electrones.

Electricidad: Forma de la energía debida a la separación o movimiento de loselectrones que forman los átomos, cuya manifestación más característica es lapropiedad que por fricción, compresión, etc., adquieren ciertas sustancias deatraer cuerpos ligeros y producir chispas.

Electrónica: Ciencia que trata del comportamiento de los electrones libres; delpaso de los electrones a través de espacios vacíos o de gases más o menosenrarecidos.

Faradio ( F ): Unidad de Capacidad. Es la carga de un condensador queaplicándole la tensión de 1 voltio, admite la carga de 1 Culombio.

Henrio ( H ): Unidad de Inductancia. Es la inductancia de una bobina quehaciendo variar en 1 amperio/seg, se induce en ella la tensión de un voltio.

Hertz ( Hz ): Cantidad de ciclos completos de una onda en una unidad de tiempo.1 Hertz = 1 ciclo/s.

Impedancia: Oposición total que un circuito ofrece al paso de la corriente eléctrica

alterna, esta es una combinación de la Resistencia, Capacitancia ( reactanciacapacitiva ) e Inductancia ( reactancia inductiva ), se mide en ohmios.

Inductancia: Propiedad de un circuito para oponerse al cambio en el flujo de lacorriente, provoca que la corriente se retrase con respecto al voltaje, se mide enHenrios.






Multímetro: Instrumento todo propósito, también llamado Téster, VOM, DMM ,etc., utilizado para efectuar mediciones de tensión ( voltaje ), corriente continua,corriente alterna, resistencia y a veces también: diodos, transistores,

condensadores, etc.

Ohmio ( ): Unidad de medición de la resistencia eléctrica, representada por laletra griega omega.

Potencia: Velocidad con que se suministra o consume energía.

Resistencia Eléctrica: Medida de la oposición al paso de la corriente eléctrica alaplicarse un voltaje, se mide en ohms.

Siemens (Mho): Unidad de medida de la conductancia (G).

Vatio ( W ): Unidad de la potencia.

Voltaje: Diferencia de potencial, término comúnmente usado para referirse a lafuerza electromotriz.

Voltio ( V ): Unidad de medición de la diferencia de potencial eléctrico o tensióneléctrica, comúnmente llamado voltaje.






BIBLIOGRAFÍA

[ 1 ] MÓDULO DE ESTUDIO: “ Física Electrónica ” – UNAD

[ 2 ] MÓDULO DE ESTUDIO: “ Campos Electromagnéticos ” – UNAD

[ 3 ] MÓDULO DE ESTUDIO: “ Física Electrónica ” – UNISUR

[ 4 ] MÓDULO DE ESTUDIO: “ Electromagnetismo ” – UNAD

[ 5 ] GUSSOW , Milton. “Fundamentos de Electricidad”. Editorial Mc Graw Hill.

[ 6 ] HALLIDAY, D.; RESNICK, R. y WALKER, J. “Fundamentos de Física”(6ª edición, 2 volúmenes). Editorial CECSA.

[ 7 ] SEARS, F.W.; ZEMANSKY, M.W. y YOUNG, H.D. “Física Universitaria”(6ª edición). Addison-Wesley.

[ 8 ] SERWAY, R.A. y JEWETT, J.W. “Física” (3ª edición, 2 volúmenes). EditorialThomson-Paraninfo.

[ 9 ] TIPLER, P. A. “Física” (2 volúmenes). Editorial Reverté (Barcelona)

[ 10 ] WILSON, J.D.: Física (2ª edición). Editorial Prentice-Hall.

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