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INSTITUCIÓN EDUCATIVA ATENEO
FÍSICA UNDÉCIMO
SEGUNDO PERIODO
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
ELECTRICIDAD
La electricidad es una forma de energía; podemos decir que la
corriente eléctrica es un movimiento o flujo de electrones a través
de un conductor; este movimiento no es posible sin la aplicación a
dicho conductor de una fuerza especial llamada fuerza
electromotriz.
MEDICIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA
La experiencia ha demostrado que la carga eléctrica no es continua, o
sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que los valores
que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica
mínima. Esta propiedad se conoce como Cuantización de la carga y
el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que
posee el electrón y al cual se lo representa como e.
El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q,
se mide según el número de electrones que posea en exceso o en
defecto.
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica
se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de
carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de
carga igual, la fuerza de 9x109 N.
Un culombio corresponde a 6,24 × 1018 electrones. En consecuencia,
la carga del electrón es
Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones,
por ser demasiado grande, se utilizan también sus submúltiplos: el
miliculombio (mC) y el microculombio (C)
LEY DE COULOMB
La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor al físico francés
Charles-Augustin de Coulomb, uno de sus descubridores y el primero
en publicarlo.
CONSIDERACIONES ACERCA DE LA LEY DE COULOMB
1) La fuerza de interacción entre dos cargas
y
es directamente
proporcional al producto de ellas.
2) La fuerza de interacción entre dos cargas puntuales, es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:
La ley de Coulomb se puede expresar mediante la ecuación:
Donde
El enunciado que describe la ley de Coulomb es el siguiente:
"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que
interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al
producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de
la distancia que las separa."
Esta ley es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando
no hay movimiento de las cargas o, como aproximación, el
movimiento se realiza a velocidades bajas y trayectorias rectilíneas
uniformes. Se le llama a esta Fuerza Electrostática. La parte Electro
proviene de fuerzas eléctricas y estática debido a la ausencia de
movimiento de las cargas.
Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del
mismo signo.
Obsérvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a
que implica que fuerzas de igual magnitud actúan sobre
y
. La
ley de Coulomb es una ecuación vectorial e incluye el hecho de que
la fuerza actúa a lo largo de la línea de unión entre las cargas.
CAMPO ELÉCTRICO
Sabemos que la fuerza eléctrica es una fuerza a distancia y que los
objetos cargados se consideran como cargas puntuales, cuya norma
está determinada por la ley de Coulomb.
Todo lo anterior se ha presentado bajo el punto de vista newtoniano.
Por ello, cuando se habla de campo, pasamos a otra forma de
concebir el fenómeno eléctrico, ya que no consideramos fuerzas a
distancia sino que, en presencia de una carga, el espacio se modifica,
de tal manera que si colocamos pequeñas cargas (llamadas cargas de
prueba y por convención son positivas) siguen una dirección
determinada.
Esta deformación o alteración del espacio se denomina campo
eléctrico. La carga crea una tensión en el campo que obliga a las
pequeñas cargas a moverse hacia ella o a alejarse de ella. En donde, a
mayor carga mayor es la deformación o alteración del espacio que
rodea el objeto eléctricamente cargado. Es como la deformación de
una superficie elástica causada al colocar un objeto pesado, la cual se
hunde y todo objeto liviano que cae sobre él describe una trayectoria
determinada.
Podemos definir también el campo eléctrico como la fuerza de
origen eléctrico ejercida sobre una carga, capaz de orientarla y
moverla de un átomo a otro. Si durante un proceso de carga se
produce una acumulación de electrones sobre un objeto y de iones
positivos sobre otro, cada cuerpo tiene su propio campo eléctrico.
Estos campos son el resultado de la suma de todos los campos
individuales de las cargas acumuladas y por tanto tienen una fuerza
muy grande.
También se puede definir campo eléctrico como el espacio en el cual
pueden manifestarse las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas
eléctricas. El campo eléctrico rodea a cualquier tipo de carga, ya sea
positiva o negativa y en general, rodea a cualquier objeto cargado.
Dicho campo puede representarse mediante innumerables líneas
rectas que salen radialmente desde el centro de la carga y van
dirigidas en todas direcciones. Estas líneas reciben el nombre de
líneas de fuerza eléctrica, las cuales tienen fuerza natural que actúa
en un sentido determinado, hacia afuera en los protones y hacia
adentro en los electrones. Este es el origen de las leyes de atracción y
repulsión de las cargas, el campo se puede determinar mediante la
siguiente ecuación:
o
La anterior ecuación sirve para calcular el campo eléctrico generado
por la carga Q a una distancia r. Se observa que el campo depende de
la carga que lo genera y de la distancia de la carga al punto donde se
calcula.
Donde "E" es el mencionado campo eléctrico, que es, por tanto una
magnitud vectorial. Esta definición indica que el campo no es
directamente medible, sino a través de la medición de la fuerza
actuante sobre alguna carga. El campo eléctrico lo medimos en N/C
Un campo eléctrico estático puede ser representado con un campo
vectorial, o con Líneas Vectoriales (líneas de campo). Las líneas
vectoriales se utilizan para crear una visualización del campo. Se
trazan en un papel en dos dimensiones, sin embargo se cree que
existen en un espacio tridimensional. En realidad existen infinitas
líneas de campo, sin embargo se representan sólo unas pocas por
claridad.
La intensidad de la corriente eléctrica (i) es la cantidad de carga
neta (q) que circula por una sección transversal de un conductor en
un intervalo de tiempo (t).
Líneas de campo eléctrico correspondientes a cargas iguales y
opuestas, respectivamente.
Las líneas de campo son líneas perpendiculares a la superficie del
cuerpo, de manera que su tangente geométrica en un punto coincide
con la dirección del campo en ese punto. Esto es una consecuencia
directa de la ley de Gauss, es decir encontramos que la mayor
variación direccional en el campo se dirige perpendicularmente a la
carga. Al unir los puntos en los que el campo eléctrico es de igual
magnitud, se obtiene lo que se conoce como superficies
equipotenciales, son aquellas donde el potencial tiene el mismo valor
numérico. A mayor concentración de líneas, mayor módulo.
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
Es el lugar geométrico de los puntos de igual potencial eléctrico.
Para dar una descripción general del campo eléctrico en una cierta
región del espacio, se puede utilizar un conjunto de superficies
equipotenciales, correspondiendo cada superficie a un valor diferente
de potencial. Otra forma de cumplir tal finalidad es utilizar las líneas
de fuerza y tales formas de descripción están íntimamente
relacionadas.
No se requiere trabajo para mover una carga de prueba entre dos
puntos de una misma superficie equipotencial, lo cual queda
manifestado por la expresión:
Puesto que
Donde
debe ser nulo si
es
es trabajo realizado por la
.
carga
y
es la diferencia de potencial entre dos puntos.
Esto es válido porque la diferencia de potencial es independiente de
la trayectoria de unión entre los dos puntos aún cuando la misma no
se encuentre totalmente en la superficie considerada.
LA CORRIENTE ELÉCTRICA
La corriente eléctrica es el movimiento continuo y ordenado de
cargas eléctricas de un lugar a otro.
Pero ¿cómo es que llega la electricidad a nuestros aparatos eléctricos?
En el interior de un conductor eléctrico, por ejemplo un cable, se
encuentran millones de átomos con electrones libres vibrando. Si este
cable se encuentra conectado a las terminales de una fuente, como
una pila, sus electrones libres reciben la energía almacenada de la pila
y empiezan a moverse de una manera ordenada a través del
conductor. El sentido correspondiente al flujo de los electrones
obedece a la ley de los signos, ya que son repelidos por el terminal
negativo de la pila y atraídos por el terminal positivo.
De esta manera, la corriente eléctrica que circula por los cables no es
más que un movimiento de cargas eléctricas (en este caso los
electrones del metal que forma el interior del cable) desde el enchufe
hasta el aparato eléctrico.
En los conductores sólidos, como los metales, son los electrones
externos al átomo los que se mueven con libertad, pero en los
conductores líquidos iónicos o gases iónicos (agua salada, ion de
oxígeno), se pueden mover tanto iones positivos como iones
negativos. Los materiales que no son conductores, no permiten el
flujo de la corriente eléctrica y se denominan aislantes o dieléctricos.
La intensidad de corriente eléctrica se puede escribir como:
I: q/t
La unidad de la intensidad de corriente es el ampere o amperio, que
se simboliza con la letra A. Un amperio corresponde al paso de la
carga de un culombio a través de la sección transversal de un
conductor durante un segundo. Para muchos casos el amperio resulta
ser una unidad muy grande, por lo cual es habitual usar el
miliamperio (mA).
Ejemplo:
Calcular la cantidad de electrones que atraviesan la sección
transversal de un conductor en un minuto, si la intensidad de
corriente es de 4 A.
Solución:
Para calcular la cantidad de electrones es necesario determinar la
carga que circula por la sección transversal. Por tanto, tenemos que:
Como la carga de un electrón es 1,6 3x10213 C, tenemos que la
cantidad de electrones existentes en una carga de 240 C es igual a 1,5
x 1021A.
SENTIDO DE LA CORRIENTE
Cuando las dos terminales de una pila se conectan directamente a un
conductor, como un alambre, la corriente eléctrica supone el
desplazamiento de los electrones desde los puntos de menor potencial
hasta los de mayor potencial.
En el caso de una pila, los llamados polos negativo (2) y positivo (1)
representan puntos de menor y mayor potencial, respectivamente; por
lo cual el sentido del movimiento de los electrones en el conductor se
encuentra dado desde el polo negativo hacia el polo positivo.
Durante muchos años, se planteó la idea de que las cargas eléctricas
que se movían en los conductores eran las de tipo positivo (1) y, en
consecuencia, el sentido de la corriente sería el correspondiente al de
las cargas positivas. Este convenio se ha mantenido y por tanto el
sentido convencional de la corriente eléctrica es desde los puntos de
mayor potencial a los puntos de menor potencial, como se observa en
la conexión realizada en la siguiente figura.
FUENTES DE VOLTAJE
Para mantener constante una corriente eléctrica, es necesaria una
“bomba eléctrica” que mantenga la diferencia de potencial, así como
una bomba de agua mantiene la diferencia de nivel para que el agua
fluya. Todo dispositivo que genera una diferencia de potencial se
conoce como fuente de voltaje.
Antiguamente, la corriente se producía por medio de las máquinas
electrostáticas.
Posteriormente, se generaba por almacenamiento, como en el caso de
la botella de Leyden. Pero solo hasta el siglo XIX Alessandro Volta
inventó la batería eléctrica, que permitía suministrar, por primera vez,
corriente eléctrica sin interrupción. La pila voltaica estaba compuesta
por pequeños discos de plata, cinc y cartón impregnado de una
solución salina, intercalados en orden
GENERADOR ELÉCTRICO
Para poder establecer y mantener una corriente eléctrica en un
conductor, es necesaria la intervención de un dispositivo denominado
generador eléctrico.
Este generador eléctrico no carga sino que separa continuamente
cargas positivas y negativas ya existentes, que se acumulan en sus
terminales. Esto produce una diferencia de potencial eléctrico entre
ellos, que se conoce como voltaje, tensión o fuerza electromotriz
(fem).
La fuerza electromotriz () de un generador es la energía (E) que
suministra el dispositivo por cada unidad de carga eléctrica (Q) que
recorre el circuito
La fuerza electromotriz se expresa como:  =E/Q
La unidad de fuerza electromotriz en el SI es el julio sobre culombio
(J/C), es decir, el voltio (V).
CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA
Los generadores como las pilas y las baterías generan un voltaje
debido a reacciones químicas que ocurren en su interior. Este voltaje
se presenta de una manera continua, por lo cual fluye una corriente
continua que siempre recorre el circuito en el mismo sentido.
Sin embargo, la corriente para el funcionamiento de máquinas
industriales y electrodomésticos no es continua sino que cambia a
medida que transcurre el tiempo, por esto se llama corriente alterna.
Para producir este tipo de corriente se requiere un generador eléctrico
cuya diferencia de potencial se invierte alternadamente, es decir,
produce un voltaje alterno.
A continuación, se representan gráficamente la intensidad de la
corriente continua y alterna en función del tiempo.
Algunos aparatos eléctricos, como las grabadoras funcionan bien sea
con pilas, es decir, con corriente continua, o al conectarla en una
toma de la casa, es decir, con corriente alterna. Este efecto se hace
posible gracias a ciertos elementos que se encuentran en su interior,
como transformadores y rectificadores, que regulan el voltaje y
permiten que la corriente pase en un solo sentido.
RESISTENCIA ELÉCTRICA.
La resistencia eléctrica, es una propiedad de un objeto o sustancia que
hace que se resista u oponga al paso de una corriente eléctrica. La
resistencia de un circuito eléctrico determina (según la llamada ley de
Ohm) cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un
voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la
resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un
amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. En algunos
cálculos es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega ().
En una resistencia siempre la corriente va del punto de alto voltaje
(+) al punto de menor voltaje (-), esto significa que la resistencia es
siempre un elemento pasivo. Si cambia la polaridad del voltaje
entonces cambia el sentido de la corriente.
La resistencia de un conductor viene dada por una propiedad de la
sustancia, por la longitud y la superficie transversal del objeto, así
como por la temperatura que lo compone, a esto se denomina
conductividad.
La conductividad de un conductor la podemos calcular mediante la
ecuación:
Donde:
L: longitud del conductor, m
A: área de la sección transversal del conductor, m2
R: resistencia del conductor, Ohmios
: resistividad eléctrica del conductor, Ohmios x metro
A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la
longitud del conductor e inversamente proporcional a su
conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la
resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura .
Donde:
R2: resistencia eléctrica del conductor a la temperatura T 2, ohmios
R1: resistencia eléctrica del conductor a la temperatura T 1, ohmios
T1: temperatura inicial del conductor, ºC
T2: temperatura final del conductor, ºC
: coeficiente de temperatura de la resistencia, ºC-1
Coeficiente de temperatura y resistividad eléctrica de diversos
materiales a 20 ºC.
Material
Coeficiente
térmico (ºC-1)
(N.m)Resistividad eléctrica
Plata
0,0038
1,59 x 10-8
Cobre
0,00393
1,7 x 10-8
Oro
0,0034
2,44 x 10-8
Aluminio
0,00391
2,82 x 10-8
Tungsteno
0,005
5,6 x 10-8
Níquel
0,006
6,8 x 10-8
Hierro
0,0055
10 x 10-8
Nicromo
0,00044
1,50 x 10-6
Carbono
-0,005
3,5 x 10-5
Ejemplo: La resistencia de un alambre de cobre de 100 metros y área
transversal de 2 mm2 es:
¿CON QUÉ SE MIDEN LAS RESISTENCIAS?
En la práctica las resistencias son medidas con un instrumento
llamado óhmetro, el cual debe ser conectado con la resistencia que se
quiere medir sin importar la polaridad.
Nunca debemos medir la resistencia en un circuito por el cual está
circulando corriente.
POTENCIA ELÉCTRICA.
Al circular la corriente eléctrica, los electrones que la componen
colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece
en la forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un
circuito se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1
vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia "P" consumida por
un circuito determinado puede calcularse a partir de la expresión:
P=V.I =V2 /R=I2.R
Donde:
V: diferencia de potencial o voltaje aplicado a la resistencia, Voltios
I: corriente que atraviesa la resistencia, Amperios
R: resistencia, Ohmios
P: potencia eléctrica, Watios
Para cuantificar el calor generado por una resistencia eléctrica al ser
atravesada por una corriente eléctrica, se usa el siguiente factor de
conversión:
1 Watt = 0,2389 calorías / segundo
CIRCUITOS ELÉCTRICOS Y SUS COMPONENTES.
Un circuito es una combinación de componentes conectados entre si
de manera que proporcionen una o más trayectorias cerradas que
permitan la circulación de la corriente y el aprovechamiento de ésta
para la realización de un trabajo útil. Dicho trabajo puede implicar:
La conversión de la energía eléctrica en otras formas de energía o
viceversa.
La conversión de señales eléctricas de un tipo, en señales eléctricas
de otro tipo.
El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo
compuesto por conductores y dispositivos, que incluye una fuente de
fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito. Un
cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa,
sin resistencia, entre los terminales de la fuente de fuerza
electromotriz.
Todo circuito, por sencillo que parezca, posee tres características
importantes:
Una fuente de voltaje, puede ser una pila, una batería o el
tomacorriente de su casa la cual suministra la fuerza necesaria para
impulsar los electrones libres a través del circuito.
Una carga o receptor de energia, que es el artefacto que aprovecha
el paso de la corriente eléctrica a través de él para cumplir un
determinado trabajo, convirtiendo la energía eléctrica en otras formas
de energía.
Los conductores eléctricos, sirven para completar el circuito entre
la fuente de voltaje y la carga, proporcionando un camino para la
circulación de la corriente. Son aquellos materiales por los cuales la
corriente eléctrica pasa con mucha facilidad. Generalmente son
conductores de cobre.
Pueden existir otros componentes como interruptores y otros
dispositivos para controlar el paso de la corriente, además de
dispositivos de protección que protegen la carga contra niveles de
voltaje o corrientes anormales.
LEY DE OHM.
La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes
definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así
llamada en honor a su descubridor, el físico alemán Georg Ohm.
Según la ley de Ohm, “la cantidad de corriente que fluye por un
circuito formado por resistencias puras es directamente
proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e
inversamente proporcional a la resistencia total del circuito”. Esta
ley suele expresarse mediante la fórmula I = V/R, siendo I la
intensidad de corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en
voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos
los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a
los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos
complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales.
CIRCUITOS EN SERIE.
Un circuito en serie es aquel en que los dispositivos o elementos del
circuito están dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente
pasa a través de cada elemento sin división ni derivación. Cuando en
un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se
calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias
están en serie, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene
mediante la fórmula:
Donde:
Re: resistencia equivalente de la disposición, ohmios
Ri: resistencia individual i, ohmios
CIRCUITOS EN PARALELO.
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las
lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos
de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+)
se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de
forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación
paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la
mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el
valor de las resistencias en paralelo es menor que el valor de la más
pequeña de cada una de las resistencias implicadas. Si las resistencias
están en paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene
mediante la fórmula:
Donde:
Re: resistencia equivalente de la disposición, ohmios
Ri: resistencia individual i, ohmios
REGLA DEL DIVISOR DE TENSIÓN.
La evaluación de la tensión que pasa por cualquier resistor o
cualquier combinación de resistores en un circuito en serie se puede
reducir a un solo elemento utilizando la regla del divisor de tensión.
La figura nos muestra un circuito en serie donde la corriente I
atraviesa todos los resistores sin sufrir derivación alguna
a) Resistencia total: Rt = R1 + R2 + R3 +…RN
b) Corriente: I = V/RT
C) Tensión a través del resistor RX (donde x puede ser cualquier
número de 1 a N resistencias): V x = I.Rx
D) La tensión a través de dos o más resistencias en serie que tienen
una resistencia total es igual a:
R’T: V’T = I.RT
En palabras, la regla indica que, para un circuito en serie, la tensión
que existe en cualquier resistor (o alguna combinación de resistores
en serie) es igual al valor de ese resistor (o a la suma de dos o más
resistores en serie) multiplicado por la diferencia de potencial de todo
el circuito en serie y dividido entre la resistencia total del circuito.
REGLA DEL DERIVADOR DE CORRIENTE.
Para dos derivaciones paralelas, la corriente que pasa por cualquier
derivación es igual al producto del otro resistor en paralelo y la
corriente de entrada dividido entre la suma de los dos resistores en
paralelo.
Al pasar a través de un resistor de menor a mayor potencial se
considerará la existencia de una ganancia.
CIRCUITOS RC, RL Y RLC
Una herramienta importante de trabajo en electrónica es el Análisis
de Circuitos, que consiste básicamente en tener información sobre
cuantas fuentes de energía y de que clase, cuantos elementos de
circuito y como están conectados en un circuito particular, se aplican
las leyes de Kirchhoff, la ley de Ohm, las relaciones voltaje corriente
del condensador y la bobina y los circuitos equivalentes para
encontrar las magnitudes de los voltajes y corrientes dentro del
circuito y saber como varían en el tiempo.
En el caso de CIRCUITOS RESISTIVOS (circuitos con fuentes y
solo resistencias) aparecen ecuaciones de tipo algebraico, en el caso
de CIRCUITOS RC (fuentes, resistencias y condensadores),
CIRCUITOS RL (fuentes, resistencias y bobinas) y CIRCUITOS
RLC (fuentes, resistencias, bobinas y condensadores) aparecen
ecuaciones diferenciales; en ambos casos se aplican herramientas
matemáticas para solucionar las ecuaciones y resolver las incógnitas.
Para circuitos complejos se han desarrollado métodos que buscan
obtener respuestas más rápidamente, que por el momento no se
tendrán en el material de este curso pero se pueden consultar en libros
de Análisis de Circuitos. Esos métodos son: análisis de mallas,
análisis de nodos, equivalente Thevenin, equivalente Nortón,
superposición.
CIRCUITOS RESISTIVOS
Se muestran unos ejemplos de solución de circuitos resistivos para
demostrar la aplicación de las leyes y conceptos mencionados.
EJEMPLO 1
Encontrar la corriente que entrega la fuente a las resistencias
LEYES DE KIRCHHOFF.
Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es
necesario aplicar otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que
recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el
físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes
de Kirchhoff.
La primera, la ley de los nudos, enuncia que en cualquier unión en un
circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las
intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las
intensidades que salen del mismo.
En todo nodo se cumple:
La segunda ley, la ley de las mallas afirma que, comenzando por
cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de
vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices
halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias
halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta
segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.
"Las corrientes que entran a un nodo son iguales a las corrientes que
salen"
En toda malla se cumple:
∑Fem-∑I.R=0
"La sumatoria de las fuerzas electromotrices en una malla menos la
sumatoria de las caídas de potencial en los resistores presentes es
igual a cero"
REGLA DE SIGNOS:
Al pasar a través de una pila del terminal positivo al negativo se
considera positivo la f.e.m
Al pasar a través de una pila del terminal negativo al positivo se
considera negativa la f.e.m
Al pasar a través de un resistor de mayor a menor potencial se
considerará la existencia de una caída
Este es un caso de circuitos equivalentes, si se encuentra una
resistencia equivalente de las tres la corriente que consume la
resistencia equivalente es la misma que consumen las tres
resistencias.
Equivalente de R2 y R3:
La resistencia equivalente RP está en serie con R1 entonces: Req = R1
+ RP = 1K + 1.2K = 2.2K
El circuito resultante es:
Donde aplicando la ley de Ohm, nos da: I = 10V / 2.2K = 4.54 mA.
EJEMPLO 2
este caso la corriente que pasa por cada resistencia es inversamente
proporcional a la resistencia de esa rama, es decir, a más resistencia
en la rama menor corriente y lo contrario.
Encontrar los voltajes en las dos resistencias del circuito mostrado.
La corriente en la resistencia i es:
Este es un caso de aplicación de la Ley de Voltajes de Kirchhoff
+ V1 - Vr1 - V2 - Vr2 = 0
Como todos los elementos están en serie la corrientes I es la misma
en todos los elementos, aplicamos la Ley de Ohm para las dos
resistencias, entonces:
Vr1 = R1 * I Vr2 = R2 * I
Remplazando estas dos expresiones en la ecuación inicial, se tiene:
+ V1 - (R1 * I) - V2 - (R2 * I) = 0
Donde hay una incógnita que es I, resolviendo la ecuación:
I = (V1 - V2) / ( R1 + R2 ) = ( 10V - 4V ) / ( 2K + 10K ) = 0.5 mA.
Se tienen los datos necesarios para hallar los voltajes:
Vr1 = R1 * I = 2K * 0.5 mA = 1V Vr2 = R2 * I = 12K * 0.5 mA =
5V
DIVISOR DE VOLTAJE
La aplicación de la Ley de Voltajes de Kirchhoff y la Ley de Ohm a
un circuito de resistencias en serie, permite obtener una nueva
herramienta de análisis llamada el DIVISOR DE VOLTAJE, que nos
indica que el voltaje total VT aplicado a la serie de resistencias es
dividido en voltajes parciales, uno por cada resistencia, y el voltaje en
cada resistencia VI es proporcional a la magnitud de la resistencia
correspondiente R I.
Donde G1 = 1/R1; G2 = 1/ R2; .... Gi = 1/ Ri
(En general G = 1/R se llama la conductancia del elemento y se mide
en Siemens)
Para el caso de dos resistencias se puede usar las siguientes
expresiones:
EJEMPLO
Hallar las corrientes I1 e I2 en el circuito
EJEMPLO
Calcular el voltaje V3
El resultado muestra que a mayor resistencia menos corriente.
EL EFECTO JOULE
Cuando por un conductor circula corriente eléctrica, parte de la
energía se transforma en calor. Esto se debe a que los electrones en su
movimiento chocan con las partículas del conductor, les transmiten
parte de su energía y el conductor se calienta.
Esta energía se encuentra dada por la expresión:
DIVISOR DE CORRIENTE
Un divisor de corriente se presenta cuando hay dos o más resistencias
en paralelo, la corriente total IT que llega al circuito se divide en
tantas corrientes como resistencias o circuitos hay en paralelo. En
Este fenómeno, que recibe el nombre de efecto Joule, es el
fundamento de los fusibles, los cuales son dispositivos de seguridad
utilizados para proteger un circuito de un exceso de corriente.
Si la corriente del circuito excede un valor predeterminado, el calor
generado en la lámina metálica, provista en el interior del fusible, se
funde y así genera un circuito abierto.
EL MAGNETISMO
Es una fuerza invisible que sólo puede detectarse por el efecto de
atracción que produce entre dos o más cuerpos. Si el efecto es
permanente, estos cuerpos reciben el nombre de imanes y si el efecto
es producido por la circulación de una corriente eléctrica por un
conductor, ya sea recto o enrollado en forma de bobina, se llama
electromagnetismo y a este dispositivo se le llama electroimán.
¿CÓMO SE PRODUCE EL MAGNETISMO? En el caso de los
imanes naturales, o de los cuerpos imantados, la corriente que origina
el magnetismo es el conjunto de todas las corrientes elementales que
poseen los electrones girando alrededor de sus núcleos. En la mayoría
de las sustancias, estos imanes elementales están desordenados, cada
uno orientado en una dirección del espacio, por lo que su resultante es
nula, y no presentan magnetismo. En ciertas sustancias, como la
magnetita, estos pequeños dominios magnéticos pueden orientarse
muy fácilmente, debido a influencias externas (puede ser el mismo
magnetismo terrestre); cuando varios dominios elementales
magnéticos se orientan en una misma dirección espacial, su resultante
ya no es nula, y el cuerpo resulta imantado ejerciendo atracción hacia
otros cuerpos.
Los cuerpos cuyos dominios magnéticos son fácilmente orientables o
sea fáciles de magnetizar, se llaman PARAMAGNÉTICOS; aquellos
otros que por el contrario, resultan difícilmente o nada imantables, se
llaman DIAMAGNÉTICOS.
Existe un grupo de materiales como el hierro, el cobalto, el níquel y
ciertos compuestos especiales que son extremadamente
paramagnéticos. Dado que el hierro es el primero que se descubrió
con tal comportamiento, estos materiales reciben el nombre de
materiales FERROMAGNÉTICOS.
NATURALEZA DEL MAGNETISMO
El estudio del comportamiento de los imanes pone de manifiesto la
existencia en cualquier imán de dos zonas extremas llamadas polos
en donde la acción magnética es más intensa. Para distinguir los dos
polos de un imán recto se les llama polo norte y polo sur. Esta
referencia geográfica está relacionada con el hecho de que la tierra se
comporta como un gran imán.
El principio básico del magnetismo establece que: polos de distinto
tipo (N-S y S-N) se atraen, y polos del mismo tipo (N-N y S-S) se
repelen.
Las experiencias con brújulas indican que los polos del imán terrestre
se encuentran próximos a los polos sur y norte geográficos
respectivamente. Por tal motivo, el polo de la brújula que se orienta
aproximadamente hacia el Norte terrestre se denomina polo Norte y
el opuesto constituye el polo Sur. Tal distinción entre polos
magnéticos se puede extender a cualquier tipo de imanes.
Esta característica del magnetismo de los imanes fue explicada por
los antiguos como la consecuencia de una propiedad más general de
la naturaleza consistente en lo que ellos llamaron la «atracción de los
opuestos». Otra propiedad característica del comportamiento de los
imanes consiste en la imposibilidad de aislar sus polos magnéticos.
Así, si se corta un imán recto en dos mitades se reproducen otros dos
imanes con sus respectivos polos norte y sur, y lo mismo sucederá si
se repite el procedimiento nuevamente con cada uno de ellos. No es
posible entonces, obtener un imán con un solo polo magnético seme-
jante a un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo. Dicha
experiencia fue efectuada por primera vez por Peregrinos, sabio francés que vivió alrededor de 1270 y a quien se debe el
perfeccionamiento de la brújula, así como un importante aporte al
estudio de los imanes.
CARACTERÍSTICAS DE LAS FUERZAS MAGNÉTICAS
A diferencia de lo que sucede con una barra de ámbar electrizada por
frotamiento, la cual atrae hacia sí todo tipo de objetos con la
condición de que sean livianos, un imán ordinario sólo ejerce fuerzas
magnéticas sobre cierto tipo de materiales, en particular sobre el
hierro. Este fue uno de los obstáculos que impidieron una
aproximación más temprana entre el estudio de la electricidad y el
magnetismo. Las fuerzas magnéticas son fuerzas de acción a
distancia.es decir se producen sin que exista contacto físico entre los
dos imanes. Esta circunstancia que excitó la imaginación de los filó-
sofos antiguos por su difícil explicación, contribuyó más adelante al
desarrollo del concepto de campo de fuerzas o campo magnético.
¿ QUÉ ES EL CAMPO MAGNÉTICO?
Como se vio anteriormente, la atracción y repulsión de polos se debe
a una fuerza que actúa alrededor de ellos y es capaz de provocar
acciones. Pero la fuerza no sólo actúa en los polos sino que rodea a
todo el imán. A ese espacio donde actúa la fuerza magnética se le
llama campo magnético. Como el magnetismo es una fuerza que no
es visible y solo se puede detectar por los efectos que produce, se
suele representar por medio de líneas entre los polos. Estas se
denominan líneas de fuerza o líneas de campo, las cuales tienen
fuerza y movimiento.
De la misma manera que para el campo eléctrico E se mide la
intensidad, el campo magnético se describe en cada punto mediante el
vector campo magnético n. Este vector es tangente a las líneas de
campo magnético. La unidad de medida del campo magnético en el
Sistema Internacional de Unidades se denomina tesla (T).
LÍNEAS DE FUERZA
Michael Faraday, de origen inglés, visualizó en 1840 el campo
magnético como una zona de influencia ocupada por infinidad de
líneas de fuerza. Cada línea de fuerza es un lazo de energía magnética
que tiene una duración definida: parte del polo norte, atraviesa el
espacio encerrado por el campo magnético y regresa al polo sur,
volviendo al polo norte. Estas líneas son siempre continuas y no
tienen interrupción; por tanto forman un circuito magnético cerrado
en el imán es decir, lo recorren por fuera y por dentro, (dentro del
imán las líneas se moverán de sur a norte). Su intensidad es mayor en
los extremos y disminuye en el centro.
Una característica importante de las líneas magnéticas es que no se
cruzan entre sí, van en forma curvada y paralela, es decir, de polo
norte a polo sur. Resumiendo, las líneas de fuerza muestran la
dirección en que se orientaría el polo norte de una brújula, en un
punto determinado; todo el conjunto de líneas de fuerza recibe el
nombre de flujo magnético. Un campo magnético fuerte tiene más
líneas de fuerza que uno débil.
PERMEABILIDAD MAGNÉTICA Es la facilidad con que pueden
pasar las líneas de fuerza magnética a través de una sustancia. Puesto
que las líneas de fuerza o flujo magnético pueden atravesar el aire, se
toma como base para medirla, la permeabilidad de éste. El término
permeabilidad es común cuando nos referimos a una prenda de
vestir, a una tienda de campaña, a un paraguas, etc., para indicar si el
agua se filtra con cierta facilidad o no; luego un paraguas es bueno
cuando es impermeable. Del mismo modo los materiales
ferromagnéticos son aquellos que tienen una elevada permeabilidad;
por ello ciertas aleaciones de acero se utilizan en la fabricación de
núcleos para bobinas, transformadores, electroimanes, máquinas
eléctricas, etc.
RELUCTANCIA MAGNÉTICA Es el efecto contrario a la
permeabilidad magnética, o sea la oposición o dificultad que ofrece
una sustancia al paso de las líneas de fuerza. Dicho asi, si un material
deja pasar con mucha facilidad estas líneas se dice que tiene poca
reluctancia o mucha permeabilidad. Es cierto que las líneas de flujo
atraviesan cualquier material, pero no todos las dejan pasar con la
misma facilidad; esto es similar a la corriente de electrones que
circulan por un conductor; en realidad el conductor perfecto no existe, siempre existirá una pequeña resistencia que impedirá, aunque
levemente, el paso de los electrones. Por ejemplo el hierro dulce tiene
poca reluctancia y el aire tiene mayor reluctancia.
FUERZA MAGNÉTICA SOBRE UNA CARGA ELÉCTRICA
Cuando una carga eléctrica penetra en el interior de un campo
magnético y se desplaza dentro de él, la carga experimenta una fuerza
debida a la acción de dicho campo. La fuerza magnética depende de
cuatro factores:
• Del valor, q, de la carga. Cuanto mayor es el valor de la carga,
mayor es la fuerza magnética que ésta experimenta.
• De la velocidad, v, de la carga. Cuanto mayor es la velocidad de la
carga, mayor es la fuerza magnética que ésta experimenta. Si la carga
está en reposo, no actúan fuerzas magnéticas sobre ella.
• De la intensidad del campo magnético en el cual se encuentra la
carga. Cuanto mayor es la intensidad del campo magnético, mayor es
la fuerza que experimenta la carga.
• Del ángulo a, que forman el vector campo magnético y el vector
velocidad de la carga.
La siguiente expresión nos permite calcular el valor de la fuerza F: F
= q . v . B . sen α
EL CIRCUITO MAGNÉTICO
Como se vio anteriormente, las líneas de fuerza magnética no
terminan en los polos del imán, sino que son continuas y cerradas,
como la corriente eléctrica a través de un conductor o un circuito
eléctrico. Así, el circuito magnético es en muchos aspectos, similar al
circuito eléctrico.
Veamos las semejanzas entre ambos circuitos. Para producir una
corriente eléctrica se requiere de una fuerza electromotriz. Así
mismo, para producir un flujo magnético, se necesita una fuerza llamada magnetomotriz. En el circuito eléctrico, para una cantidad
dada de fuerza electromotriz, la cantidad de corriente depende de la
resistencia del circuito. Igualmente, en un circuito magnético, para
una cantidad dada de fuerza magnetomotriz, la densidad de flujo
depende de la oposición de la sustancia que atraviesa, o sea, de la
reluctancia del material
Hay dos diferencias entre los circuitos eléctricos y magnéticos. La
primera es: en el circuito eléctrico la resistencia tiene un valor
constante y se puede determinar midiendo el voltaje y la corriente. En
cambio en el circuito magnético la reluctancia no es constante y
depende de la intensidad de flujo. La segunda diferencia es: en los
circuitos eléctricos, la corriente circula de un punto a otro, mientras
que en los circuitos magnéticos no hay circulación de flujo, sino que
éste queda indicado solamente por la intensidad y dirección de las
líneas de fuerza.
Clasificación de los imanes Los imanes se clasifican en:
Naturales: derivados de la magnetita, un mineral de hierro con
propiedades magnéticas.
Artificiales: hechos por el hombre. Se pueden construir con
aleaciones metálicas muy variadas siendo la de más uso el Alnico 5,
una aleación de hierro, cobalto, níquel, aluminio y cobre. Son de gran
utilidad en las industrias eléctrica y electrónica. Se usan en pequeños
motores de corriente continua conocidos como motores de imán
permanente, generadores de corriente continua, aparatos de medida,
parlantes, bocinas, micrófonos dinámicos, altavoces, pastillas para
tocadiscos, etc, también se emplean en aplicaciones industriales.
Temporales: se imantan fácil e intensamente, pero pierden su fuerza
magnética cuando se suprime la corriente magnetizante. El primer
material usado para imanes temporales fue el hierro puro, el-cual se
calienta y luego se ablanda con un enfriamiento lento. Hoy en día el
material más empleado es el hierro con silicio, una aleación que se
usa en los núcleos de los transformadores, motores eléctricos,
generadores eléctricos y otros equipos.
Procesos de imantación Normalmente, en un trozo de hierro sus
átomos son imanes muy pequeños agrupados sin ningún orden, con
los polos norte y sur orientados en todos los sentidos. Esto hace que
sus fuerzas magnéticas se neutralicen y por tanto el trozo de hierro
carezca de magnetismo. Cuando este material se somete al
frotamiento con un imán o a la acción de una corriente eléctrica, es
decir a un proceso de imantación, las moléculas de este material se
acomodan de tal manera que los lados de los átomos del polo norte se
ordenan en la misma dirección, e igualmente los del polo sur. Para
hacerlo, se debe aplicar una fuerza magnética Tal fuerza deberá
actuar en contra del campo magnético de cada molécula,
ombligándolas de esta manera a orientarse ordenadamente. Esto
puede hacerse de dos maneras:
I.Por frotamiento o contacto directo con otro imán: cuando un
imán se frota sobre la superficie de una pieza de hierro no
magnetizado, el campo magnético del imán alinea las moléculas del
hierro y lo magnetiza. La pieza de hierro se frota siempre en el
mismo sentido (sin regresar) y con el mismo polo.
2. Por acción de la corriente eléctrica: se envuelve un alambre de
cobre aislado (bobina) sobre un trozo de hierro o acero. Los
terminales del alambre se conectan a una fuente de corriente
continua, por ejemplo una batería. La corriente eléctrica produce un
campo magnético, el cual magnetiza al hierro. Este tema lo
explicaremos más adelante.
La corriente eléctrica, al circular en un mismo sentido, ordenará todas
las moléculas del material de modo que éste quedará magnetizado.
Cuando se retira la bobina, gracias a la aleación del material, sus
moléculas se quedan orientadas y así tenemos un imán artificial
permanente. El proceso de imantación se puede ir perdiendo con el
tiempo. En electrónica se emplean algunas herramientas
magnetizadas en sus extremos para hacer algunos trabajos, por
ejemplo: desatornilladores con la punta imantada, pinzas pequeñas,
etc.
Como desmagnetizar un imán Para desmagnetizar un imán, las
moléculas deben modificarse magnéticamente, de tal forma que sus
campos magnéticos se opongan uno con otro y se anulen. Si el imán
es fuertemente golpeado o calentado, las moléculas vibrarán lo
suficiente como para volverse a dispersar desordenadamente. Si un
imán se coloca rápidamente en un campo magnético inverso, las
moléculas del material se desordenarán tratando de seguir al campo
aplicado. Un campo magnético inverso rápido se puede obtener por
medio de una corriente alterna que se aplica a los extremos del imán
instantáneamente.
EL ELECTROMAGNETISMO
El electromagnetismo, como su nombre lo indica, estudia las
relaciones entre la electricidad y el magnetismo, es decir los efectos
magnéticos de las corrientes eléctricas y los efectos eléctricos de los
campos magnéticos. Entre estos efectos o fenómenos podemos
destacar los siguientes:
Un conductor conectado a una batería, la corriente que circulaba
afectaba la aguja magnética de una brújula que se colocaba cerca al
conductor y la posicionaba en forma perpendicular a éste. Este
experimento pone al descubierto que una corriente eléctrica produce
un campo magnético.
Si se aplica una corriente eléctrica a un alambre, alrededor de éste se
produce un campo magnético. En este fenómeno se basan, por
ejemplo, los electroimanes, los relés, los solenoides y los timbres
eléctricos. En la mayoría de los casos, el efecto magnético de la
corriente se intensifica dándole al alambre la forma de una bobina.
Si se coloca un alambre en el interior de un campo magnético, en el
alambre se produce una corriente eléctrica. En este fenómeno,
llamado inducción electromagnética, se basan, por ejemplo, los
transformadores y los generadores.
Si se coloca un alambre con corriente en el interior de un campo
magnético, sobre el alambre se produce una fuerza que lo mueve en
una u otra dirección. En este fenómeno, llamado acción motor, se
basan, precisamente, los motores eléctricos, así como muchos
instrumentos para la medición de corriente, voltaje, resistencia,
potencia, etc.
En la siguiente media vuelta, la corriente fluye desde A hasta D. El
conductor AB experimenta fuerza hacia abajo, mientras que el
conductor CD experimenta fuerza hacia arriba. Nuevamente estas dos
fuerzas producen rotación sobre la espira y la hacen girar en el
sentido de las manecillas del reloj hasta completar otra
semicircunferencia. De esta manera, la espira da vueltas
continuamente.
Importancia del magnetismo y el electromagnetismo
Los fenómenos magnéticos y electromagnéticos juegan un papel
clave en la vida moderna puesto que constituyen el principio de
funcionamiento de muchos dispositivos, equipos y sistemas eléctricos
y electrónicos que forman parte de nuestra actividad diaria. Por
ejemplo:
I. La mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo
es producida por generadores y distribuida a las fábricas, hogares y
oficinas a través de transformadores. Los generadores, que
convierten movimiento en electricidad, están formados por grandes
bobinas que se mueven dentro de un campo magnético muy intenso.
Los transformadores, que convierten energía eléctrica de un valor a
otro, están formados por una o más bobinas colocadas dentro del
campo magnético de una bobina con corriente. Este mismo principio
es utilizado por los transformadores empleados en los receptores de
radio y televisión, los estabilizadores de voltaje y las fuentes de alimentación de todo tipo de equipos electrónicos.
La mayor parte de la fuerza que impulsa las máquinas en la industria
es producida por motores, estos son dispositivos que transforman
energía eléctrica en energía mecánica.
Básicamente constan de una estructura metálica que gira
continuamente por acción de un campo magnético externo. Están
formados por bobinas con corriente sumergidas dentro del campo
magnético creado por unos imanes u otras bobinas con corriente.
El imán produce un campo magnético en la dirección norte-sur que se
puede considerar uniforme en la regían en la que se encuentra la
espira, la cual puede gira alrededor del eje. Los contactos en forma de
anillo partido permiten invertir el sentido de la corriente en la espira
cada vez que da media vuelta.
La corriente fluye por la espira desde D hasta A
Debido a la dirección del campo magnético, el conductor AB
experimenta fuerza hacia arriba, mientras que el conductor CD
experimenta fuerza hacia abajo. Estas dos fuerzas, como hemos visto,
producen rotación en la espira en el sentido de las manecillas del reloj
hasta completar media circunferencia.
En este mismo principio se basan los motores utilizados en los
electrodomésticos, juguetes, computadoras, ascensores, herramientas,
etc., así como los instrumentos de medida analógicos.
La radio, la televisión, la telefonía celular, los satélites, y otros tipos
de sistemas de comunicaciones dependen de la interacción de
fenómenos eléctricos y magnéticos para transmitir voces, imágenes y
datos entre un par de puntos.
Muchos dispositivos utilizados para convertir en electricidad otras
formas de energía y viceversa, están basados en fenómenos electromagnéticos. Por ejemplo, en un micrófono dinámico los cambios
en la presión del aire producidos al hablar hacen que se mueva una
bobina sumergida dentro de un campo magnético y se produzca una
corriente que representa la voz.
Muchos dispositivos utilizados como interruptores automáticos en
equipos eléctricos y electrónicos son esencialmente electroimanes.
Por ejemplo, un relé está formado por una bobina unida
mecánicamente a unos contactos. Cuando se aplica una corriente a la
bobina, ésta produce a su alrededor un campo magnético, el cual atrae
una pieza móvil que cierra automáticamente los contactos
normalmente abiertos y abre los normalmente cerrados. En este
mismo principio se basan los llamados contactores.
Los fenómenos magnéticos y electromagnéticos se utilizan también
para efectuar diagnósticos médicos, localizar tesoros enterrados bajo
el suelo, fundir metales, medir la velocidad del viento, almacenar
información en discos y cintas, etc. Definitivamente, muchos de los
grandes avances de la ciencia, la técnica y la ingeniería, que
caracterizan nuestro mundo moderno, han sido posibles sólo gracias a
la comprensión y el aprovechamiento inteligente de las características
magnéticas y electromagnéticas de la materia.
BOBINAS
Como hemos visto, el electromagnetismo está muy relacionado con
un elemento llamado bobina. Una bobina es un enrollamiento de
alambre de más de dos vueltas; generalmente están formadas por
muchas vueltas de alambre; cada vuelta recibe el nombre de espira.
Tipos de bobinas
I .Con núcleo de aire: ya sabemos que la corriente que circula por
un alambre conductor tiene asociado un campo magnético. Si ese
alambre se enrolla formamos una bobina llamada solenoide. Si la
bobina se conecta a una fuente de CC, tanto la corriente como el
campo magnético se concentran en un espacio muy reducido, pero da
como resultado un gran campo magnético. El solenoide actúa como
imán en forma de barra con los polos ubicados en los extremos.
Como la espira está rodeada de su propio campo magnético, estos
pequeños campos se combinan formando un campo muy grande que
como se ve, rodea toda la bobina. Puede decirse que esta bobina tiene
un núcleo de aire.
. Con núcleo de hierro: si a la misma bobina le introducimos un
trozo de hierro dulce y se conecta al mismo voltaje CC, obtenemos un
electroimán, es decir un solenoide con núcleo magnético. Como el
hierro tiene una reluctancia mucho menor, las líneas de fuerza van de
un extremo a otro; éstas se concentrarán en el núcleo metálico
creando un campo magnético muy intenso.
Polos de un electroimán Cuando hablábamos del campo magnético
indicábamos que las líneas magnéticas se mueven en un sentido
definido y es el sentido del flujo magnético quien define los polos
norte y sur del campo. En un electroimán, al igual que en un imán
permanente, las líneas de fuerza cierran el circuito magnético que es
continuo, éstas salen por el polo norte y entran por el polo sur, dentro
del imán hacen el recorrido de sur a norte.
Sin embargo, algo muy importante: en un imán permanente sus polos
están en el mismo lugar de acuerdo a la magnetización obtenida en su
fabricación; en un electroimán no pasa igual, pues el sentido de las
líneas de fuerza de una bobina depende de la dirección de la corriente
eléctrica, si ésta se invierte, las líneas de fuerza también.
EL ELECTROIMÁN
Es un trozo de hierro en torno al cual se enrolla un cable conductor.
Cuando por los cables del electroimán no circula corriente eléctrica,
el trozo de hierro no se comporta como un imán; pero cuando circula
corriente, el campo magnético generado por dicha corriente hace que
el hierro se imante.
Pero veamos por qué el hierro se comporta como un imán. El hierro
está compuesto por átomos cuyos electrones se mueven
constantemente alrededor de un núcleo atómico. Este movimiento de
los electrones constituye una corriente eléctrica alrededor de cada
núcleo y ésta produce un campo magnético. Además, los electrones
giran alrededor de su propio eje por lo cual generan, también, campo
magnético.
En los materiales ferromagnéticos, a diferencia de otros materiales, el
efecto magnético de la rotación de los electrones hace que cada
átomo se comporte como diminuto imán.
Al aplicar un campo externo a un material ferromagnético, digamos
al trozo hierro.
EL TIMBRE ELÉCTRICO
Un timbre eléctrico consiste en un electroimán
fuente de corriente.
conectado a una
Cuando se cierra el interruptor S, circula corriente y el núcleo de
hierro atrae la placa metálica P, la cual está unida un pequeño
martillo M a través de un pivote V que está sujeto a un resorte R
Cuando esto ocurre, el circuito se abre en el contacto T, con lo cual
el electroimán; se desactiva y el martillo vuelve a su posición inicial
para que se cierre de nuevo el circuito y se vuelva a repetir el
proceso. De esta forma, se produce el sonido emitido por el timbre
mientras el interruptor S esté cerrado.
Es decir, que al apretar el botón del timbre, la corriente eléctrica llega
hasta el tornillo, el cual con un extremo toca la varilla elástica, V,
luego sigue al carrete y finalmente al botón del timbre.
Cuando la corriente pasa por el carrete se forma un electroimán que
atrae la placa metálica, ocasionando el golpe del martillo en la
campanilla. Cuando se abre el circuito, la barra de hierro del
electroimán se desimanta y por lo tanto deja de atraer.
LOS GENERADORES
Son dispositivos que realiza la transformación de energía inversa que
un motor eléctrico, transforma energía mecánica en energía eléctrica.
Mediante la variación en el flujo que atraviesa el área limitada por un
circuito, se genera corriente eléctrica. Como consecuencia de una
acción mecánica externa, como girar una manivela, se obliga a una
bobina a girar dentro de un campo magnético y se produce corriente
eléctrica.
Las partes más importantes de un generador son el inductor, que es
un potente electroimán que crea el campo magnético, y el inducido,
que es una bobina que gira a gran velocidad entre los polos del
inductor.
Los generadores son de gran utilidad en las centrales eléctricas que
producen la corriente que utilizamos en nuestras casas. Muchos
automóviles también tienen generadores que producen la corriente
necesaria para los circuitos de arranque, de las luces, etc.
Los TRANSFORMADORES
Muchos de los aparatos de uso cotidiano funcionan con voltajes
diferentes a los que se encuentra la red. Para que puedan funcionar
correctamente se hace uso de los transformadores
Un transformador consta esencialmente de dos bobinas enrolladas en
un núcleo de hierro. Cuando se conecta una de las bobinas a un
generador de corriente alterna se produce un flujo variable en el
interior del núcleo, lo cual genera fuerza electromotriz inducida, con
la misma frecuencia, en la otra bobina. De esta manera, un voltaje en
la primera bobina, que recibe el nombre de primario, se trasforma en
un voltaje en la segunda bobina, que se denomina entonces,
secundario. La relación entre ambos voltajes depende de las
características tanto del núcleo como de las bobinas.
• El voltaje en un transformador
Para simplificar el estudio supondremos que no se producen pérdidas
de energía en las bobinas, por ejemplo, por efecto Joule. Llamemos
NI y N2 al número de espiras del primario y del secundario
respectivamente; V1 y v2 el flujo de voltaje a través de cada una de
las bobinas. Por los tanto:
• La corriente en un transformador
Pero consideremos qué sucede con la corriente en cada una de las
bobinas.
Suponemos que la energía que se disipa en forma de calor es mínima,
entonces la potencia suministrada al primario, debe ser igual a la
potencia suministrada por el secundario. Como la potencia eléctrica
se expresa como
P = I.V
Tenemos que I2. V2 =I1 • V1
externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la
ruptura brusca del estado superconductor si se supera la temperatura
crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el
sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas
canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones (es un
cuanto de flujo magnético).
Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo
magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos,
el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para
disminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándose
en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas
adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de
defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Éste
es el campo crítico que hace que un material deje de ser
superconductor y que depende de la temperatura.
COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
Esta expresión muestra que cuando el voltaje aumenta, la corriente
disminuye lo cual es equivalente a que en un transformador se
conserva la energía eléctrica.
SUPERCONDUCTORES
Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que
poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin
resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.
La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye
gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo,
en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas
y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero
absoluto un pedazo de cobre muestra una resistencia no nula. La
resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente
a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura
crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable
superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de
alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales
atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica
cuántica.
La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales,
incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas
aleaciones
metálicas
y
algunos
semiconductores.
La
superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la
plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.
COMPORTAMIENTO MAGNÉTICO
Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la
ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate
de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material
por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material
superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético. Esto hace
que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto
Meissner.
El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de
tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético
La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del
material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones
que no disipan energía, de manera que se pueden mantener
eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por
generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético
necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes
permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el
efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la
cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de
corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe
una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser
superconductor y comienza a disipar energía.
En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca
que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una
cierta disipación de energía debida al choque de los vórtices (es un
flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente
cerradas) con los átomos de la red.
HISTORIA DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
La superconductividad se descubrió en 1911, año en que el físico
holandés Heike Kamerling Onnes observó que la resistencia eléctrica
del mercurio desaparecía bruscamente al enfriarse a 4 K (-269 °C),
cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente hasta el
cero absoluto.
En 1913 se descubre que un campo magnético suficientemente
grande también destruye el estado superconductor, descubriéndose
tres años después la existencia de una corriente eléctrica crítica.
Puesto que se trata de un fenómeno esencialmente cuántico, no se
hicieron grandes avances en la comprensión de la
superconductividad, puesto que la comprensión y las herramientas
matemáticas de que disponían los físicos de la época no fueron
suficientes para afrontar el problema hasta los años cincuenta. Por
ello, la investigación fue hasta entonces meramente fenomenológica,
como por ejemplo el descubrimiento del efecto Meissner en 1933 y
su primera explicación mediante el desarrollo de la ecuación de
London dos años más tarde por parte de los hermanos Fritz y Heinz
London.
LOS SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA
Tras algunos años de relativo estancamiento, en 1986 Bednorz y
Müller descubrieron que una familia de materiales cerámicos, los
óxidos de cobre con estructura de perovsquita, eran superconductores
con temperaturas críticas superiores a 90 kelvin. Estos materiales,
conocidos como superconductores de alta temperatura, estimularon
un renovado interés en la investigación de la superconductividad.
Como tema de la investigación pura, estos materiales constituyen un
nuevo fenómeno que solo se explica por el hecho de que hace pasar
los electrones por parejas o "pares de Cooper". Y, debido a que el
estado superconductor persiste hasta temperaturas más manejables,
superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido, muchas
aplicaciones comerciales serían viables, sobre todo si se descubrieran
materiales con temperaturas críticas aún mayores.
Obtención de materiales superconductores
Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la
superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con
helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan
superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es
complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como,
por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes para
resonancia magnética nuclear.
Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de
alta temperatura, que muestran la transición de fase a temperaturas
superiores a la transición líquido-vapor del nitrógeno líquido. Esto ha
abaratado mucho los costos en el estudio de estos materiales y abierto
la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura
ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del siglo
XXI. La mayor desventaja de estos materiales es su composición
cerámica, lo que lo hace poco apropiado para fabricar cables
mediante deformación plástica, el uso más obvio de este tipo de
materiales.
CLASIFICACIÓN
Los superconductores se pueden clasificar en función de:
Su comportamiento físico, pueden ser de tipo I (con un cambio
brusco de una fase a otra, o en otras palabras, si sufre un cambio de
fase de primer orden) o de tipo II (si pasan por un estado mixto en
que conviven ambas fases, o dicho de otro modo, si sufre un cambio
de fase de segundo orden).
La teoría que los explica, llamándose convencionales (si son
explicados por la teoría BCS) o no convencionales (en caso
contrario).
Su temperatura crítica, siendo de alta temperatura (generalmente se
llaman así si se puede alcanzar su estado conductor enfriándolos con
nitrógeno líquido, es decir, si Tc > 77K), o de baja temperatura (si no
es así).
El material de que están hechos, pudiendo ser elementos puros
(como el mercurio o el plomo), superconductores orgánicos (si están
en forma de fulerones o nanotubos, lo cual los podría incluir en cierto
modo entre los elementos puros, ya que están hechos de carbono),
cerámicas (entre las que destacan las del grupo YBCO y el diboruro
de magnesio) o aleaciones.
APLICACIONES
Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más
poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas
para la resonancia magnética nuclear en hospitales y en el
direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También
pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas
magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no
magnéticas, como en las industrias de pigmentos.
Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos
digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones
base de telefonía móvil.
Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que
son los bloques de construcción de los SQUIDs (dispositivos
superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros
conocidos más sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se han
utilizado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). En
función de la modalidad de funcionamiento, una unión Josephson se
puede utilizar como detector de fotones o como mezclador. El gran
cambio en la resistencia a la transición del estado normal al estado
superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de
fotones criogénicos.
Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el
tamaño y el peso de los dispositivos basados en los superconductores
de alta temperatura son superiores a los gastos adicionales que ellos
suponen.