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Unidad Tres. Circuitos De Corriente Directa
Tema 3.1 Fuerza Electromotiz
Equipo 1
Notas importantes
Introducción.
La masa del protón de un átomo es
aproximadamente 1836 veces la del electrón.
Para el caso del átomo de hidrogeno, el radio
de la órbita más pequeña que sigue el electrón
es de cerca de 5x10-11 m. el radio de esta
orbita es aproximadamente 25 000 veces el
radio del protón, el neutrón y el electrón. Esto
equivale aproximadamente a una esfera del
tamaño de una moneda de 10 centavos de
dólar girando alrededor de otra esfera del
mismo tamaño situada a más de un cuarto de
milla de distancia.
Mediante experimentación se determino que
cargas distintas se atraen y cargas iguales se
repelen. La fuerza de atracción o de repulsión
entre los cuerpos cargados Q1 y Q2 puede
determinarse mediante la ley de Coloumb:
F k
Q 1 Q 2
r2
Donde F se encuentra en N (newton),
k=constante
la distancia en metros entre las dos cargas.
Introducción.
Un conocimiento
básico de los
conceptos de fuerza
electromotriz
requiere cierto grado
de
familiaridad con el
átomo y su
estructura. El átomo
mas simple es el
hidrogeno, y está
formado por dos partículas básicas, el protón y el
electrón, en las posiciones relativas que se muestran
en la figura. El núcleo del átomo de hidrogeno está
cargado positivamente. El electrón que gira
alrededor posee una carga negativa de magnitud
igual a la carga positiva del protón.
En todos los demás elementos
químicos hasta ahora
conocidos, el núcleo contiene
también neutrones, los cuales
son ligeramente más pesados
que los protones y no cuentan
con carga eléctrica. El átomo de
helio, por ejemplo, cuenta con
dos neutrones además de los dos electrones y los
dos protones, como se muestra en la figura.
En todos los átomos neutros el número de protones
es igual al número de electrones.
La masa del protón de un átomo es
aproximadamente 1836 veces la del electrón.
Para el caso del átomo de hidrogeno, el radio de la
órbita más pequeña que sigue el electrón es de
cerca de 5x10-11 m. el radio de esta orbita es
aproximadamente 25 000 veces el radio del protón,
el neutrón y el electrón. Esto equivale
aproximadamente a una esfera del tamaño de una
moneda de 10 centavos de dólar girando alrededor
de otra esfera del mismo tamaño situada a más de
un cuarto de milla de distancia.
Distintos átomos tendrán diferente número de
electrones dentro de las capas concéntricas
alrededor del núcleo. La primera capa. La cual es la
más cercana al núcleo, puede contener solo dos
electrones. Si un átomo llegara a tener tres
electrones, el tercer electrón deberá ir a la siguiente
capa. La segunda capa puede contener un máximo
de ocho electrones; la tercera 18 y la cuarta 32;
según lo denomina la ecuación 2n2 donde n es el
número de capa.
Mediante experimentación se determino que cargas
distintas se atraen y cargas iguales se repelen. La
fuerza de atracción o de repulsión entre los cuerpos
cargados Q1 y Q2 pueden determinarse mediante la
ley de Coloumb:
F k
Q 1 Q 2
r2
Donde F se encuentra en N (newton), k=constante
la
distancia en metros entre las dos cargas.
Corriente eléctrica.
Considere un alambre de cobre de longitud pequeña
cortado por un plano imaginario perpendicular, de tal
forma que genere el corte transversal circular. A
temperatura ambiente, sin fuerzas externas
aplicadas, dentro de este alambre de cobre se
presenta un movimiento aleatorio de electrones
libres creado por la energía térmica que los
electrones adquieren en el medio ambiente. Cuando
las átomos pierden sus electrones libres, adquieren
una carga neta positiva y se les denomina iones
positivos. Los electrones libres se encuentran listos
para moverse dentro de estos iones positivos y
abandonar el área general del átomo padre,
mientras que los iones positivos únicamente oscilan
en una posición fija media. Por esta razón.
El electrón libre es el portador de carga en un
alambre de cobre o en cualquier otro conductor
sólido de
electricidad.
En la figura se
bosqueja una
disposición de
iones positivos
y electrones
libres. Dentro
de esta
disposición,
los electrones
libres se encuentran continuamente ganado o
perdido energía por virtud del cambio en su
dirección y velocidad. Algunos de los factores
responsables de estos movimientos aleatorios
incluyen las colisiones con iones positivos y con
otros electrones, las fuerzas de atracción para los
iones positivos, y la fuerza de repulsión que existe
entre los electrones. Este movimiento aleatorio de
electrones libres es tal que, durante cierto periodo, el
número de electrones que se traslada hacia la
derecha del corte transversal de la figura es
exactamente igual al que se traslada hacia la
izquierda. En ausencia de fuerzas externas
aplicadas, el flujo neto de carga en un conductor
hacia cualquier dirección es cero.
Corriente.
Ahora conectamos un alambre de cobre entre
las dos terminales de una batería y un foco,
como se muestra en la figura, para crear el
más simple de los circuitos. La batería, gracias
a la energía química, colocará una carga neta
positiva en una terminal y una carga neta
negativa en la otra terminal. En el instante en
que la conexión final se realice, los electrones
libres se desplazaran hacia la terminal
positiva, mientras los iones positivos que
permanecen en el alambre de cobre
simplemente oscilaran en una posición media
fija. La terminal negativa es una fuente de
electrones a ser extraídos cuando los
electrones del alambre de cobre se desplacen
hacia la terminal positiva. La actividad química
de la batería absorberá los electrones situados
en la terminal positiva y mantendrá un
suministro continuo de electrones en la
terminal negativa. El flujo de carga (electrones)
a través del foco calentará el firmamento de
este mediante fricción hasta el punto en que se
vuela incandescente y emita la luz deseada.
Ahora
conectamos un
alambre de cobre entre las dos terminales de una
batería y un foco, como se muestra en la figura, para
crear el más simple de los circuitos. La batería,
gracias a la energía química, colocará una carga
neta positiva en una terminal y una carga neta
negativa en la otra terminal. En el instante en que la
conexión final se realice, los electrones libres se
desplazaran hacia la terminal positiva, mientras los
iones positivos que permanecen en el alambre de
cobre simplemente oscilaran en una posición media
fija. La terminal negativa es una fuente de electrones
a ser extraídos cuando los electrones del alambre de
cobre se desplacen hacia la terminal positiva. La
actividad química de la batería absorberá los
electrones situados en la terminal positiva y
mantendrá un suministro continuo de electrones en
la terminal negativa. El flujo de carga (electrones) a
través del foco calentará el firmamento de este
mediante fricción hasta el punto en que se vuela
incandescente y emita la luz deseada.
Si 6.242 x 1018 electrones se desplazan a una
velocidad uniforme a través de la sección transversal
circular de la figura en 1 segundo, el flujo de la carga
o corriente, se dice ser de 1 ampere, en honor de
André Marie Ampere.
La corriente asociada con unos cuantos electrones
por segundo es irrelevante y de poco valor práctico.
Con el propósito de establecer valores numéricos
que permitan comparaciones inmediatas entre
niveles, se definió un Coloumb de carga como la
carga total asociada con 6.242 x 1018 electrones. La
carga asociada con un electrón podrá determinarse
entonces a partir de:
Carga/electrón=
La corriente en ampers puede calcularse ahora
utilizando la siguiente ecuación:
Donde;
Consideraciones de seguridad.
Es importante observar que aun niveles bajos de
.
corriente que pasen por el cuerpo humano pueden
causar serios y peligrosos efectos secundarios.
Resultados experimentales muestran que el cuerpo
humano comienza a reaccionar ante corriente de
solo unos cuantos mili amperes. A pesar de que la
mayoría de los individuos pueden soportas hasta 10
mA por muy cortos periodos sin desarrollar serios
efectos secundarios, cualquier corriente mayor a los
10 mA debe ser considerada peligrosa. De hecho,
corrientes de 50 mA puede causar severas
descargas, y corrientes por encima de los 100 mA
llegan a ser fatales.
En la mayoría de los casos la resistencia de la piel
humana, cuando se encuentra seca, es los
suficientemente alta como limitar la corriente a
través del cuerpo. Sin embargo, tenga presente que
cuando la piel se encuentra humedad debido a la
transpiración, el aseo personal o cuando la barrera
de la piel está rota como consecuencia de una
herida, su resistencia baja drásticamente y los
niveles de corriente pueden elevarse a niveles
peligrosos con las mismas descargas de voltaje. En
general por tanto, recuerde simplemente que el agua
y la electricidad no se mezclan. Trate la electricidad
con respeto no con miedo.
Voltaje
VOLTAJE Y DIFERENCIA DE POTENCIAL
El voltaje es la presión que ejerce una fuente de suministro
de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las
cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico
cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente
eléctrica.
Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del
polo negativo al polo positivo de la propia fuente< de
fuerza electromotriz.
La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente
de FEM se manifiesta como la acumulación de< cargas
eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con
exceso de electrones en el polo negativo (–) y la
acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos
o cationes), con defecto de electrones< en el polo positivo
(+) de la propia fuente de FEM.
La diferencia de potencial entre cualesquiera dos puntos A
y B en un campo eléctrico se define como el cambio en la
energía potencial del sistema dividida por la carga de
prueba q0 :
El potencial eléctrico es una característica escalar del
campo eléctrico, independiente de las cargas que
pueden ponerse en el campo. Cuado se habla de
energía potencial, se está haciendo referencia al
sistema carga-campo.
El potencial eléctrico en un punto arbitrario en un
campo eléctrico es igual al trabajo requerido por
unidad de carga para llevar una carga de prueba
positiva desde el infinito hasta ese punto.
El potencial eléctrico en cualquier
punto es:
El potencial eléctrico es una medida de la energía potencial
por unidad de carga, su unidad es joules por coulomb,
definido como volt (V):
Es la energía que un electrón o protón gana o pierde al
moverse a través de una diferencia de potencial de 1V.
 = ¡
R
1
 = ¡
1
 =
 ¢
60 £
R
=
R
1
 ¢
 ¢




Electrón volt (eV)
1
 = 1
60 £ 10¡
10¡ 19 
¢ = 16 £
19 
Así se relaciona el Joule con el Volt.
A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una
fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones
contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión
existente en el circuito al que corresponda ese conductor.
La diferencia de potencial es el impulso que necesita una
carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un
circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas
eléctricas por el circuito se establece a partir del polo
negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la
propia fuente.
¢ = 1
6 £ 10¡
10¡ 19 
19 
Es importante no confundir la diferencia de potencial con la
energía de diferencia de potencial. La diferencia de
potencial es proporcional al cambio de energía potencial.
En realidad representa la diferencia de potencial entre un
punto P y un punto en el infinito.
Utilizado en la física atómica y nuclear.
FUENTES DE ALIMANTACION FIJAS (CD)
Fuentes de voltaje de cd
Símbolo para una fuente de
voltaje de cd.*
Debido a que la fuente de voltaje de cd es la mas familiar
de los dos tipos de fuentes de alimentación conocidos, será
1
analizada en principalmente. El símbolo empleado para
todas las fuentes de voltaje de cd es (*) donde las
longitudes relativas de las barras indican las terminales que
representan.
Las fuentes de voltaje de cd pueden dividirse en tres
amplias categorías:
1. Baterías (acción química)
2. Generadores (electromecánicas)
3. Fuentes de alimentación (rectificadas)
NOTA: Cada celda de una
batería cuenta con un electrodo
positivo y uno negativo, y un
electrolito para contemplar el
circuito entre los electrodos
situados dentro de la batería. El
electrolito es el elemento de
contacto y la fuente de los iones
necesarios para efectuar la
conducción entre los terminales.
Corte de una pila alcalina
cilíndrica Energizer
NOTA: Mientras mas grande sea
la unidad cilíndrica mayor será la
capacidad de corriente.
BATERIAS
Por definición, una batería (palabra derivada de la
expresión “batería de celdas”) consiste en una combinación
de dos o más celdas similares, siendo una celda la fuente
fundamental de energía eléctrica desarrollada mediante la
conversión de energía química o solar. Todas las celdas o
pilas pueden dividirse en tipos primarios o secundarios. Las
de tipo secundario son recargables, mientras que las del
primario no. Es decir, la reacción química de la celda
secundaria puede ser invertida para restaurar su
capacidad. Las dos baterías recargables más comunes son
las unidades de acido-plomo y la batería de níquel-cadmio.
Todas las celdas excepto la celda solar, la cual absorbe
energía de la luz incidente en la forma de fotones,
establecen una diferencia de potencial a costa de energía
química.
Pilas primarias alcalinas y de yodo-litio.
La batería común alcalina utiliza un ánodo de zinc
pulverizado (+); un electrolito de hidróxido de potasio; y un
cátodo de dióxido de manganeso y carbón (-).
Pila secundaria de acido-plomo.
Para la unida secundaria de acido-plomo, el electrolito es
de acido sulfúrico y los electrodos son de plomo esponjado
y de peroxido de plomo. Cuando se aplica una carga a las
terminales de la batería, se da una transferencia de
electrones desde el electrodo de plomo esponjado hasta el
electrodo de peroxido de plomo a través de la carga. Esta
transferencia de electrones continuara hasta que la batería
se encuentra completamente descargada. El tiempo de
descarga esta determinado según que tanto se ha diluido
el acido y que tan denso es el recubrimiento de sulfato de
plomo en cada placa. El estado de descarga es el
recubrimiento de sulfato de plomo en cada placa. El estado
de descarga de una pila de almacenamiento de plomo
puede determinarse midiendo la gravedad específica del
electrolito con un hidrómetra.
Dado que la celda de almacenamiento de plomo es una
celda secundaria, puede recargarse en cualquier momento
durante la fase de descarga mediante la simple aplicación
de una fuente de corriente de cd externa a través de la pila,
la cual hará circular corriente a través de la celda en
dirección opuesta a aquella con la que la celda proporciona
corriente a la carga. Esto eliminara el sulfato de plomo de
las placas y restaurar la concentración de acido sulfúrico.
La salida de una celda de almacenamiento de plomo
durante la mayor parte de la fase de descarga es de cerca
de 2.1 V.
Batería de acido-plomo de 12v
NOTA: La gravedad especifica
de una sustancia esta definida
como la proporción del peso de
un volumen dado de la sustancia
respecto al peso de un volumen
equivalente de agua a 4ºC. Para
el caso de las baterías
completamente cargadas, la
gravedad específica deberá
encontrarse entre 1.28 y 1.30.
Cuando esta gravedad cae a 1.1,
la batería debe ser cargada.
Pila secundaria de níquelcadmio.
Pilas
secundarias de níquel-hidrogeno
e hidruro de níquel-metal.
NOTA: Ecuación de Valor
Nominal ampere-hora:
Vida(en horas)= Valor nominal
ampere-hora(Ah) / Consumo en
ampere (A)
NOTA: La capacidad de una
batería de cd disminuye ante el
incremento en la corriente
demandada y la capacidad de
una batería de cd disminuye a
temperatura relativamente bajas
y altas.
Pila secundaria de níquel-cadmio.
Para aplicaciones como linternas, rasuradotas, televisiones
portátiles, taladros de potencia, etc., la batería de níquelcadmio es la batería secundaria de preferencia debido a
que los niveles de corriente son menores y el periodo de
descarga continua es por lo general mayor. Una batería
típica de níquel-cadmio puede sobrevivir cerca de 1000
ciclos de carga/descarga durante un periodo que puede
durar años.
Cuando un aparato o sistema requieren una batería NiCad, no deberá emplearse una batería primaria. El aparato
o sistema pueden tener una red interna de carga que
podría no funcionar con una celda primaria. Además, de
que todas las baterías de Ni-Cad ofrecen 1.2 V por pila,
mientras que la mayoría de las pilas primarias comunes
ofrecen 1.5 V por celda.
Pilas secundarias de níquel-hidrogeno e hidruro de níquelmetal.
Otros dos tipos de celda secundaria incluyen las celdas de
níquel-hidrogeno e hidruro de níquel-metal. En la
actualidad, las aplicaciones de la celda níquel-hidrogeno se
encuentran limitadas principalmente a los vehículos
espaciales, donde se requieren baterías de alta densidad
de energía que sean resistentes y confiables y puedan
soportar un gran numero de ciclos de carga/descarga
durante un periodo relativamente grande. La celda de
hidruro de níquel-hidrogeno que combina las
características positivas de cada una de estas para crear
un producto con un nivel de energía alto en un empaque
pequeño, además tiene un largo ciclo de vida.
Valor Nominal ampere-hora
Las baterías cuentan con un valor nominal de su capacidad
dado en ampere-hora (Ah) o miliamperes-hora (mAh). Una
batería con un valor nominal de 100 ampere-hora,
teóricamente, proporcionara un corriente estable de 1 A por
100 h, 2 A por 50h, 10 A por 10 h.
GENERADORES
El generador de cd es muy diferente a una batería, tanto en
construcción como en el modo de operar. Cuando el eje del
generador se encuentra en rotación a la velocidad nominal,
como consecuencia del torque aplicado de alguna fuente
externa de energía mecánica, se presentara un voltaje de
nivel especifico a través de las terminales externas. El
voltaje Terminal y la capacidad de manejo de energía del
generador de cd son, por lo general, mayores que los de la
mayoría de las baterías, y su vida útil esta determinada
únicamente por su construcción. Los generadores de cd
utilizados de manera comercial son típicos de la variedad
de 120 a 240 V.
FUENTES DE ALIMENTACION
La fuente de cd que se encuentra con más frecuencia en el
laboratorio emplea procesos de rectificación y filtrado como
medios para obtener un voltaje continúo de cd. Un voltaje
varia en el tiempo (como podría ser el voltaje disponible en
contacto domestico) se convierte a otro de magnitud fija.
FUENTES DE CORRIENTE DE CD
Generador
La amplia variedad de tipos y las aplicaciones de las
fuentes de voltaje de cd han ocasionado que se convierta
en un dispositivo bastante familiar, siendo sus
características comprendidas, al menos de forma básica,
por personas no expertas. Una fuente de voltaje de cd
idealmente proporcionara un voltaje Terminal fijo, incluso
cuando la demanda de corriente de un sistema
eléctrico/electrónico puede variar. Una fuente de corriente
de cd es el dual de una fuente de voltaje, es decir, la fuente
de corriente proporcionara, de forma ideal, una corriente
fija a un sistema eléctrico/electrónico, incluso cuando
existan variaciones en el voltaje se sus terminales en la
forma que lo determine el sistema.
Fuente de alimentación de
Corriente Directa.
NOTA: La energía potencial de
un sistema de cargas la
definimos como el trabajo que
hay que hacer para formar ese
sistema de cargas trayéndolas
desde una distancia infinita.
Suponemos que todas las cargas
están en reposo cuando están en
el infinito, esto es, no tienen
energía cinética inicial.
NOTA: La energía potencial de un sistema de
cargas la definimos como el trabajo que hay
que hacer para formar ese sistema de cargas
trayéndolas desde una distancia infinita.
Suponemos que todas las cargas están en
reposo cuando están en el infinito, esto es, no
tienen energía cinética inicial.