E
n el el capí capítul tulo o anteri anterior or estudi estudiamo amoss el conconcepto de potencia potenciall eléctrico, eléctrico, o voltaje. voltaje. En este capítulo capítulo mostraremo mostraremoss que el voltaje voltaje es una una "presi "presión ón eléctr eléctrica ica"" capaz capaz de produc producir ir un flujo de carga, o corriente, dentro dentro de un conductor ductor.. El flujo flujo está está restrin restringid gido o por la resistencia que encuen encuentra. tra. Cuando Cuando el flujo flujo se lleva lleva a cabo en una sola sola direcc dirección ión se llama llama corriente directa (cd); (cd); cuand cuando o el fluj flujo o va y viene viene decimo decimoss que se trata trata de una corriente alterna (ca). (ca). La La razón razón de cambio cambio de la tran transfe sferen rencia cia de energí energíaa que lleva lleva a cabo cabo la corrie corriente nte eléctr eléctrica ica es la la potencia. Como verás, hay muchos términ términos os por aclara aclarar. r. Esta tarea tarea es más fácil fácil (y más signifi significat cativa iva)) si se entien entienden den las idea ideass que estos término términoss repres represent entan. an. Las ideas, ideas, a su vez, vez, se enti entiend enden en más fácilm fácilment entee si sabemo sabemoss cómo cómo se relaci relaciona onan n entre entre sí. Comencemos Comencemos por el flujo flujo de carga carga eléctrica. eléctrica.
34.1
Flujo Flujo de carg carga a
Recuerda, Recuerda, de nuestro nuestro estudio estudio del calor calor y la la tempera temperatura, tura, que el calor calor fluye fluye por un conduct conductor or cuando cuando existe existe una una difere diferenci nciaa de temp tempera eratur turaa entre entre sus extremos extremos.. El flujo flujo va del del extremo extremo más caliente caliente al extre extremo mo de menor menor temperatura temperatura.. Cuando Cuando ambos extremos extremos alcanzan alcanzan la misma temperatu temperatura, ra, el flujo de calor se detiene. De manera manera análog análoga, a, cuando cuando los extr extremo emoss de un un conducto conductorr de elecelectricidad tricidad están sometidos sometidos a potenciales potenciales eléctricos eléctricos distintos fluye carga de un extrem extremo o al otro otro.. La carga carga fluye cuando cuando existe existe una una difere diferenci nciaa de potenc potencial ial (difer (diferenc encia ia de volta voltaje) je) entre los extr extremo emoss de un conduct conductor. or. El flujo flujo de carga carga continúa continúa hasta hasta que ambos extrem extremos os alcanz alcanzan an el mismo mismo potenc potencial ial.. Si no hay difer diferenc encia ia de potenci potencial, al, no hay flujo flujo de de carga carga por el conductor. Por ejem ejemplo plo,, si cone conectá ctásem semos os a tierra tierra uno de los los extremo extremoss de un cable cable y el otro otro lo pusi pusiése ésemos mos en contacto contacto con la esfera esfera de un genera generador dor
La diferenci diferencia a de potencia potenciall entre entre las patas de estas aves es insignificante.
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La corrient corrientee eléctri eléctrica ca se mide mide en amperes, amperes, cuyo símb símbolo olo como como unidad unidad del SI SI es A.* A.* Un amper amperee es el flujo flujo de de 1 coulom coulomb b de carg cargaa por segundo. segundo. (Recuer (Recuerda da que 1 coulomb, coulomb, la unidad unidad normal normal de carga, carga, es la carga carga eléctric eléctricaa de 6.25 trillon trillones es de electrone electrones.) s.) Por ejempl ejemplo, o, en un cable cable que transpo transporta rta una corriente corriente de 5 amperes, amperes, por toda sección sección transver transversal sal del cable cable pasan pasan 5 coulomb coulombss de carga carga por segundo. segundo. ¡Elnúmero ¡Elnúmero de elecelectrones trones es grandísi grandísimo! mo! En un cable que transpor transporta ta 10 amperes amperes el número número de electro electrones nes que pasan pasan por una una sección sección transversa transversall cualquie cualquiera ra cada segundo segundo es dos dos veces mayor. Adviert Adviertee que en un cable cable que transporta transporta corrient corrientee la carga carga eléctri eléctrica ca cero. Cuando Cuando fluye fluye corrient corrientee los electron electrones es negativo negativoss revolote revolotean an neta es cero. por toda toda la red atómi atómica ca compues compuesta ta de núcle núcleos os atómicos atómicos con carga carga posipositiva. tiva. En condicio condiciones nes normales normales el número número de electro electrones nes que hay en el cable cable es igual igual al número número de protones protones positivo positivoss presente presentess en los núcl núcleos eos atómicos atómicos.. Cuando Cuando fluyen fluyen electrone electroness en un cable el número número que entra porun porun extremo extremo es igual igual al número número que sale por por el otro. otro. La carga carga neta del cable cable es normal normalmen mente te cero en todo todo momento momento..
34.3 Fuen Fuentes tes de voltaje voltaje La carga carga no fluye a menos menos que exista una diferenc diferencia ia de potenci potencial. al. Para que haya haya una corriente corriente constant constantee se necesita necesita una "bomba "bomba eléctric eléctrica" a" adecuada adecuada que manteng mantengaa la dife diferenc rencia ia de potenci potencial. al. Todo disposit dispositivo ivo que crea una una diferenc diferencia ia de potenci potencial al se conoc conocee como como una fuente fuente de voltaje voltaje.. Si cargamo cargamoss una esfera esfera de metal positiva positivamen mente, te, y otra otra negativa negativament mente, e, podemos podemos crear crear un voltaje voltaje grande grande entre entre ellas. ellas. Esta Esta fuente fuente de voltaj voltajee no es una buena buena bomba bomba eléctric eléctricaa porque porque cuando cuando las esferas esferas se conectan conectan por medi medio o de un conduc conductor tor los potenc potencial iales es se iguala igualan n en una una oleada oleada de car car-- \ gas en en movimient movimiento o de corta corta duración duración,, por lo cual cual no resulta práctica. práctica. Por otro lado, las celdas o pilas secas, las pilas húmedas y los los generadores generadores son capaces capaces de mante mantener ner un flujo flujo constant constante. e. (Una (Una bater batería ía no es otra cosa que dos o más celdas celdas o pilas pilas interco interconect nectadas adas.) .) Las pilas pilas secas, secas, las pilas pilas húmedas húmedas y los los generador generadores es suminis suministran tran energía energía que permite permite que las cargas cargas se despla desplacen. cen. En las las pilas pilas secas secas y en las pilas pilas húmedas húmedas la energía energía que se despren desprende de de una una reacción reacción química química que se lleva a cabo dentro de la pila pila se transform transformaa en energía energía eléctri eléctrica.* ca.** * Los generado generadores res (como (como los alternador alternadores es de los autom automóvil óviles) es) conviert convierten en energía energía mecánica mecánica en energía energía eléctric eléctrica, a, como veremo veremoss en el capítulo capítulo 37. La energía energía potencia potenciall eléctri eléctrica, ca, sea cual cual sea el método método emplead empleado o en su producci producción, ón, está está disponible disponible en las terminal terminales es de la la pila pila o generado generador. r. La energía energía potencia potenciall por coulomb coulomb de carga carga disponible disponible para los elect electrone roness que se desplazan desplazan entre entre las termi terminale naless es el voltaje voltaje (llamad (llamado o a veces veces voltaje proporci proporciona ona la "pres "presión ión eléctric eléctrica" a" fuerza electromotriz, o fem). El voltaje necesa necesari riaa para para despla desplazar zar los los electr electrone oness entre entre las las term termin inale aless de un un circuito.
•
El símbolo símbolo del ampere en el SI es es A. Sin embar embargo, go, todavía es muy común común el uso de un símbolo más antiguo antiguo,, ampoSe suele suele hablar hablar de una corriente corriente de, por por ejemplo, ejemplo, "5 amps" .
•• Se puede puede encontrar encontrar una descripc descripción ión de las reacciones reacciones química químicas s que se llevan a cabo en las pilas secas y húmedas en casi casi cualquier libro de química. química.
F LU L U JO JO
D E C A RG A
S E C C IÓ IÓ N T R A N S V E R SA SA L DEL CABLE
/ CABLE Fig Figura ura 34 34.2
.•
Cuando Cuando la razón de flujo de carga carga por por una sección sección transv transvers ersal al cualqu cualquiera iera es de de 1 coulom coulomb b (6.25 (6.25 trillon trillones es de electro electrone nes) s) por segund segundo, o, la corrie corriente nte es de de 1 ampa ampare. re.
Figure 34.5 A Analogra Analogra entre un circuito circuito hidráulico hidráulico simple simple y un circuito eléctrico.
La resist resistenc encia ia eléctr eléctrica ica se mide mide en unidades unidades llamad llamadas as ohms* ohms* en honor honor a Georg Georg Siroon Siroon Ohm, Ohm, físico físico alemá alemán n que puso a prue prueba ba distint distintos os tipos tipos de cable cable en diverso diversoss circui circuitos tos para para determ determina inarr el efecto efecto de la resistencia resistencia del cable cable en la corrient corriente. e.
34.5 Ley Ley de Ohm Ohm descub descubrió rió que la cantida cantidad d de corri corriente ente que pasa pasa por un circuit circuito o es direct directame amente nte proporc proporcion ional al al voltaj voltajee aplica aplicado do e inve inversa rsamen mente te propar propar-conal conal a la resis resisten tencia cia del circuito circuito.. En notac notación ión compac compacta: ta: . corrIente
=
voltaje . . resIstencIa
Esta relaci relación ón entre entre el volt voltaje aje,, la corri corrient entee y la resi resiste stenci nciaa se conoce conoce como como ley de Ohm:* La relaci relación ón entre entre las unidad unidades es en que que se mide miden n estas estas cantidad cantidades es es 1 ampere ampere
=
volt 1 -ohm
Así pues, pues, para para un circui circuito to dado dado de resist resistenc encia ia consta constante nte,, la corri corrient entee y el el voltaje voltaje son proporcionales. proporcionales. Esto significa significa que se duplica duplica el voltaje, voltaje, se duplic duplicaa la corrie corriente nte.. Cuanto Cuanto más grande grande es el voltaje voltaje,, mayor mayor es la corrient rriente. e. Pero Pero si se dupli duplica ca la resis resisten tencia cia de un circui circuito, to, la corrient corrientee se reduce reduce a la mitad. mitad. A mayor mayor resist resistenc encia, ia, menor menor corrie corriente nte.. La ley de Ohm Ohm es lógica.
**
En muchos muchos textos el voltaje voltaje se denota con con V , la corriente con I y la resistencia con R , y expresan la ley de Ohm ~omo V = IR . De aquí se deduce que 1= V /R , o R = V /I, asf que, si conocemos dos cualesquiera cualesquiera de las variables, variables, podemos determinar la tercera. tercera.
34.6
Ley Ley de Ohm y descarg descargas as eléctricas eléctricas
¿Aqué ¿Aqué se debe deben n las las descar descarga gass eléc eléctr tric icas as en el cue cuerp rpo o huma humano no:: a la cocorrient rrientee o al voltaj voltaje'?Los e'?Los efec efectos tos dañinos dañinos de una descarg descargaa eléctr eléctrica ica son consec consecuenc uencia ia del paso paso de corrie corriente nte por el cuerp cuerpo. o. Con base base en la ley de Ohm podemo podemoss ver que esta corrien corriente te depend dependee del voltaj voltajee aplicado aplicado y tambié también n de la resiste resistenci nciaa eléctr eléctrica ica del cuerp cuerpo o humano. humano. La resi resist sten enci ciaa de tu cuerp cuerpo o depen depende de de su estad estado, o, y va va desd desdee unos unos 100 100 ohms ohms si estás estás empa empapa pado do de agua agua salada salada hast hastaa alre alrede dedor dor de 500 000 000 ohms si tu tu piel piel está está muy seca. seca. Si tocases tocases los dos dos electr electrodo odoss de una una batería batería con los dedo dedoss secos, secos, la resiste resistenci nciaa que tU'cue tU'cuerpo rpo ofreofrecería cería normal normalmen mente te al flujo flujo de carga carga sería sería de unos unos 100000 100000 ohms. En condic condicione ioness normal normales es no sentiría sentiríass 12 volts, volts, y 24 volts volts te produci produciría rían n un leve cosquille cosquilleo. o. Pero si tuvieses tuvieses la piel piel húmeda, húmeda, 24 volts podrían podrían resultar resultar
Tabla 34.1 Efecto Efecto de diversa diversas s corrien corrientes tes eléctric eléctricas as en el cuerp cuerpo o huma humano no Corrien Corriente te en.am en.amperes peres ..f· ,
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11Preguntas".~': .,,"~:
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ohms,, ¿cüa ¿cüa~ ~tacotaco1. Si la resistencia de t u cuerp~ fuese de 100 000 ohms
. rriente pasaría por tu cuerpo si tocases los bornes de una bátería '; ;';; de 12 volts7' "" ,," .',ti ;~~":::
2. Si tu piel estuvi estuviese ese tan húmeda húmeda que su su resist resistenc encia ia fuese fuese de sólo sólo .... .... 1000 ohms y tocases tocases los bornes de una batería batería de 24 volts, volts, ¿cuál., ¿cuál., sería el valor de la corriente? ..',\, ..
1. La corriente corriente en tu tu cuerpo, bastante inofensiva, inofensiva, sería de corriente =
= = 0.000 12A voltaje 12 V resis resiste tenci ncia a 100 100 000 Q .
2. La corr corrie ient nte e sería sería de~, de~, o 0.0 0.024A, 24A, ¡una ¡una canti cantida dad d de corr corrie ient nte e pelig peligro rosa sa!! 1000 Q •
E L V O L T A JE JE P R O P O R C IO IO N A EL IMPULSO LA RESISTENCIA A L I M P U L SO SO
se
OPONE
la RE5VL T ADO ES LA CORRIENTE!
34.7
Corrient Corriente e directa directa y corriente alterna
La corriente corriente eléctri.ca eléctri.ca puede ser cd o ca, Con cd denotamos denotamos la corriente corriente directa directa,, que implica implica un flujo flujo de carga carga que fluye fluye siempre siempre en una una sola dire direc- c- batería ía produce produce corrien corriente te direct directaa en un circuito circuito porque porque sus ción. Una bater bornes tienen siempre siempre el mismo signo de carga. Los Los electrones electrones se mueven mueven siempre siempre en el circui circuito to en la mism mismaa direcc dirección: ión: del borne borne negati negativo vo que los repele repele al borne borne po:;it po:;itivo ivo que los atrae atrae.. Aun si la corrie corriente nte se mueve mueve en pulsacione sacioness irregul irregulare ares, s, en tanto tanto lo haga haga en una sola sola dirección dirección es cd. cd. La corrien corriente te aJtern aJternaa (ca) (ca) se comp comporta orta como como su nomb nombre re indica. indica. Los electro electrones nes del circu circuito ito se desplaz desplazan an primer primero o en una una direcci dirección ón y luego luego en sentido sentido opuesto opuesto,, con un movimient movimiento o de vaivé vaivén n en torno torno a posi posicion ciones es relativ relativame amente nte fijas. fijas. Esto Esto se consig consigue ue alterna alternando ndo la pola polarida ridad d del voltaje voltaje del gener generado adorr o de otra otra fuente. fuente. Casi Casi todos todos los circui circuitos tos comerci comerciale aless de ca T IE M P O de Norteam Norteaméri érica ca funcio funcionan nan con voltaje voltajess y corri corriente entess que van y vienen vienen con una frecuenda frecuenda de 60 ciclos ciclos por por segundo, segundo, o sea, con con una corriente corriente de 60 hertz. hertz. En algunos algunos lugares lugares se emplea emplean n corrien corrientes tes de 25, 30 o 50 hertz. hertz. En Norte Norteamé améric ricaa el voltaje voltaje de ca es norma normalme lmente nte de 120volts.* 120volts.* En los primero primeross tiempo tiemposs de la elec electric tricida idad d se emplea empleaban ban voltaje voltajess más altos que quemaban quemaban los filamen filamentos tos de las las bombill bombillas as eléctri eléctricas cas.. Según Según la traditradi- . ción se fijó fijó un potenc potencial ial de 110 volts volts porque porque éste éste hacía que las bomb bombilla illass de aquel aquel entonce entoncess brillar brillaran an con la misma misma intensi intensidad dad que las lámpar lámparas as de gas. En consecuencia consecuencia,, los cientos cientos de plantas plantas eléctricas eléctricas que se construyeconstruyeFigura 34.10 A ron en Estado Estadoss Unid Unidos os ante antess de 1900 1900 adop adopta taron ron los los 110 110 volt voltss (o 115 115 o La corriente corriente directa directa (cd) no 120volts) 120volts) como como norma. norma. En Esta Estados dos Unidos Unidos se cons conserv ervaron aron los 110volts cambia cambia de sentido sentido con el tiempo. tiempo. (ofici (oficialm alment ente, e, 120volts en la actuali actualidad dad)) por la gran gran cantid cantidad ad de equipos equipos La corriente corriente alterna alterna (ca) va y de 110volts ya instalados. viene cfclicamente. cfclicamente. Aunque Aunque las lámpar lámparas as de un hogar hogar norteame norteamerica ricano no funcio funcionan nan con 110-120 110-120 volts, muchas muchas estufas eléctricas eléctricas y otros aparatos aparatos de alto consumo consumo de corriente corriente operan operan con 220-240 220-240 volts. volts. ¿Cómo ¿Cómo es posible posible esto? esto? Porque Porque casi todo todo el sumi suminist nistro ro de electri electricida cidad d en Estados Estados Unidos es de tres tres cables: cables: un cable cable a 120 volts volts positivo positivos, s, un cable cable a cero cero volts (neutro) (neutro) yel otro otro cable cable a 120 volts volts negativo negativos. s. Esto se se refiere refiere a corrie corriente nte alterna alterna,, en la que los valo valores res positiv positivos os y negati negativos vos se alterna alternan n a 60 hertz. hertz. El cable cable que ••
*
Si continúas continúas estuciando estuciando la electricidad electricidad aprenderás aprenderás que el valor 120 volts se refiere al promedio de la "raíz cuadrad cuadrada a de la media de los cuadrado cuadrados" s" del voltaje. voltaje. En un circuito circuito de 120 volts volts de ca el el voltaje voltaje real varia varia entre máximos máximos de +170 volts y -170 volts, y proporciona proporciona la misma misma potencia potencia a una plancha plancha o a un tostador tostador que un circuito circuito de 120 volts de cd.
Rapiidez ez de los electro electrone nes s 34.9 Rapiid en un circ ircuito uito Cuando Cuando accionas accionas el inter interrupt ruptor or de encendi encendido do en la pared pared de tu habitaci habitación ón y el circui circuito to se cierra, cierra, parece parece que la bombi bombilla lla comienz comienzaa a brill brillar ar de inmeinmediato. diato. Cuando haces haces una llamad llamadaa telefón telefónica ica la señal señal eléctri eléctrica ca que transporta porta tu voz viaja viaja por los hilos hilos con una rapidez rapidez aparent aparenteme emente nte infinita infinita.. La señal señal se transmi transmite te por los conduct conductores ores con una rapidez rapidez cercana cercana a la la de la luz. luz. Lo que se mueve mueve con esta rapidez rapidez es la señal señal,, no los conductores. conductores. A la tem tempe pera ratur turaa ambie ambient nte, e, los los ele elect ctron rones es que se encu encuent entra ran n en el interio interiorr de un cable cable metálico metálico tienen tienen una rapidez rapidez promed promedio io de unos unos pocos pocos millone milloness de kilóm kilómetro etross por hora debido a su su movimi movimiento ento térmic térmico. o. Esto no no produce produce una corriente corriente porque porque el movimi movimient ento o es alea aleatori torio o y no hay un flujo neto en una dirección dirección específ específica. ica. ~ero cuando cuando el cable cable se conecta conecta a una batería batería o a un generador generador se esta establec blecee un campo campo eléctri eléctrico co dentro dentro del cable cable.. Se trata trata de un campo campo pulsant pulsantee capaz capaz de recorre recorrerr el circircuito cuito con una rapidez rapidez cercana cercana a la de de la luz. luz. Los elect electrone roness continúa continúan n con su movi movimie miento nto al azar en en todas direcci direcciones ones al mismo mismo tiempo tiempo que el campo campo eléctric eléctrico o los hace hace avanzar avanzar por el cable. cable. El cable cable conduct conductor or hace hace las veces veces de guía o "tubería" "tubería" para las línea líneass de campo campo eléctric eléctrico o (Figura (Figura 34.13 34.13). ). En el espac espacio io que rodea al cable cable,, el campo campo eléctric eléctrico o forma forma un patrón patrón que está está determinad determinado o por la posición posición de las cargas cargas eléctri eléctricas cas,, incluso incluso las del cable. cable. Dentro Dentro del cable cable el campo campo eléctric eléctrico o está orient orientado ado en la dire direcció cción n del cable. cable. Si la fuent fuentee de voltaj voltajee es de cd, como la batería batería de la figur figuraa 34.13, las las líneas líneas de campo campo eléctri eléctrico co se mantien mantienen en en una dirección dirección dentro dentro del conduct conductor. or.
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Figura 34.13 ,j~ Las línea líneas s de campo campo eléctrico eléctrico entre entre los bornes de una batería se dirige dirigen n por un conductor conductor que une los bornes. bornes.
El campo campo acelera acelera los electr electrones ones de conducc conducción ión en direcci dirección ón paralel paralelaa a las las líne líneas as de campo campo.. Pero Pero antes de adquir adquirir ir una rapidez rapidez aprecia apreciable, ble, los electro electrones nes "se topan" topan" con los iones iones metálic metálicos os anclados anclados a su paso paso y transtransfieren fieren parte parte de su energía energía cinétic cinéticaa a los los mismos. mismos. Es por esto que los cables cables que trans transport portan an corrien corriente te se calienta calientan. n. Las colisio colisiones nes interru interrumpe mpen n el rapidez de derilJa, der ilJa, o movimi movimient ento o de los los elect electrone roness de tal tal manera manera que su
filamen filamento to de la bomb bombilla illa.. Si se suminis suministran tran 120 volts de ca a una bombilla billa se disipa disipa un promedio promedio de 120 joules joules de energía energía por cada coulomb coulomb de carga carga que se hace hace vibrar. vibrar. La mayor mayor parte parte de esta energía energía eléctri eléctrica ca se manifie manifiesta sta en forma forma de calor, calor, mient mientras ras que otra parte adopta adopta la forma forma de luz. luz. Las Las plantas plantas de electri electricida cidad d no venden venden electron electrones, es, sino energía. Tu pones los electrones. electrones. Así pues, pues, cuando cuando recibes recibes una descarga descarga eléctric eléctrica, a, los electro electrones nes que constitu constituyen yen la corrien corriente te que recorre recorre tu cuerpo procede proceden n de tu cuerpo cuerpo mismo. mismo. Los elect electrone roness no salen del cable para atravesa atravesarr tu cuerpo cuerpo y entrar entrar a tierr tierra; a; eso lo hace la energ energía. ía. La energía energía hace hace simplem simplemente ente que los electr electrones ones libres libres de tu cuerpo vibren vibren al unís unísono. ono. Las vibracio vibraciones nes pequeñas pequeñas producen producen cosquil cosquilleo; leo; las vibracio vibraciones nes grandes grandes pueden pueden matar. matar.
34.11
Potenc Potencia ia eléctrica eléctrica
A menos menos que lo haga en un supercon superconduct ductor, or, una carga que se desp desplaza laza en un circuito circuito gasta gasta energía. energía. Esto Esto puede dar por resultado resultado el calencalentamien tamiento to del circu circuito ito o el movimi movimiento ento de un motor. La razón razón de converconversión de la energía energía eléctri eléctrica ca en otra forma, como como energía energía mecánic mecánica, a, calor calor o luz, se llama llama pot1enci pot1enciaa eléct eléctrica rica.. La potenc potencia ia eléctri eléctrica ca es igual igual al proproducto ducto de la corrie corriente nte por el voltaje voltaje.. * potencia eléctrica eléctrica = corriente corriente x voltaje Si el voltaje voltaje se expresa expresa en volts volts y la corrient corrientee en amperes, amperes, entonce entoncess la potencia potencia queda queda expresad expresadaa en watt watts. s. Así pues, pues, en términ términos os de unida unidades, des, 1watt
=
(l amper ampere) e) x (1volt)
Si una una bombil bombilla la de 120 watt wattss funcio funciona na conec conectad tadaa a una una línea línea de 120 volts volts,, puedes puedes ver ver que consum consumee una corri corrient entee de 1 ampere, porque 120 watts = (l amper ampere) e) x (120 volts). volts). Una bombilla bombilla de 60 watts consume 0.5 amper amperes es de una una línea línea de 120 volts. volts. Esta relació relación n se conconviert viertee en una una cuesti cuestión ón práct práctica ica cuando cuando desea deseass saber saber el costo costo de la energía energía eléctric eléctrica, a, el cual cual varía varía de 1 centav centavo o a 10 centavos centavos de dólar dólar por kilowat kilowatt-h t-hora, ora, según según el lugar. lugar. Un kilowatt equival equivalee a 1000 watts, y un kilowatt-hora represen representa ta la cantida cantidad d de energJ energJaa que se consum consumee en 1hora a razón de 1kilowatt. ** Por tanto, tanto, en un lugar lugar donde la energ energía ía eléctri eléctrica ca cuesta cuesta 5 centavo centavoss de dólar dólar
•
Advier Advierte te que que esto esto
SE l
deduce de las las definiciones definiciones de corriente corriente y de voltaje:
. . comente comente x voltaje voltaje
~
energía x -tiempo ~
= -. - -
energía
= -. --
tiempo
.
= potencia
•• Puesto Puesto que poten potenciél ciél = energía/tiempo, energía/tiempo, un simple reordenamiento reordenamiento da energía = potencia x tiempo; así pues, la energía energía se puede expresar en unidades de kilowatt-horas. Los físicos físicos miden la energía energía en joules, pero las compañías de electricidad acostumbran acostumbran venderla en unídadHs unídadHs de kilowatt-horas (kWh), (kWh), donde donde 1 kW·h kW·h = 3.6 3.6 x 106 J. Esta duplicación de unidades. unidades. sumada a la ya larga lista de unidades existentes dificulta lamentablemente lamentablemente el estudio estudio de la física. física. Por ahora basta con que te familiarices familiarices con (y sepas disting distinguir uir entre) entre) las unidades de coulombs, volts, ohms, amperes, watts, kilowatts y kilowatt-horas. El dominio dominio de estas unidades unidades requiere trabajo de laboratorio y la ayuda de textos textos más avanzados. avanzados. El conocimiento de la electricidad requiere tiempo y esfuerzos considerables, de modo que ten paciencia contigo mismo si este material material t e parece difícil.
3. Calcul Calcula a la corr corrien iente te que pasa pasa por por un tostador tostador que tiene un elemento elemento de calenta calentamie miento nto de 14ohms cuando cuando está está conec conectad tado o a una toma toma de 120V
6. ¿Es ¿Es mayor mayor (o menor menor)) la corr corrien iente te que pasa pasa por una bombill bombilla a coneCtad coneCtada a a una toma toma de 220V 220V que cuand cuando o la mism misma a bombill bombilla a se conect conecta a a una toma de no V?¿Cuánto?
4. Calcu Calcula la la corrie corriente nte que pasa pasa por el eleme elemento nto de calentami calentamiento ento en espiral espiral de una estufa de 240V Laresisten Laresistencia cia del eleme elemento nto es de de 60 ohms ohms a su temperatu temperatura ra de operación. operación.
7. ¿Quéle ¿Quéle ocur ocurre re a la corr corrie iente nte si si dupli duplica cam mos tanto el voltaje voltaje como la resistencia? resistencia? ¿Ysi ¿Ysi reducimos reducimos ambos ambos ala mitad? mitad?
5. Los Los calce calcetine tiness eléctr eléctrico icos, s, muy popul populare aress cuando cuando hace hace frío, tienen tienen un element elemento o de calent calentam amien iento to de 90 90 ohms ohms aliment alimentado ado por una baterí batería a de 9 volts. volts. ¿Cuán ¿Cuánta ta corrie corriente nte calienta calienta los pies? pies? 6. ¿Cuán ¿Cuánta ta corrie corriente nte pasa por tus dedos dedos (resist (resistenencia: cia: 1200ohms) 1200ohms) si tocas tocas con ellos los borne borness de una batería de ti volts? 7. Calcu Calcula la la resist resistenc encia ia del filam filament ento o de una una bombill bombilla a que tran transpo sporta rta 0.4A cuando cuando se le aplican 3.0V
8. ¿Qué ¿Qué clase clase de corri corrient ente, e, ca o cd, cd, espera esperaría ríass encont encontrar rar en la bombil bombilla la del techo techo de un automóvil? automóvil? ¿Yen ¿Yen una bombilla bombilla casera? casera? 9. En una una corrie corriente nte alter alterna na de 60Hz, ¿cuá ¿cuánta ntass veces veces por segundo segundo cambia cambia un electr electrón ón el sensentido de su movimiento? (¡Noson 60!) 10. 10. Dos bombillas bombillas proyectadas proyectadas para usarse con
120Vse 120 Vse califica califican n como como de 40W y de 60W, respectivam respectivamente. ente. ¿Cuálde ¿Cuálde estas bombillas bombillas tiene mayor resistencia en su filamento? ¿Porqué?
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8. Calcu Calcula la la corr corrien iente te que pasa pasa por una una manta manta eléctr eléctrica ica de 140Wconectad 140Wconectada a a una toma de 120V
Piensa y explica 1. Un pro produc ducto to para para el hog hogar ar lleva lleva un rótulo rótulo que que dice: "Precauc "Precaución: ión: este producto contiene contiene partículas partículas diminutas diminutas eléctricam eléctricamente ente cargadas cargadas que se despla desplazan zan con una una rapide rapidez z superi superior or a los 10 000 000kilóme 000kilómetro tross por hora." hora." ¿Debe ¿Debe ser motivo motivo de preocupación preocupación este mensaje? mensaje? 2. Miden iden lo mismo ismo u un n ampere y un volt, o miden iden difere diferente ntess cosas?¿Qu cosas?¿Qué é son esas cosas, cosas, y cuál cuál de ella ellass es un flujoy flujoy cuál cuál la la caus causa a del del fluj flujo? o?
Piensa y resuelve 1. ¿Qué ¿Qué voltaj voltaje e se requie requiere re para para hacer hacer que fluyan fluyan 2 amper amperes es por una resiste resistenci ncia a de 8 ohms? ohms? 2. Una Una baterí batería a realiz realiza a 18joules 18joules de trab trabajo ajo sobre 3 coulombs coulombs de carga. carga.¿Qu ¿Quévoltaje évoltaje suministra suministra? ? 3. Utiliz Utiliza a la relaci relación ón potenc potencia ia = corrie corriente nte x voltaj voltaje e para determi~ar determi~ar cuánta cuánta corriente corriente consume consume una secadora de pelo que funciona funciona con 120 volts. volts. Usa Usa luego luego la ley de Ohm Ohm para para determ determina inarr la resistencia resistencia del secador secador de pelo.
3. ¿Porqué ¿Porqué se usan usan cabl cables es grue grueso soss en vez vez de cables delgados para conducir las corrientes grandes?
4. Elwattaje Elwattaje indica indicado do en una una bombilla bombilla no es una una propie pro piedad dad inhere inherente nte a la mism misma, a, sino que que depende depende del voltaje voltaje a la que está conectada, conectada, que norm normalm alment ente e es de de 110o 110 o 120V 120V Calcu Calcula la la corriente que pasa por una bombilla de 40W conectada conectada a 120V
4. ¿Por ¿Por qué es es impor importan tante te que la resiste resistenci ncia a de una extens extensión ión sea peque pequeña ña cuando cuando se usa para para alimentar alimentar un calefactor calefactor eléctrico? eléctrico?
5. Calcu Calcula la la potenc potencia ia que disip disipa a un un tosta tostador dor que tiene tiene una resisten resistencia cia de 14ohms y está está enchuenchufado fado a una toma toma de 120V
5. ¿Por ¿Por qué un taladro taladro eléctric eléctrico o que funci funciona ona conect conectado ado a una extensió extensión n larga no no gira con tanta rapidez como uno uno que está conectado conectado a una extensión corta?
6. Calcu Calcula la el costo costo anua anuall de fun funcio cionam namien iento to de un reloj eléctrico eléctrico de 5Wque funciona funciona continuamente nuamente en un lugar donde donde la electricidad electricidad cuesta cuesta 10centa 10 centavos vos de dólar por kW·h.
