Conceptos previos
Trabajo en física es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza.
Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento.
Las unidades de trabajo son las mismas que las de energía.
Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad, dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta su energía potencial.
También se realiza trabajo cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo, como ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores.
La fuerza puede no ser mecánica, como ocurre en el levantamiento de un cuerpo o en la aceleración de un avión de reacción; también puede ser una fuerza electrostática, electrodinámica o de tensión superficial. Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo.
Conceptos previos
Carga eléctrica, es la característica de cualquier partícula que participa en la interacción electromagnética.
Existen en la naturaleza dos tipos de cargas eléctricas que por convenio se miden unas con números positivos y las otras con números negativos.
Todas las partículas eléctricamente cargadas llevan una carga igual en valor absoluto a una cantidad llamada carga elemental, e.
El protón posee una carga +e y el electrón lleva una carga -e. Esta carga elemental equivale a 1,6 · 10-19
La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de unidades es el culombio, C.
Un átomo eléctricamente neutro tiene el mismo número de protones que de electrones. Todo cuerpo material contiene gran número de átomos y su carga global es nula salvo si ha perdido o captado electrones, en cuyo caso posee carga neta positiva o negativa, respectivamente. Sin embargo, un cuerpo, aunque eléctricamente neutro, puede tener cargas eléctricas positivas en ciertas zonas y cargas negativas en otras.
Estos tres objetos muestran la forma en que las cargas eléctricas afectan a conductores y no conductores. Una varilla negativamente cargada (A) afecta a la distribución de cargas de un conductor (B) y un no conductor (C) cercanos. En los lados de B y C más próximos a A se induce una carga positiva, mientras que en los lados más alejados aparece una carga negativa. En el conductor (B), la separación de la carga afecta a todo el objeto, porque los electrones pueden moverse libremente. En el no conductor (C), la separación se limita a la distribución de los electrones dentro de cada átomo. El efecto se nota más si el no conductor está cerca del objeto cargado.
Campo eléctrico, es la región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos eléctricos. Se representa por E y es de naturaleza vectorial, es decir, posee un valor o magnitud y una dirección y sentido. Estos dos últimos valores son determinados por un ángulo. En el Sistema Internacional de unidades el campo eléctrico se mide en newton/culombio (N/C).
Al existir una carga eléctrica esta se mueve por un conductor generando el campo eléctrico, el cual a su vez produce un campo magnético.
Concepto de trabajo eléctrico y diferencia de potencial
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Cuando una carga positiva se coloca en un campo eléctrico, éste ejerce una fuerza de repulsión sobre la carga.
Para mover la carga debe realizarse un trabajo, venciendo la fuerza de repulsión del campo. Inversamente, el trabajo puede ser realizado por la carga positiva si ésta se mueve en la dirección de la fuerza ejercida por el campo.
La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un campo, representa el trabajo (W) requerido para mover una unidad positiva de carga, desde un punto al otro contra la dirección del campo (o fuerza), o también, el trabajo realizado por la unidad de carga, que se mueve desde un punto al otro en la dirección del campo.
Las cargas positivas siempre se mueven convencionalmente desde un punto de potencial mayor (+) a un punto de potencial menor (-), mientras que la inversa es cierta para cargas negativas (electrones) .
La diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico, se dice que es de 1 volt, si debe realizarse 1 joule de trabajo sobre 1 coulomb de carga positiva (+) , para moverla desde un punto de bajo potencial a otro de potencial mayor.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Fig. 1-1
Fig. 1-1 . La FEM de la fuente es igual a las caídas de potencial en el circuito externo.
En forma equivalente existe una diferencia de potencial de 1 volt si 1 joule de trabajo es realizado por una carga + de 1 coulomb que se mueve desde un punto, de elevado potencial, a otro de potencial menor. En general, la diferencia de potencial E (en volts o voltios ) es el trabajo W (en Joules o julios ) realizado por las cargas Q (Coulumbs o culombios ) por unidad de carga
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
En forma similar, el trabajo total realizado (en o por las cargas) es:
W (Joules) = Q (Coulumbs) X E (volts)
Si existe una diferencia de potencial entre dos puntos, en un conductor o circuito eléctrico, los electrones libres en el conductor se mueven desde el punto de bajo potencial hacia el punto de potencial mayor, produciendo una corriente eléctrica.
Al moverse dentro del circuito las cargas realizan una cantidad de trabajo (con la producción de calor) igual al producto de la carga total y de la diferencia de potencial (W = Q x E)
Dado que una corriente "convencional" de cargas positivas debe "descender" desde un punto de elevado potencial (+) a otro de bajo potencial (-) del circuito (externo), La diferencia de potencial entre los puntos se denomina caída de potencial.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
La caída de potencial iguala el trabajo realizado por una unidad de carga (W/Q) al pasar entre determinados puntos del circuito. Para mantener una corriente eléctrica, las cargas positivas deben ser elevadas desde el punto de bajo potencial (-) al punto de alto potencial (+) por una fuente de electricidad, tal como un generador o batería (ver Fig. 1-1).
Fig. 1-1
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
La misma cantidad de trabajo debe ser realizada sobre las cargas para que éstas dejen el punto de alto potencial (terminal +) y por las cargas al atravesar el circuito. La batería u otra fuente de energía eléctrica, se dice que posee una fuerza electromotriz (fem), que se mide por el trabajo realizado por cada unidad de carga (W/Q), cuando ésta pasa por la fuente.
Fig. 1-1
Por lo tanto, la fem de la fuente iguala a la caída de potencial en el circuito externo como se hace evidente en la Fig. 1-1. Los términos diferencia de potencial o voltaje, aplicados ambos a la fem y a la caída de potencial se miden en volts, en el sistema (mks) de unidades.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Ejemplos comparativos :
Una fem puede ser descrita como una consecuencia de las diferencias de carga, las que se comportan como un resorte en tensión. Esto se ilustra en la figura superior.
figura 1-A: No hay diferencia de carga; no hay tensión, y por ende no existe fem.Figura 1-B: Dos cargas negativas distintas; el resorte está en tensión, hay fem y ésta fuerza a los electrones a moverse de A a B.Figura 1-C: Dos cargas positivas distintas: el resorte está en tensión, hay fem y ésta fuerza a los electrones a moverse de B a A.Figura 1-D : Cargas positiva y negativa; el resorte está en tensión, hay fem y ésta fuerza a los electrones a moverse de A a B.
Analogía Diferencia de Potencial
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 1
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 0
Se observa en la figura 1 dos depósitos con agua al mismo nivel de llenado. En ellos la presión es la misma. La presión la determina la altura (h) del nivel del agua, sabiendo que esta ejerce una presión de 1kg / cm2 por cada metro de altura. Acordaremos, entonces, que esta presión será equivalente a los volts , sin embargo, como los dos están al mismo potencial o presión, no existe entre ellos una diferencia de potencial o de presión que es el necesario para que se produzca una circulación de agua, es decir, no se realiza trabajo alguno.
(Gp:) 1
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 0
En la figura 2, el deposito de agua se puede descargar a la atmosfera por lo que la presión al interior del mismo es mayor que la del exterior. Por lo tanto existe diferencia de potencial o de presión. La válvula es como el interruptor eléctrico. Al permitir que fluya agua realizaremos un trabajo que esta determinado por la presión (E) multiplicado por el caudal (Q). Análogamente:
Trabajo w(joules) = agua Q (coulombs) E presión (volts).
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Deduciendo del ejemplo sabemos que para que se realice un trabajo tiene que haber necesariamente una deferencia de presión o diferencia de potencial. Lo que permitirá que la carga Q se mueva y genere trabajo.
Trabajo eléctrico y Diferencia de potencial
Uso en la vida cotidiana
La energía es la multiplicación de la potencia por el tiempo, así que los julios (o energía térmica) que desprende una resistencia es el producto de la potencia que consume esta por el tiempo que está conectada a una fuente de tensión (a la red eléctrica por ejemplo).
Así una estufa eléctrica de 1000 W conectada durante una hora desprenderá una energía térmica de 1000 julios y se habrá consumido 1000 vatios-hora (vatios-hora es la magnitud de la energía eléctrica consumida, vale decir, potencia por tiempo) de la red eléctrica, pero si sólo hubiéramos conectado la estufa durante media hora (0,5 h), esta hubiera desprendido 500 julios de calor, esto es trabajo, y hubiera consumido 500 vatios-hora de energía eléctrica.
Por tanto la energía térmica desprendida por una resistencia es la cantidad en julios de potencia eléctrica consumida por hora
Trabajo eléctrico y Diferencia de Potencial
Lo que se cobra en el recibo de la compañía, en Santiago, Chilectra, es la energía eléctrica que se consume, me explico: Según el principio de la conservación de la energía, esta dice que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma y la energía eléctrica que llega a nuestra casa la transformamos en otro tipo de energía para nuestro provecho, siendo esta transformación en forma de calor (estufas eléctricas), luminosa (lámparas), cinética(motores) y es este consumo de energía eléctrica transformada la que nos cobran.
Volviendo al ejemplo de la estufa de antes lo que estamos transformando son 1000 vatios eléctricos en 1000 vatios de calor y a ti la compañía eléctrica te cobrará esos 1000 vatios-hora.
Aplicación de trabajo eléctrico
El trabajo eléctrico es potencia eléctrica que consume un aparato eléctrico y que es empleada para realizar un trabajo (valga la redundancia) acordes con su diseño.
En el caso de la estufa esta nos proporcionará un trabajo de 1000 vatios caloríficos para calentar cualquier cosa (en su caso el aire ambiente) y un motor eléctrico ideal de 1000 vatios nos proporcionará en su eje 1000 vatios de potencia mecánica (por ejemplo para mover los engranajes de una máquina). Como se ve el trabajo y la energía son conceptos distintos. Para poner un ejemplo: la potencia que indica una estufa es trabajo eléctrico y los julios que desprende y la electricidad consumida es energía. Espero que se haya entendido según las explicaciones que he expuesto
Aplicación de trabajo eléctrico
El trabajo eléctrico es potencia eléctrica que consume un aparato eléctrico y que es empleada para realizar un trabajo (valga la redundancia) acordes con su diseño. En el caso de la estufa esta nos proporcionará un trabajo de 1000 vatios caloríficos para calentar cualquier cosa (en su caso el aire ambiente) y un motor eléctrico ideal de 1000 vatios nos proporcionará en su eje 1000 vatios de potencia mecánica (por ejemplo para mover los engranajes de una máquina). Como se ve el trabajo y la energía son conceptos distintos. Por ejemplo: La potencia que indica una estufa es trabajo eléctrico y los julios que desprende y la electricidad consumida es energía.
Ejercicios de Aplicación
Ejercicio 1. Realizar un circuito de trabajo adecuado para medir la Energía eléctrica que consume.
Circuito de Trabajo:
El circuito consta de 2 Reóstatos en paralelo de 302 ohm y 303 ohm, alimentados por una fuente de 235(V) alternos. Calcular la Energía que consume a partir de la lectura en el Medidor de Energía.
El medidor cuanta con una constante que es la cantidad en watt/hora que equivale a una vuela del eje, es decir, cuando el medidor da una vuelta la carga a consumido el valor de la constante, que en este caso es de 3,6(W/ hr).
Entonces dividimos el total del consumo en una hora por la constante para saber la cantidad de vueltas que da en 1 hora:
Ahora que tenemos el numero de vuelta por hora, lo dividimos por los segundos que existen en 1 hora para obtener el tiempo que tarda en dar una vuelta el Medidor de Energía:
También podemos realizar este calculo a partir de la lectura en el medidor de Energía de el tiempo que tarda en dar una vuelta:
Tiempo que tarda: + 35,5(seg).
El tiempo dado anteriormente es un tiempo aproximado ya que puede tener algunos decimales de error.
Ahora dividimos los segundos que tiene una hora por el tiempo que tarda en dar una vuelta, para obtener el numero de vuelta por hora:
Ahora, para calcular la potencia en una hora, debemos obtener el producto entre el número de vueltas en una hora, por lo que equivale en potencia una vuelta, es decir, por la constante del medidor de Energía:
La potencia obtenida es la Energía o trabajo que realiza la carga en una hora. Es decir, el Trabajo que calculamos anteriormente. La diferencia entre el resultado anterior, se debe a la falta de precisión en la lectura del Medidor de Energía.
Ejercicios de Aplicación
En la industria
Aplicación en Prevención de Riesgos
Definiciones sobre Electricidad
Baja tensión: se considera baja tensión aquellos sistemas cuya diferencia de potencial es inferior a 1.000v en corriente alterna y 1.500 en corriente continua. Las tensiones usuales son normalmente las de 220 v entre fases y neutro y las de 380 v entre fases.
Consideremos que la tierra, piso, suelo o terreno físico del planeta tiene potencial cero, por lo que siempre entre una fase y este habrá una diferencia de potencial. Aquí es donde radica el principal peligro de energía eléctrica.
Aplicación en Prevención de Riesgos
Lo que causa daño en nuestro organismo es la corriente eléctrica que circula por él.
¿Entonces cual es la importancia de la Diferencia de Potencial en la Prevención de Riesgos eléctricos? .
Para que la corriente eléctrica circule por nuestro cuerpo deben cumplirse ciertos requisitos:
Vencer nuestra resistencia, que es menor o mayor dependiendo de algunas condiciones de cada individuo y de la humedad de la piel.
Que formemos parte del circuito
Explicación práctica
(Gp:) 1
(Gp:) 0
(Gp:) 1
(Gp:) 0
Piso con potencial cero : Tierra, pasto, hormigón, baldosas
Fig. a
Fig. b
En la figura “a” existe un presión o diferencia de potencial con respecto a tierra, pero la persona esta aislada de tierra, por lo que posee el mismo potencial del deposito “a” (como lo pajaritos que se posan en las líneas eléctricas) . Por lo que no hay diferencia de potencial entre el depósito y la persona, por lo que no se realiza trabajo por ende la carga no se mueve y no circulara corriente por la persona.
En la figura “b” la persona esta en contacto con la superficie de la tierra, por lo que esta sometida a la presión del estanque y si ella fuera como un tubo pasaría por ella el agua hasta llegar a tierra que es el potencial cero. En este caso existe diferencia de potencial, hay trabajo, la carga se mueve, circula corriente por la persona. La persona se electrocuta y puede hasta morir.
Aplicación en Prevención de Riesgos
Mientras más alta sea la diferencia de potencial y menor la dificultad que ponga nuestra piel al paso de la corriente, mayor será el trabajo realizado en nuestro cuerpo, por lo tanto mayor será el daño ocasionado por la corriente eléctrica circulando por el organismo.
¿ Como podemos minimizar o evitar que esto ocurra?.
La normativa eléctrica chilena NCH Elec 4/2003 establece voltaje (diferencia de potencial) de seguridad para locales secos y húmedos.
En ella se establece un valor de 42 o 24 volts. Con una diferencia de potencial baja, la carga no es capaz de moverse por nuestro cuerpo, por lo que no circulará corriente capaz de hacernos daño.
En los casos que no es posible reducir la diferencia de potencial, se usan unos dispositivos detectores de fugas de corriente, llamados protectores diferenciales, estos detectan las fugas e interrumpen el suministro eléctrico antes que la corriente cause efectos dañinos en el cuerpo.
Aplicación en Prevención de Riesgos
También se emplea la técnica de doble aislación, que consiste en “encerrar la diferencia de potencial” de modo que no entre en contacto con las personas.
Otra técnica es el empleo de “Conexiones Equipotenciales”, que consiste en unir mediante un conductor eléctrico, todas las partes metálicas de los equipos, que por accidente, puedan quedar sometidos a un potencial y que nosotros, al tocarlos, cerremos el circuito contactando ese potencial con tierra y creando la diferencia de potencial que mueva la carga y haga circular la dañina corriente eléctrica por nuestro cuerpo.
El sistema más común para evitar que las partes metálicas de los equipos y maquinarias queden con potencial alto y que, con respecto a tierra, se cree una diferencia de potencial, es aterrizar las partes metálicas de los equipos. Esto consiste en darles potencial cero mediante un conductor de cobre de color verde el que se canaliza junto a los conductores que traen el potencial eléctrico o voltaje.
Este conductor, como es de potencial cero, si un conductor con potencial alto lo toca se producirá un corto circuito. Este corto circuito hará operar unos sistemas de protección evitando que la parte metálica quede a una potencial elevado y que se establezca con respecto a tierra una diferencia de potencial.
Un sistema para evitar las diferencias de potenciales dañinas para el ser humano es el empleo de transformadores de aislación. En estos la diferencia de potencial peligrosa ingresa en a un lado del transformador que se llama primario, luego este induce líneas de fuerza en el otro lado, llamado secundario, creando una diferencia de potencial entre los conductores del secundario. Como la transmisión de energía se hace sin contacto físico entre la diferencia de potencial del primario y la del secundario. La diferencia de potencial del secundario solo se establece entre los conductores de este, por lo que la diferencia de potencial con respeto a tierra no existe.
Aplicación en Prevención de Riesgos
Ley de Ohm Microscópica
“La corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica”
GEORG SIMON OHM
(1787-1854)
Físico y matemático alemán. Descubrió una de las leyes fundamentales de los circuitos de corriente eléctrica, conocida como “Ley de Ohm”
Georg Simon Ohm, físico y matemático alemán, nació el 16 de marzo de 1789 en Erlangen, Bavaria. Tanto su padre, de profesión cerrajero, con una amplia cultura para la época obtenida de forma autodidacta, como la madre, se encargaron de transmitir a los hijos conocimientos de matemática, física, química y filosofía.
Hacia 1805 Georg Simon ingresó en la Universidad de Erlangen, la que abandonó después del tercer semestre, al interferir la vida disoluta que llevaba con los estudios. Por ese motivo sus padres lo enviaron a Suiza, donde comenzó a trabajar como profesor en una escuela de Gottstadt bei Nydan y continuó estudiando matemáticas.
En 1811 regresó a la Universidad de Erlangen y al concluir los estudios el gobierno de Bavaria le ofreció un puesto de profesor de matemáticas y física en una modesta escuela de Bamberg, pero como sus aspiraciones eran llegar a ser profesor universitario, decidió que a partir de ese momento tendría que demostrar su valía de alguna forma para lograr el reconocimiento del gobierno.
Seis años después recibió una oferta para impartir clases de matemáticas y física en un Liceo Jesuita de Colonia. En esa institución, con mejores condiciones materiales que en las anteriores donde había trabajado, pudo contar con un laboratorio de física bien equipado. Ahí comenzó a realizar sus primeros experimentos con electricidad después de conocer las investigaciones llevadas a cabo en 1820 por el físico danés Øersted.
Como resultado de sus investigaciones, en 1827 Georg Simon Ohm descubrió una de las leyes fundamentales de la corriente eléctrica, que hoy conocemos como “Ley de Ohm”. Esa importante ley postula que “la corriente que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión que tiene aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece a su paso la carga que tiene conectada”. La representación matemática de dicha ley es la siguiente:
.
REPRESENTACIÓN DE LA FORMULA GENERAL DE LALEY DE OHM PARA UN CIRCUITO ELÉCTRICO CERRADO
La fórmula de la izquierda constituye la forma matemática tradicional de representar la Ley de Ohm, donde ( I ) es la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico cerrado, en ampere; (E) la tensión o voltaje que tiene aplicado, en volt y (R) el< valor en ohm de la resistencia que posee la carga que tiene conectada. La representación de la derecha es una variante más práctica para hallar uno de los valores conociendo los otros dos. En ese caso (V) representa el voltaje aplicado al circuito en volt; (A) la intensidad de la corriente que fluye por el circuito en ampere y (R) la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada. Para calcular uno de los valores sólo tenemos que tapar una de las letras con el dedo y realizar la operación que queda indicada a simple vista. Por ejemplo, si buscamos el valor del voltaje "V", lo tapamos y nos queda: dividir "A" entre "R". Si queremos hallar el valor de la resistencia "R", al taparla nos queda multiplicar "V" por "A". Si, por el contrario, queremos hallar el valor de la intensidad "A", al taparla queda indicado dividir el valor de "V" entre el valor de "R".
Esta ley evidencia la estrecha relación que existe entre el flujo o intensidad de la corriente (I) en ampere (A) que circula por un circuito eléctrico cerrado; la tensión (E), en volt (V), que tiene aplicada y el valor de la resistencia (R), en ohm ( ), de la carga conectada a ese circuito.Pero su trascendental descubrimiento no fue reconocido por parte de los físicos de la época, ni le sirvió tampoco para ver realizado su sueño de obtener el ansiado nombramiento de profesor universitario
Su amargura por el poco reconocimiento recibido quedó reflejada en un escrito donde exponía el resultado de sus investigaciones, titulado “Teoría matemática del circuito galvánico”. En el prólogo aparece la siguiente cita: “las circunstancias en que he vivido hasta ahora no han sido, ciertamente, las más< favorables para que me animasen a proseguir mis estudios; la indiferencia del público abate mi ánimo y< amenaza extinguir mi amor a la ciencia”.En marzo de 1828 decidió establecerse en Berlín y en 1833 aceptó un puesto como profesor en Nüremberg. En 1842 la Real Sociedad lo admitió como miembro, al reconocer el mérito que tenían sus trabajos investigativos y en 1845 la Academia Bávara lo nombro también miembro, con plenos derechos.Hacia 1849 Ohm comenzó a desempeñar el puesto de conservador del gabinete de física de la Academia Bávara y a impartir también conferencias en la Universidad de Munich. En 1852 George Simon Ohm logró por fin ver realizado el sueño de toda su vida al ser nombrado catedrático de física en la propia Universidad de Munich.Dos años después, el 6 de julio de 1854, fallecía este insigne matemático y físico en la ciudad de Munich de su Baviera natal (actual Alemania). En honor a su memoria, veintisiete años después de su muerte, en la Exposición Internacional de Electricidad efectuada en París, en 1881, se adoptó el “ohm” y su símbolo ( ) (letra griega "omega") como unidad de medida de la resistencia eléctrica.
¿QUÉ ES LA LEY DE OHM?
LA LEY DE OHM
La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:
Tensión o voltaje (E), en volt (V).
Intensidad de la corriente (I), en ampere (A) o sus submúltiplos.
Resistencia (R) de la carga o consumidor conectado al circuito en ohm ( ), o sus múltiplos.
Circuito eléctrico compuesto por una pila de 1,5 volt, una resistencia o carga eléctrica y el flujo de una intensidad de corriente.
Debido a la existencia de materiales que dificultan más el paso de la corriente eléctrica que otros, cuando el valor de la resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, si la resistencia aumenta, la corriente disminuye y, viceversa, si la resistencia disminuye la corriente aumenta, siempre y cuando, en ambos casos, el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante.Por otro lado, de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión es directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje aumenta o disminuye el amperaje de la corriente que circula por el circuito aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia conectada al circuito se mantenga constante.
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POSTULADO GENERAL DE LA LEY DE OHM
El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.
Desde el punto de vista matemático, este postulado se puede representar por medio de la siguiente fórmula:
No obstante, aquellas personas que estén menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas, pueden realizar los cálculos de tensión, corriente y resistencia de una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico
Con esta representación de la Ley de Ohm, solamente tendremos que tapar con un dedo la letra que representa el valor de la incógnita que queremos hallar y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras la operación matemática que será necesario realizar
HALLAR EL VALOR EN OHM DE UNA RESISTENCIA
Por ejemplo, si queremos calcular la resistencia "R" en ohm de una carga conectada a un circuito que tiene aplicada una tensión o voltaje "V" de 1,5 volt y por el cual circula un flujo de corriente de 500 miliampere (mA) de intensidad, lo podemos hacer de la siguiente forma:
Tapamos “R”, que representa el valor de la incógnita que queremos despejar, en este caso la resistencia "R" en ohm, y nos queda:
Es decir, el valor de la tensión o voltaje "V", dividido por el valor de la corriente "A" en ampere. El resultado será el valor de la resistencia "R" que deseamos hallar.En el caso de este ejemplo específico tenemos que el valor de la tensión que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM), o sea, la batería, es de 1,5 volt, mientras que la intensidad de la corriente que fluye por el circuito eléctrico cerrado es de 500 miliamperes (mA).Pero antes de poder realizar correctamente esa simple operación matemática de división, será necesario convertir primero los 500 miliamperes en ampere, pues de lo contrario el resultado sería erróneo. Para hacer la conversión dividimos 500 mA entre 1000:
Hecha esta conversión tenemos como resultado que 500 miliampere equivalen a 0,5 ampere, por lo que ya podemos proceder a sustituir los valores para hallar cuántos ohm tiene la resistencia del circuito eléctrico con el que estamos trabajando.
El resultado muestra que el valor de la resistencia "R" conectada al circuito es de 3 ohm.
HALLAR EL VALOR DE INTENSIDAD DE LA CORRIENTE
.
Veamos ahora qué ocurre con la intensidad de la corriente si la resistencia, en lugar de tener 3 ohm, como en el ejemplo anterior, tiene 6 ohm. En este caso la incógnita a despejar sería el valor de la corriente "A", por tanto tapamos esa letra:
Sustituimos a continuación la “V” por el valor de la tensión de la batería, es decir, 1,5 V y la “R” por el valor de la resistencia (6 ) y efectuamos la operación matemática dividiendo el valor de la tensión o voltaje entre el valor de la resistencia:
.
En este resultado podemos comprobar que, efectivamente, la resistencia es inversamente proporcional al valor de la corriente, porque al aumentar el valor de "R", de 3 a 6 ohm, la intensidad "A" de la corriente varió también, disminuyendo su valor de 0, 5 a 0,25 ampere.
Para hallar ahora la tensión o voltaje "V" aplicado a un circuito, conociendo el valor de la intensidad de la corriente en ampere "A" que lo recorre y el valor en ohm de la resistencia "R" del consumidor o carga a éste conectada, podemos seguir el mismo procedimiento tapando ahora la "V”, que será la incógnita a despejar.
HALLAR EL VALOR DE LA TENSIÓN O VOLTAJE
Sustituimos los valores de la intensidad de corriente "A" y de la resistencia "R" del ejemplo anterior y tendremos:
El resultado de esa operación de multiplicar será 1,5 V, que es la diferencia de potencial o fuerza electromotriz (FEM), que proporciona la batería conectada en el circuito.Los más entendidos en matemáticas pueden utilizar directamente la fórmula general de la Ley de Ohm realizando los correspondientes despejes para hallar las incógnitas. Para hallar el valor de la intensidad "I" se parte de la representación matemática de la fórmula general
De donde:I – Intensidad de la corriente que recorre el circuito en ampere (A)E – Valor de la tensión, voltaje o fuerza electromotriz en volt (V)R – Valor de la resistencia del consumidor o carga conectado al circuito en ohm ( ).
Para hallar la resistencia, despejamos la “R” en la fórmula de la forma siguiente
Y para hallar la tensión despejamos la fórmula así
RELACION ENTRE VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA:
Si se aplican 10 voltios a una resistencia de un ohmio en un circuito cerrado, fluye por el una corriente de 10 amperios los cuales se pueden medir con un amperímetro. La caída de voltaje en la resistencia es de 10 voltios, medidos con un voltímetro y es opuesto en polaridad al voltaje de la batería.
Si se aumenta el voltaje a 20 y la resistencia sigue siendo de 1 ohmio, esto es causa de una corriente de 20 amperios, mismos que fluirán por la resistencia. La caída de voltaje en la resistencia sigue siendo igual al voltaje de la batería, en este caso 20 voltios.
Otro ejemplo: Si mantenemos el voltaje en 20 voltios y aumentamos la resistencia a 5 ohmios, la corriente bajará a 4 amperios. A esta relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia se le llama "LEY DE OHM".
Como se dio el ejemplo anteriormente, cuando la resistencia se aumento 5 veces la corriente bajo a una quinta parte. Resumiendo, decimos que la corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia, esta relación se expresa en la ecuación matemática siguiente:
I (corriente o amperaje) es igual a E (voltaje) dividido R (resistencia en ohmios).
La ecuación anteriormente descrita nos sirve para hallar la corriente, si el voltaje y la resistencia se conocen, tomemos como ejemplo que tenemos 20 voltios (E) y un resistor de 5 ohmios (R) el resultado es 4 amperios (I). Si lo que queremos es hallar la resistencia, la ecuación es: R igual a E dividido I, o sea, 20 voltios dividido 4 amperios igual:5 ohmios.
Ahora bien, lo que queremos es hallar el voltaje, aquí usamos la ecuación siguiente:
E igual a I por R, o sea: 4 amperios por 5 ohmios igual: 20 voltios.
TIPOS DE CIRCUITOS
CIRCUITOS EN SERIE:
Hasta aquí se han hecho cálculos con una resistencia conectada en los terminales de la batería, en este caso nos preguntamos, ¿si hay más de una resistencia, como se aplica la ley de ohm?. Hay 3 maneras de conectar un resistor a un circuito: en serie, en paralelo y en serie – paralelo. Cada uno de estos métodos de conexión se usa en la práctica y depende del resultado deseado. En esta oportunidad se hablará del circuito en serie, cuando hablamos de un circuito en serie significa que las resistencias u otros componentes se conectan uno tras otro, para decirlo de otra forma, en fila.
En la figura inferior se pueden ver 3 resistencias en serie conectados a una batería. En este caso la corriente que circula por una resistencia en serie debe circular por todos los demás, definido de esta forma se obtiene una regla importante: LA CORRIENTE DE TODAS LAS PARTES DE UN CIRCUITO EN SERIE ES IGUAL. Si se coloca un amperímetro entre R1 y R2, o bien R2 y R3, o entre la batería y R1, el instrumento indicará el mismo amperaje.
Como ya se dijo, la corriente eléctrica se mide en electrones por segundo, la corriente será siempre la misma en cualquier parte del circuito; aún puede existir alguna duda del lado por donde entran los electrones en la resistencia. Dada la oposición de la resistencia, los electrones se acumularán y su paso será lento, por lo mismo la proporción de la circulación de estos es la misma cantidad de electrones por segundo. En la figura se puede observar que la resistencia total (Rt) es igual a: 500 + 200 + 300 = 1000 ohmios. La corriente que circula y que está limitada por la resistencia total, según la ley de ohm, deducimos: I = E dividido Rt = 100 dividido 1000 = a 0.1 amperio. Esta es la corriente que circula en cada resistencia, Como cada resistencia tiene diferente valor, el voltaje en cada uno es diferente
En los siguiente cálculos se notará que se usa el símbolo "V" que equivale a la caída de voltaje, en otras palabras "E" lo definimos como el voltaje de la fuente (batería) y "V", como la caída de voltaje.
Si observan los cálculos, notaremos que, aunque son diferentes los voltajes en cada resistencia, la suma de los voltajes de caída es igual al voltaje aplicado (E), ahora veamos lo en una ecuación matemática: E = V1 + V2 + V3, en números: 50 + 20 + 30 = 100 voltios.
CIRCUITOS EN PARALELO
Se ha explicado ya el cálculo de los circuitos en serie, ahora se hablará sobre los circuitos en paralelo, en estos como se podrá notar que existen algunas variantes con respecto a los circuitos en serie.
En la figura se puede observar un circuito con 2 resistencias en paralelo. Los electrones que parten de la batería se dividen en 2 grupos, uno de los cuales circula por R1 y el otro por R2 pero, los 2 grupos se juntan nuevamente al otro extremo de la unión y regresan a la batería.
Dado que existen caminos paralelos para la circulación de la corriente, la combinación de resistencias de dicha figura se llama circuito paralelo.
Como puede notarse en este circuito, ambas resistencias se conectan directamente a los terminales de la batería, y la teoría indica que no existe resistencia en los alambres conductores. Para estos circuitos existe la regla: EL VOLTAJE EN TODAS LAS PARTES DE UN CIRCUITO EN PARALELO ES EL MISMO. La corriente en R1 puede encontrarse por la ley de ohm. Ya que dicha corriente es diferente de la corriente en R2.
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El último cálculo está basado en una importante ley. La corriente total (It) se encontró sumando las corrientes en cada ramal, esto hace pensar que no puede circular más corriente de la que entrega la batería, esto está expresado en una ley fundamental que se conoce como LEY DE KIRCHHOFF, misma que determina que LA SUMA DE LAS CORRIENTES QUE ENTRAN A UN PUNTO ES IGUAL A LA SUMA DE LAS CORRIENTES QUE SALEN DE DICHO PUNTO. Por lo mismo, la corriente total que circula por las 2 resistencias en paralelo es de 1.5 amperios. Puede conectarse una sola resistencia en los terminales de la batería lo que causa que circule el mismo valor de corriente; ¿que valor tendrá esta resistencia? Tanto la corriente (1.5 A) como el voltaje (10 V) se conocen, aquí aplicamos la ecuación: R = E dividido I, o sea, 10 dividido 1.5 igual 6.66 ohmios, esto quiere decir que este valor es equivalente a las 2 resistencias de la figura ya que por este también circulan 1.5 amperios, de este hecho se deriva su nombre: Resistencia equivalente (Req), abajo se indica como obtener directamente la resistencia equivalente
Como puede notarse, aquí también el valor de la resistencia es 6.66 ohmios. Ya se sabe como encontrar el valor equivalente de 2 resistencias en paralelo, lo que se verá en adelante es como se encuentra este valor de 3 o más resistencias en paralelo. En el caso de encontrar la resistencia total de 2 o más resistencias en serie, fue solo sumar el valor de cada una; para una combinación en paralelo, esto se calcula de diferente forma dado que la resistencia equivalente resulta siempre menor que el valor más bajo de combinación en paralelo. Las dos fórmulas empleadas para las 2 resistencias en paralelo se aplican para 3 o más resistencias, siendo necesaria una pequeña modificación en el procedimiento para usar la fórmula de la resistencia equivalente. Se demostrará nuevamente los 2 métodos. En la figura se observa un circuito con un voltaje de 80 voltios, el cual circula por las 3 resistencias, ahora se debe encontrar la corriente que circula por cada una de ellas, veamos las fórmulas:
Como puede notarse la resistencia equivalente es de menor valor que la resistencias de menor valor de la combinación de resistencias. Al aplicar la fórmula para resistencias en paralelo se debe recordar que sirve solamente para 2 resistencias únicamente; por lo mismo, R2 y R3 pueden ser substituidas en la fórmula y encontrar la resistencia equivalente de las 2.
Dicha resistencia equivalente puede luego combinarse con R1 para encontrar la resistencia de la combinación. Por supuesto que, R1 se puede combinar primero con R2, y la resistencia equivalente del par se combina con R3, o se pueden combinar primero R1 y R3 y la resistencia que resulte como equivalente se combina con R2; de cualquier manera, el resultado será el mismo. Veamos un ejemplo: R1eq = R2 X R3 dividido R2 + R3, que es lo mismo, "0 X 40 dividido 20 + 40 = 800 dividido 60 = 13.3 ohmios.
No hay que confundir Req con R1eq, en este caso se refiere a encontrar la resistencia equivalente de:
R2 y R3. Req = R1 X R1eq dividido R1 + R1eq = 10 X 13.3 dividido 10 + 13.3 = 133 dividido 23.3 = 5.7 ohmios.
El resultado es el mismo obtenido por el método directo..
Por lo general no todos los resultados coinciden exactamente como se ha descrito, esto se debe al hecho de que la operación se forzó nada más que hasta una fracción decimal, y para demostrarlo, se puede forzar la operación de arriba para obtener tres lugares después del punto decimal lo que cambiaría ligeramente el resultado. Normalmente se efectúan las operaciones hasta conseguir los 3 lugares para las fracciones..
Si se diera el caso que dos o más resistencias están conectadas en paralelo pero no se conoce el voltaje, se puede suponer sin que importe el voltaje que se suponga.
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Cuando se calcule la corriente resulta de un valor X, que, dividiendo el voltaje entre la corriente dará el valor de la resistencia. Lo cual se puede demostrar cambiando el voltaje aplicado a 100 voltios en el problema que recién se resolvió y usando el método indirecto para la resistencia. El valor de la resistencia obtenido será el mismo (5.7 ohmios)..
CIRCUITOS SERIE – PARALELO
En la práctica de electrónica nos encontraremos que las resistencias no siempre se conectarán en serie o en paralelo únicamente, también se conectarán en una combinación de estos o sea, serie – paralelo. En la figura se muestra un circuito de este tipo. Para el cálculo de un circuito serie – paralelo, la combinación el paralelo se substituye con la resistencia equivalente (Req), luego el circuito se convierte en simples resistencias en serie cuyo valor óhmico se puede encontrar con una simple suma de ellas
¿COMO SE PUEDE APLICAR EN PREVENCION?
Para conocer y aplicar la Ley de Ohm podemos decir que nos ayuda a:
Identificar los materiales y conductores y no conductores de la electricidad.
Reconocer los generadores de fuerzas eléctricas.
Reconocer las partes básicas de un sistema de transmisión para conocer la conversión de la fuerza eléctrica en luz, calor y fuerza mecánica.
Identificar los tipos de motores y sus aplicaciones, reconocer formas de comandos y protección de los motores.
Conocer y aplicar normas de mantención para conocer y enfrentar los riesgos eléctricos, además nos ayuda a entender y a usar los distintos tipos de instrumentos de medición.
Ejemplos de prevención eléctricos:
RIESGO ELECTRICO LEY DE OHM I=U/R La intensidad de corriente circulante por un circuito eléctrico es proporcional a la diferencia de potencial aplicado e inversamente proporcional a la resistencia que se opone al paso de la corriente. La intensidad de la corriente: es el desplazamiento de cargas eléctricas negativas (electrón), en un conductor en la unidad de tiempo (unidad Ampere). Deferencia de potencial: es la diferencia de nivel eléctrico entre dos puntos de un circuito (unidad Volt). Resistencia eléctrica: es la dificultad al paso de la corriente eléctrica en un circuito/conductor (unidad Ohm).
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RIESGO ELECTRICO:
Efecto de la electricidad en función de la intensidad de la corriente:
Al suponer la resistencia del cuerpo constante la corriente aumenta al aumentar la tensión (Ley de Ohm). Si la resistencia del cuerpo se supone variable la corriente aumenta con la humedad del terreno.
RIESGO ELECTRICO:
Efectos de la electricidad en función de la resistencia del cuerpo:
En días calurosos y húmedos, la resistencia del cuerpo baja. La resistencia que ofrece al paso de corriente varía según los órganos del cuerpo que atraviesa. La resistencia del cuerpo varía con la tensión aplicada por el contacto:
10000 ohm para 24 volt
3000 ohm para 65 volt
2000 ohm para 150 volt
RIESGO ELECTRICO:
Principales peligros de la electricidad:
No es perceptible por los sentidos del humano. No tiene olor, solo es detectada cuando en un corto circuito se descompone el aire apareciendo ozono. No es detectado por la vista, no se detecta al gusto ni al oído.
RIESGO ELECTRICO:
Prevención de riesgos eléctricos:
Considerar que todos los circuitos llevan corriente hasta que se demuestre lo contrario.
Evitar el acceso de personal no autorizado a zonas de tablero eléctrico.
Uso de equipo protector apropiado (guantes, protectores visuales y ropa especifica)
No trabajar en líneas con tensión.
Colocar vallas y señales en zonas peligrosas.
Protegerse contra el contacto con equipos energizados.
Adecuado toma tierra del sistema eléctrico y de equipos eléctricos.
No dejar conductores desnudos en las instalaciones, evitar empalmes, de existir aislarlos debidamente.
No dejar en contacto cables con aceites o grasas que deterioren su instalación.
Mantener en buen estado interruptores y tomas.
Usos de disyuntores diferenciales y llaves térmicas combinadas.
Mantener las instalaciones siempre limpias y con sus medios de protección.
RIESGOS ELECTRICOS:
Primeros auxilios:
Interrumpir de inmediato el paso de la corriente desconectando el conductor causante de la descarga cerrando el interruptor del contador o mediante el dispositivo diferencial.
Atender a la victima.
Si la electrocución se a producido en una línea de alta tensión, es imposible portar los primeros auxilios a la victima y muy peligroso acercarse a ella a menos de 20 metros.
En estos casos, lo indicado es pedir ayuda a los servicios de socorro y solicitar a la compañía que corte el fluido eléctrico.
PROTECCIONES EN INSTALACIONES:
Puesta a tierra en todas las masas de los equipos e instalaciones.
Instalación de dispositivos de fusibles por corto circuitos.
Dispositivos de corte por sobrecarga.
Tensión de seguridad en instalaciones de comando (24 volt)
Doble aislamiento eléctrico de
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