Circuitos Electricos

Es un sistema por el cual fluye la corriente eléctrica a través de un conductor en una trayectoria completa debido a una diferencia de potencial o voltaje, en cualquier circuito eléctrico se identifica 3 elementos muy importantes:

• Voltaje
• Intensidad de corriente
• Resistencia

Se dice que un circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema es decir circulan sin encontrar nada en su camino que interrumpa el paso de los electrones, y abierto cuando no circula por él, es decir se interpone la circulación por cualquier motivo y la carga conectada deja de recibir corriente. Si deseamos abrir o cerrar un circuito, utilizamos un interruptor, normalmente lo utilizamos en casa cualesquiera de estos 2 tipos.

Campo Electrico

El campo eléctrico se suele representar como líneas llamadas líneas de fuerzas. Estas son representaciones gráficas de la trayectoria que seguirás detector de campo de fuerzas.

Las líneas de fuerzas van siempre de las cargas positivas a las cargas negativas las líneas son uniformes y continuas con origen en las cargas positivas y final en las cargas negativas.
Las líneas de fuerzas pueden cruzarse si estas se cortaran significaría que en dicho punto el campo eléctrico poseen dos direcciones distintas pero a cada punto solo le corresponde un valor único de intensidad de campo.
Una línea de campo eléctrico es una línea tal que es tangente a la misma en cualquier punto, es paralela al campo eléctrico existente en esa posición el número de líneas de fuerzas es siempre proporcional a la carga.
La densidad de líneas de fuerzas en un punto es siempre proporcional al valor del campo eléctrico en dicho punto. Si se tiene la intensidad y dirección del campo eléctrico en un punto debido a varias cargas estas se tienen que sumar para poder obtener el campo eléctrico resultante.

Er= e1+e2+e3+e4´

Resistencia eléctrica

La Resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un material al paso de los electrones la Corrientes eléctrica. Cuando el material tiene muchos electrones libres, Como es el caso de los metales, permite El Paso de los electrones con facilidad y se le llama conductor. Ejemplo: cobre, aluminio, plata, oro, etc.
Longitud de conductor: a mayor longitud mayor Resistencia.
La naturaleza Del conductor: La Plata tiene menor Resistencia que el hierro para que circule la Corrientes.
Selección o área transversal: a mayor área de menor Resistencia.
Resistencia eléctrica: es la oposición que presenta un conductor al pasar la Corrientes o flujo de electrones por el.
La temperatura: en los metales su Resistencia aumenta proporcionalmente a su temperatura.
La unidad de Resistencia eléctrica en el si es el ohm si deseamos conocer la resistencia de un alambre conductor a una determinada temperatura (0C) utilizamos la siguiente formula:

R=P/L/A
Donde:
R= Resistencia del conductor.
P= Resistividad del material de que esta hecho el conductor a 0 C
L= longitud del conductor (m)
A= Area de la sección transversal de conductor (m)

Para calcular la Resistencia de un conductor a cierta temperatura t, si conocemos su Resistencia a una temperatura de 0 C utilizamos la siguiente expresión:

RT=R (1+at)

Donde:
RT= Resistencia del conductor a una temperatura t
Ro= Resistencia de conductor a 0c
A= coeficiente de temperatura de la Resistencia del material conductor (o C -1)

T= temperatura de conductor (oC)

Si deseamos calcular el campo eléctrico a una determinada distancia del centro de un carga eléctrica, utilizamos la siguiente expresión:

E = kq / r2
E = Intensidad del campo eléctrico (N / C)
K = Constante de proporcionalidad = 9x109 Nm2/C2
q = Valor de la carga ( C )
r = Distancia desde un punto hacia el centro de la carga (m)

Intensidad de Campo electrico

Para calcular la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva llamada carga de prueba. Esta es colocada en un punto de la región a investigar si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico se dice que en ese punto existe un capo eléctrico, cuya intensidad es igual al cociente entre la fuerza y el valor de dicha carga de prueba. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Historia de la Electricidad

Desde la aparición del hombre, este se ha preocupado por tratar de entender los fenómenos de la naturaleza y, en algunos casos, reproducirlos.
El estudio de la electricidad comenzó tras observar que diferentes objetos eran atraídos al acercar un trozo de un material fósil llamado ámbar.
Se puede decir que muchos experimentaron con la electricidad, entre los que destacan:

Electrostática

La electrostática es la rama de la electricidad que se encarga de estudiar las cargas electrostáticas en reposo.

La ley cualitativa de la electrostática dice que “cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen”.
En un átomo se tienen las siguientes subpartículas:

• Protón: Carga positiva.
• Neutrón: No tiene carga.
• Electrón: Carga negativa.

Formas de electrizar un cuerpo:

Frotamiento: Se presenta cuando 2 cuerpos se frotan entre sí o por la fricción que existe entre ellos. Ejemplo: Flotar un globo con el cabello.

Contacto: Consiste en simplemente tocar los 2 cuerpos entre sí. Ejemplo: Cuando chocas con una persona.

Inducción: Ocurre cuando un cuerpo extendido en carga eléctrica se acerca a otro sin tener contacto directo entre ellos. Ejemplo: Cuando pasas a lado de una televisión.

La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas en el sistema internacional (SI) se llama coulomb ( C ) y se define como la cantidad de electrones que posee en exceso un cuerpo con respecto a lo que posee en su estado neutro. La equivalencia en electrones es la siguiente:

1C = 6.25x1018 electrones.

De acuerdo con esto podemos proporcionar las cargas eléctricas del electrón y el protón en coulomb.

• Protón: 1.6 x1019 electrones.
• Electrón: -1.6x10-19 electrones.

Tipos de materiales.

Cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos solidos como en los metales, los electrones de las orbitas más lejanas no permanecen unido a sus respectivos átomos y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido.
Estas partículas se denominan electrones libres, por lo tanto los electrones libres, es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos y decimos que estas sustancias son conductores eléctricos:

Conductor: Material por el cual, transfieren la carga fácilmente. Ejemplo: Cobre.

Aislante: Material que resiste al flujo de la carga. Ejemplo: Cinta negra.

Semiconductor: Material intermedio, en su capacidad para llevar o transportar carga. Ejemplo: Silicio.



Ley de Coulomb

En el año 1785, Charles Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas, lo cual afirma lo siguiente:
“La fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”, matemáticamente se expresa:

F = k q1q2 /r2 donde:
F = Fuerza eléctrica en Newtons (N)
K = Constante de proporcionalidad = 9x109 Nm2/C2
q1 y q2 = Cargas eléctricas en Coulomb ( C )
r = Distancia entre las cargas en metros (m)

Ejemplo con dos cargas:

Termodinámica

La termodinámica se encarga de estudiar la transformación de la energía térmica en trabajo y el trabajo en energía.

La termodinámica puede ser explicada con cuatro leyes fundamentales, entre las principales se encuentran 3:

Ley cero de la termodinámica:

También conocida como ley de equilibrio. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico y se presenta un tercero, éste estará en equilibrio con las anteriores.

Primera ley de la termodinámica

Esta ley nos demuestra el principio de la conservación de la temperatura “la masa no se crea, ni se destruye, se transforma”

En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por él y el cambio en su energía interna, matemáticamente se expresa:

∆Q = ∆U + ∆W

La cantidad de calor absorbido se manifiesta en trabajo mecánico, algo parecido ocurre con los motores de combustión interna para generar movimiento.

Segunda ley de la termodinámica:

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y a la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a una temperatura mas elevada.    

Resistencia eléctrica

Es la oposición que se presenta cuando un conductor al pasar corriente o flujo de electrones por él.
Factores que influyen en la resistencia de los conductores:

1. Longitud del conductor: A mayor longitud mayor resistencia. 
2. Sección o área transversal: A mayor área menor resistencia. 
3. La naturaleza del conductor: La plata tiene menor resistencia que el hierro para que circule la corriente. 
4. La temperatura: En los metales su resistencia aumenta proporcionalmente a su temperatura. 

La unidad de resistencia eléctrica en el SI es el Ohm (Ʊ)

Ley de Ohm

El físico y profesor alemán George Simón Ohm enuncio la siguiente ley en 1817 “ La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”.

Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

I = V / R

Dónde:

I = intensidad de la corriente eléctrica que pasa por el conductor.

V = Diferencia de potencial de voltaje aplicado a los extremos del conductor.

R = Resistencia del conductor. 

Mecanismos de transferencia de calor

Durante varios siglos se consideró al calor como un fluido invisible que se movía de un cuerpo a otro, recibiendo el nombre de calórico. El calor es una forma de energía que fluye del cuerpo más caliente a otro con menor temperatura.

Estos conocimientos los sabemos gracias james Prescott joule (1818-1889). Demostró que el calor se debe a una transferencia de la energía cinética que poseen los cuerpos.
Como el calor es una forma en la que se manifiesta la energía, entonces se relaciona con las unidades del trabajo mecánico.
Joule para el sistema internacional de unidades j-(N)(m)
Ergio para el CGS ergio-(dina) (cm)

Las relaciones entre las unidades son:

• 1 cal = 4.187 joule
• 1 joule = 0.24 cal
• 1 joule =1x10 ergios
• 1 BTU = 252 cal
• 1 BTU = 1.055 kJ

También podemos utilizar la kilocaloría, que equivale a mil calorías.      

Existen tres tipos por las cuales el calor se propaga, las cuales son:

Conducción

La conducción es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.
Ejemplo: el calor de la estufa se trasmite al comal y de esta a la olla, debido a el choque entre sus moléculas.

Conveccion

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor. Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. La convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido.
Ejemplo: el calor en los fluidos como el agua, se trasmite por convección.

Radiación

La radiación es una emisión de energía generada o emitida por un cuerpo, que viaja por algún medio o el vacío hasta ser absorbida por otro cuerpo. Se puede propagar en forma de onda (radiación electromagnética) o de partículas (radiación corpuscular). La radiación siempre ha estado presente en la Tierra, que ha sido bombardeada por diversos tipos de radiación que proceden del cosmos, como el calor, la luz y otras partículas.
Ejemplo: el calor emitido por el sol hacia la tierra durante el día y de la tierra a la atmosfera, es por radiación.

Dilatación de los cuerpos

Dilatación de los cuerpos

Este fenómeno se conoce como dilatación debido a que los cuerpos tienden a variar debido a la temperatura en que están expuestos, por ejemplo los sólidos sufren dilatación, es decir aumentan su longitud principalmente, otros aumentan en dos sus dimensiones, y los líquidos y gases aumentan su volumen, por otro lado cuando la temperatura disminuye, se contraen.

Los gases se dilatan más que los líquidos y los líquidos se dilatan más que los sólidos.

Dilatación lineal

Se da en solidos, cuando al aumentarles su temperatura sufren un aumento en su longitud, por otra parte cuando a los solidos, con una longitud inicial de 1 m, se les aumenta 1 °C su temperatura, varían su volumen de forma constante, se le conoce como coeficiente de dilatación lineal.

Este coeficiente de dilatación lineal se representa con la letra griega “α” (alpha)

Para calcular la dilatación volumétrica de una sustancia se utiliza la siguiente formula:

ΔLf = α ΔLo Δt    donde:

ΔLf.= Longitud Final

α.=   Coeficiente de dilatación lineal

ΔLo.= Longitud inicial

 Δt.= Temperatura Inicial y Final (Tf – Ti)

Para saber la variación de la longitud, utilizamos la siguiente formula:

ΔL = Lf – Li          donde:

ΔL = Variación de la longitud

 Lf =   Longitud final

 Li =   Longitud inicial      

Dilatación Superficial

Cuando a los solidos, al aumentarles su temperatura sufren un aumento en su área, por otro lado cuando a los solidos con un área inicial de 1 m² se les aumenta 1 °C su temperatura, varían de manera constante, se le conoce como coeficiente de dilatación superficial.

Este coeficiente de dilatación superficial se representa con la letra griega “γ” (gamma)

Para calcular la dilatación volumétrica de una sustancia se utiliza la siguiente formula:

ΔSf = γ ΔSo Δt    donde:

ΔSf.= Longitud Final de la superficie

γ.=   Coeficiente de dilatación superficial

ΔSo.= Longitud inicial de la Superficie

 Δt.= Temperatura Inicial y Final (Tf – Ti)

Para saber la variación del área, utilizamos la siguiente formula:

ΔS = Sf – Si          donde:

ΔS = Variación de la superficie

 Sf =   Superficie final

 Si =   Superficie inicial      

Dilatacion Volumetrica

Se da cuando tanto a solidos como a líquidos y gases, al aumentarles su temperatura sufren un aumento en su volumen, por otra parte cuando a las sustancias con un volumen inicial de 1 m³ se les aumenta 1 °C su temperatura, varían su volumen de manera constante, se le conoce como coeficiente de dilatación volumétrica.

Este coeficiente de dilatación volumétrica se representa con la letra griega “β” (beta)

Para calcular la dilatación volumétrica de una sustancia se utiliza la siguiente formula:

ΔVf = β ΔVo Δt    donde:

ΔVf.= Volumen Final de la superficie

β.=   Coeficiente de dilatación volumétrica

ΔVo.= Volumen inicial de la Superficie

 Δt.= Temperatura Inicial y Final (Tf – Ti)

Para saber la variación del área, utilizamos la siguiente formula:

ΔV = Vf – Vi          donde:

ΔV = Variación del volumen

 Vf =   Volumen final

 Vi =   Volumen inicial

Escalas de Temperatura

  Cuadro Comparativo de escalas de temperatura

Temperatura

Temperatura

En la vida diaria siempre tenemos cambios de temperatura, esto debido a diversos factores que, se manifiestan en forma de calor o frio, ya sea de manera espontánea u ocasional, e incluso nunca nos damos cuenta de cuando tenemos este cambio. Por ejemplo:

Cuando frotamos nuestras manos, percibimos un cambio de temperatura.

Incluso cuando bailamos percibimos este cambio, aun cuando haya frio.

Otro ejemplo seria cuando abrimos el refrigerador.

También se da al momento de entrar a un supermercado en el mostrador.

O también cuando tenemos fiebre, tenemos un cambio de temperatura

Todo esto se relaciona con los cambios de temperatura, pero para ello primero debemos saber el concepto de temperatura.

La temperatura es una magnitud física que es un parámetro del sistema que está relacionado con el promedio de la energía cinética media de agitación de moléculas. La temperatura nos indica que tan caliente o tan frio esta un cuerpo o sustancia.

Por otro lado el calor se define como la cantidad total de energía cinética que posee un cuerpo y que puede moverse hacia otro, este se da cuando se transmite un cuerpo más caliente a otro más frio debido a que  tiene diferente temperatura.

Es importante que podamos distinguir la diferencia entre temperatura y calor, la temperatura nos indica en qué dirección va fluir el calor cuando un cuerpo se pone en contacto con otro, es una energía cinética promedio de las moléculas que constituyen el 
cuerpo.

El calor por su parte es una forma de energía en tránsito, pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, incluso hay intercambio de energía térmica aun cuando no estén en contacto, el calor se percibe a través de los cambios de estado que se producen en la materia (fusión del hielo, ebullición del agua y evaporación).  

La temperatura se mide con el termómetro, instrumento que permite comparar la temperatura de un cuerpo con la de él mismo, indicando mediante una escala graduada, la energía cinética promedio que posee.

Existen muchos tipos de termómetros que nos sirven para medir la temperatura, entre los que destacan:

 Termómetro de gas.

El termómetro de gas de volumen constante pertenece a la categoría de termómetros llenos de gas y es el más exacto de este tipo. Para usos industriales, un termómetro por  presión de gas consta de un elemento que mide la presión, como el tubo Bourdon conectado por un tubo capilar a una ampolla que se expone a la temperatura que se ha de medir. 

Termómetro óptico.

Dispositivo de medida de la temperatura en el que las propiedades de transmisión y reflexión de la luz visible dependen de la temperatura y cuya detección se puede relacionar con la temperatura tisular, es decir, de los tejidos de los organismos. El termómetro óptico permite visualizar la temperatura en una pequeña pantalla de forma digital.

 

Termómetro metálico.

El termómetro bimetálico es un instrumento utilizado para medir temperatura mediante la contracción y expansión de dos distintas aleaciones metálicas de alto y bajo coeficiente de dilatación.

Los termómetros bimetálicos están constituidos por un tubo en cuyo interior está colocada una espiral helicoidal bimetálica. Dicha espiral está soldada por un extremo a la parte inferior del tubo y por otra a una varilla de transmisión, a su vez conectada a una aguja


indicadora.

Termómetro clínico

Se trata de un instrumento de máxima precisión utilizado en el área de la salud para establecer la temperatura corporal de personas y animales incluyendo las décimas de grado. Suelen ser digitales, de mercurio, de alcohol o de radiación infrarroja. En función del tipo de termómetro que se utiliza y el lugar específico del que se quiere establecer la temperatura, se aplican en cavidades del cuerpo o puntos auxiliares como la frente. Se suelen utilizar para determinar la existencia o no de fiebre y también como método de predicción de los periodos de fertilidad femenina.

El termómetro de máxima y mínima

Señala la temperatura máxima y mínima del lugar donde se encuentra. El termómetro se compone de un capilar que contiene dos varillas unidad, correspondiendo la varilla de la izquierda a la temperatura mínima y la varilla de la derecha a la temperatura máxima. Ambas varillas están llenas de líquido por donde se desliza el testigo de la temperatura alcanzada (estilete).

Hidrodinamica

Es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento. para ello considera varios conceptos, entre las que recalcan la velocidad, el flujo y el gasto.
Entonces un fluido también puede moverse o desplazarse,

 

 

Para comprender las características debemos tener en cuenta las siguientes reglas:
Los líquidos son incompresibles.
La viscosidad no afecta el movimiento del fluido, es factible de la fricción ocasionada por el paso del líquido en las paredes de la tubería se considera baja.
El flujo del líquido un través de las tuberías es estable y estacionario, es factible, es decir sin turbulencias.

Relación de entrada y salida.

El gasto es la relación que existe entre la cantidad del volumen del fluido que pasa un a través de una tubería es determinado tiempo.




g = v / t
g = gasto (m / s)
v = volumen (m)
t = tiempo (s)

Además, el gasto puede calcularse como:
g = av
Donde
a = área (m ² )
v = velocidad (m / s ² )
Esto se debe una cola v = ad, sustituyendo en g = ad / t
Y como v = d / t, entonces: g = av

El flujo se defina como la cantidad de masa de fluido que puede pasar un través de una tubería es determinado tiempo, y se describen como:

 

f = m / t

Donde

f = flujo (kg / s)
m = masa (kg)
t = tiempo (s)

También puede relacionarse la densidad para determinar s. el flujo, ya que p = m / v

Queda m = p v sustituyendo en la fórmula de flujo: f = p v / t

Observadores de si somos podemos realizar otra, ya que g = v / t del queda:

f = p g

Ahora, considerando que el volumen del líquido que entra por la tubería es el mismo que el volumen que la venta por ella, de podemos obtener una relación denominada ecuación de continuidad.

Establece relación que la cantidad de líquido que pasa a través de una tubería angosta, lo hace mayor que pasa cuando por una tubería más ancha.
Como el volumen es constante, el gasto también es lo, que así
g1 = g 2

donde

g1 = gasto en el punto 1
g2 = gasto en el punto 2
a 1 v 1 = a 2 v 2

Donde

a 1 = área del punto 1
v 1 = velocidad en el punto 1
a 2 = área del punto 2
v 2 = velocidad en el punto 2.
Teorema de Bernoulli

El teorema de Bernoulli es también conocido como el teorema de trabajo-energía en los fluidos.

Para determinar el teorema de Bernoulli se relaciona el principio de la conservación de la energía que involucra en las energías cinética y potencial.

Et = Ec + Ep
Donde
E t = total de energía
Ec = energía cinética
Ep = energía potencial

Si pasamos a cada lado de la igualdad, los términos que pertenecen quedaria en el mismo punto:

p 1 + 1/2 p v 1 ² + p gh 1 = p 2 + 1/2 + p v 2 ² + p gh 2

y como: p 1 + 1/2 p v 1 ² + p gh 1 = constante

La ecuación del teorema de Bernoulli nos puede ayudar a determinar la presion o velocidades cuando existe una diferencia de alturas por el conducto.
Si colocáramos medidores de presión en las partes de una tubería horizontal podriamos observar que la velocidad aumenta cuando el tubo reducir su espacio y la presión disminuye.

Principio de Venturi

El medidor o tubo de Venturi es una de las aplicaciones del teorema de Bernoulli, el medidor de Venturi se utiliza para medir la presión en una tubería horizontal.
Donde:

V1 = velocidad del líquido pasando por la tubería (m / s).

P1 = presión en la parte ancha del tubo (n / m²).

P2 = presión en el estrechamiento de Venturi (n / m²).

p = densidad del líquido (kg / m³).

A1 = área de la parte ancha del tubo (m²).

A2 = área del estrechamiento del tubo de venturi (m²)


El efecto Venturi consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión cuando aumenta la velocidad al pasar por una zona de sección menor. En ciertas condiciones, cuando el aumento de velocidad es muy grande, se llegan a producir presiones negativas y entonces, si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido de este conducto, que se mezclará con el que circula por el primer conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi.

Teorema de Torricelli

Este físico italiano menciona que: "la velocidad de salida de la un líquido es alcalde del conforme aumenta la densidad en la que se encuentra el orificio de salida".



Entonces si tenemos que p 1 + 1/2 p v 1 ² + p gh 1 = p 2 + 1/2 p v 2 ² + p gh 2 , de podemos dividir toda la ecuación entre p :

p 1 / p + 1/2 v 1 ² + gh 1 = p 2 / p + 1/2 v 2 ² + gh 2


Si consideramos que la velocidad de salida en el punto 1 (punto mas alto) es poco significativa, podemos eliminar:

P1 / p + gh 1 = P2 / p + 1/2 v 2 ² + gh 2

si el punto 2 se encuentra en el fondo del recipiente, entonces h 2 = 0, por lo tanto:

P1 / p + gh 1 = P2 / p + 1/2 v 2 ²


Como p representa a la presión atmosférica sobre la superficie del líquido y p repre la densidad del mismo las podemos eliminar.
 gh 1 = 1/2 v 2 ²

Despejando la velocidad, del queda: v = 2gh

Esta es la fórmula es la misma que utilizamos para determinar la velocidad de cuerpo en caída libre.