martes, 29 de mayo de 2012

Lectura 22: Ley Ohm, ley de Watt y efecto Joule

Conceptos preliminares:

Conductor: se le llama conductor a cualquier material que transporte electricidad o calor. Un conductor eléctrico, puede ser metal, grafito o cristal líquido entre toros. Un material que no transporta o permite el paso de calor o electricidad es llamado aislante. Madera, caucho y porcelana son aislantes eléctricos.

Carga: es una propiedad intrínseca de partículas subatómicas como los protones de carga positiva, y los electrones de carga negativa. Se manifiesta mediante atracciones y repulsiones cuando estas partículas interactúan. La unidad fundamental es el culombio (C).

Circuito: dispositivo formado por baterías, conductores y resistores o cargas que forman un lazo cerrado y ejecutan un trabajo manifestado en forma de luz, calor, sonido, movimiento, Etc.

Corriente: es el flujo de carga por unidad de tiempo que pasa a través de un conductor. Se debe al movimiento de electrones dentro del conductor. La unidad fundamental es el amperio (I) y el instrumento con el cual se mide, es el amperímetro.

Electricidad: fenómeno físico que corresponde al flujo de electrones a través de un conductor y cuya energía se manifiesta por medio de otros fenómenos como luz, calor, movimiento, Etc.

Potencia: Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. La cantidad de energía transferida a un circuito por unidad de tiempo, se denomina potencia. Su unidad fundamental es el vatio o watt.

Resistencia: la resistencia eléctrica de un material, es la medida de su oposición al paso de corriente. Los materiales que oponen poca resistencia al paso de corriente, son conductores. La unidad fundamental de resistencia es el ohmio (Ω) y el instrumento para medirla es el ohmímetro.

Vatio: es la unidad de potencia

Voltaje: se le llama también potencial eléctrico. Es la medida del trabajo realizado por un campo eléctrico para mover una partícula cargada des un punto a otro. Su unidad es el voltio (v) y el instrumento para medirlo es el voltímetro.

Ley de Ohm:

La figura 1, muestra un circuito eléctrico formado por una pila con un potencial (v) de 1.5 voltios, una resistencia (R) y una corriente (I) que fluye a través de los conductores (alambres).

La ley se Ohm se enuncia de la siguiente manera: la corriente (I) en amperios que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje e inversamente proporcional a la resistencia en ohmios. Esto quiere decir que la corriente aumenta, al aumentar el voltaje, pero disminuye, al aumentar la resistencia.

La ley de Ohm se expresa mediante la fórmula: I = v/R

La tabla 1, muestra las fórmulas que se derivan de la ley de Ohm.

Tabla 1. Fórmulas de la ley de Ohm
Fórmula Utilidad
Permite calcular la corriente (I), dividiendo el voltaje (v), entre la resistencia (R)
Permite calcular el voltaje (v), multiplicando la corriente (I), por la resistencia (R)
Permite calcular la resistencia (R), dividiendo el voltaje (v), entre la corriente (I)

Ley de Joule o Efecto Joule

Toda corriente eléctrica, al recorrer un conductor de cualquier clase, genera un aumento de temperatura. A este fenómeno se le conoce como efecto Joule.

El efecto Joule es útil y aplicable en la construcción de estufas, hornos, secadores de pelo, planchas, calentadores, equipos de aire acondicionado y cualquier otro aparato eléctrico cuya utilidad sea liberar calor. Sin embargo, el efecto Joule es inconveniente en componentes electrónicos, como los procesadores de los computadores, algunos circuitos integrados y transistores, donde es necesario colocar piezas de metal llamadas disipadores acompañadas, en algunos casos, de ventiladores, con el fin de dispersar el calor liberado.

La cantidad de calor liberado por un circuito eléctrico, es la medida del trabajo realizado por dicho circuito. El trabajo se representa con la letra W, y se mide julios. El efecto Joule o ley de Joule, se enuncia de la siguiente manera: “El trabajo (W), realizado por un circuito es proporcional al cuadrado de la corriente (I2), a la resistencia (R) y al tiempo (t), que dura conectado el circuito”. Y se expresa mediante la fórmula: W = I2×R×t

Con base en la ley de Ohm, se obtienen las fórmulas relacionadas en la tabla 2.

Tabla 2. Fórmulas de la ley de Joule
Fórmula Utilidad
Permite calcular el trabajo (W), elevando la corriente (I) al cuadrado y multiplicándola por la resistencia y el tiempo (t)
Permite calcular el trabajo (W), elevando el voltaje (v) al cuadrado, multiplicándolo por al tiempo (t)y dividiendo entre la resistencia (R)
Permite calcular el trabajo (W), multiplicando la corriente (I) por al voltaje (v) y el tiempo (t).

Como las unidades de trabajo y las unidades de energía son las mismas, entonces estas fórmulas son útiles para calcular la energía o el trabajo de un circuito eléctrico.

Ley de Watt

Permite calcular la potencia (P) de un circuito eléctrico. La potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. Se mide en watt o vatios. La fórmula de la potencia es: P = W/t. Donde W, es el trabajo y t, es el tiempo. La unidad de potencia es el watt o vatio. Con base el la ley de Ohm, se obtienen las fórmulas para la potencia que se relacionan en la tabla 3.

En un aparato electrónico, la potencia indica el trabajo realizado por hora o la cantidad de energía transformada por hora. Una lámpara de 100Watt, por ejemplo, transforma 100 julios de energía cada hora o realiza un trabajo de 100 julios cada hora.

Tabla 3. Fórmulas de la ley de Watt
Fórmula Utilidad
Permite calcular la potencia (P), dividiendo el trabajo (W), entre el tiempo (t)
Permite calcular la potencia (P), elevando la corriente (I) al cuadrado y multiplicándola por la resistencia (R)
Permite calcular la potencia (P), elevando el voltaje (v) al cuadrado y dividiendo entre la resistencia (R)
Permite calcular la potencia (P), multiplicando la corriente (I) por el voltaje (v)

Taller de lectura 22

  1. Escriba la definición de los 9 conceptos preliminares
  2. Copie y complete la siguiente tabla:
    Concepto Unidad en que se mide Instrumento con que se mide
    Carga ..
    Corriente ..
    Potencia ..
    Resistencia ..
    Voltaje ..
    trabajo ..
  3. Dibuje la figura 1 y ubique la pila o batería, la resistencia y los conductores. ¿Qué indican las flechas en la figura?
  4. Escriba el enunciado de la ley de Ohm
  5. Copie la tabla 1.
  6. De acuerdo con la información suministrada en la tabla 1, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. Un circuito conectado a una fuente de 110 voltios tiene una resistencia interna de 2015 ohmios. ¿Cuál es la corriente que circula a través de él?
    2. A través de un circuito circula una corriente de 0.75 amperios. Si la resistencia del circuito es de 450 ohmios ¿Cuál es el voltaje de la fuente a la cual está conectado?
    3. A través de un equipo de radio conectado a una fuente de 220 voltios, circula una corriente de 4 amperios. ¿Cuál es la resistencia del equipo?
  7. ¿Qué se conoce como efecto Joule?
  8. Escriba 5 ejemplos de aplicación del efecto Joule
  9. Escriba 3 ejemplos donde el efecto Joule es inconveniente
  10. ¿Cómo se enuncia la ley de Joule?
  11. Copie la tabla 2.
  12. De acuerdo con la información suministrada en la tabla 2, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. ¿Cuál es el trabajo realizado por un circuito eléctrico cuya resistencia es de 785 ohmios, si a través de él circula una corriente de 10 amperios y se mantiene conectado durante 0.5 horas?
    2. La resistencia de una ducha eléctrica es de 8 ohmios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios durante 0.166 horas, ¿Cuál es el valor del trabajo realizado?
    3. A través del cargador de un teléfono celular circula una corriente de 0.5 amperios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios durante 4 horas ¿Cuál es el valor del trabajo realizado al cargar la batería?
  13. ¿Por qué las fórmulas de la ley de Joule son útiles para calcular tanto la energía como el trabajo en un circuito eléctrico?
  14. ¿Qué permite calcular la ley de Watt?
  15. ¿Cuáles son las unidades de potencia?
  16. ¿Cuánta energía transforma cada hora cada uno de los siguientes aparatos?
    1. Una plancha de 3000Watt
    2. Un secador de pelo de 1250 Watt
    3. Una lámpara de 7Watt
  17. Copie la tabla 3
  18. De acuerdo con la información suministrada en la tabla 3, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. ¿Cuál es la potencia de un motor que realiza un trabajo de 400 Julios en 2 horas?
    2. ¿Cuál es la potencia de un circuito eléctrico cuya resistencia es de 450 ohmios, si a través de él circula una corriente de .075 amperios?
    3. ¿Cuál es la potencia de un horno eléctrico que tiene una resistencia de 10 ohmios y está conectado a una fuente de 110 voltios?
    4. A través del circuito de un televisor, circula una corriente de 4 amperios. Si este se conecta a una fuente de 110 voltios ¿Cuál es la potencia del aparato?
  19. Copie y complete la siguiente tabla:
    Variable Letra que la representa
    vVoltaje
    I .
    . resistencia
    W.
    . potencia
    t.

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