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LEY DE OHM Y LA POTENCIA ELÉCTRICA EJERCICIOS RESUELTOS-QUINTO DE SECUNDARIA PDF Y VIDEOS

Georg Simon Ohm
(1787 – 1854)
Destacado filósofo alemán. Fue maestro de escuela. Descubrió la ley de la dependencia de la intensidad de la corriente respecto de la tensión en un trozo de circuito y la ley que define la intensidad de la corriente en un circuito cerrado. El mismo hizo un aparato sensible para medir la intensidad de la corriente. Como fuente de tensión utilizó un par termoeléctrico, o sea, dos conductores de distintos metales soldados. Aumentando la diferencia de temperatura en las soldaduras hacía que cambiase la tensión, la cual es proporcional a dicha diferencia.

De acuerdo con la ley de Ohm para un trozo de circuito, la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor.
I =
¡Cuidado con la corriente eléctrica!
Las medidas de seguridad son necesarias para evitar lesiones cuando se trabaja con la electricidad. Los conductores de electricidad (como los cables) están recubiertos con materiales aislantes que se pueden manejar sin peligro. Sin embargo, cuando una persona entra en contacto con un conductor cargado, puede existir una diferencia de potencial a través de parte de su cuerpo. Un pájaro se puede posar sobre una línea de alto voltaje sin ningún problema pues tanto él como la línea tienen el mismo potencial y no hay diferencia de potencial o trayectoria de circuito. Pero si una persona que lleva una escalera de aluminio (conductora), toca con ella una línea eléctrica, existe una diferencia de potencial de la línea a tierra y, la escalera y la persona son parte del circuito.

El grado de lesión que sufre la persona en este caso depende de la cantidad de corriente eléctrica que fluye a través de su cuerpo y de la trayectoria del circuito. La corriente está dada por:
I =
en donde “Rcuerpo” es la resistencia del cuerpo. De esta forma, para un voltaje dado, la corriente depende de la resistencia del cuerpo.

La resistencia del cuerpo varía. Si la piel está seca, la resistencia puede ser de 0,05 MW o más. Para una diferencia de potencial de 120 V, puede haber una corriente de:
I = = = 24 . 10-3 A = 0,2 mA

Esta corriente es demasiado débil para ser percibida.

Sin embargo supóngase que la piel está mojada por la transpiración. Entonces “Rcuerpo” es aproximadamente 5 kW (5.103W). En este caso, la corriente es:
I = = = 24 . 10-3A = 24 mA
lo cual puede ser muy peligroso.
Una precaución básica que se debe tomar es evitar entrar en contacto con un conductor eléctrico que pueda causar una diferencia de potencial a través del cuerpo o parte de él.
El efecto de tal contacto depende de la trayectoria de la corriente. Si esta trayectoria va del dedo meñique al pulgar de una mano, una corriente grande puede dar como resultado una quemadura. Sin embargo, si la trayectoria va de una a otra mano a través del pecho, el efecto puede ser peor. Las lesiones resultan debido a que se interfiere con las funciones musculares y/o se causan quemaduras. Las funciones musculares son reguladas por impulsos eléctricos por medio de los nervios y éstos pueden ser influidos por las corrientes de voltajes externos.
Se puede presentar una reacción muscular y dolor por una corriente de unos pocos miliamperes. A aproximadamente 10 mA, la parálisis muscular puede evitar que una persona se libere del conductor. A alrededor de 20 mA, se presenta una contracción de los músculos del pecho, la cual puede impedir o detener la respiración. La muerte puede presentarse en pocos minutos. A 100 mA hay movimientos rápidos no coordinados de los músculos del corazón (llamados fibrilación ventricular), la cual evita un bombeo adecuado.
Manejar la electricidad con seguridad requiere de un conocimiento de los principios eléctricos fundamentales y de sentido común. La electricidad se debe tratar con respeto.

Visión introspectiva (superconductividad)

La resistencia eléctrica de los metales y las aleaciones disminuye por lo general con el decrecimiento de la temperatura. A temperaturas relativamente bajas, algunos materiales presentan lo que se ha llamado superconductividad; esto es, la resistencia eléctrica desaparece, o llega a cero. La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike Karnerlingh Onnes, físico holandés. El fenómeno se observó primero en mercurio sólido a una temperatura de unos 4 K (-269 °C). El mercurio se enfrió a esta temperatura utilizando helio líquido. El punto de ebullición del helio (la temperatura a la cual se condensa un líquido) es de alrededor de 267 °C a 1 atm. El plomo también presenta superconductividad cuando se enfría a esa temperatura.

Una corriente eléctrica establecida en una bobina superconductora debe persistir indefinidamente con pérdidas resistivas. Se ha observado que las corrientes introducidas en bobinas superconductoras permanecen constantes por varios años. En 1957, los físicos estadounidenses John Bardeen, León Cooper y Roberth Schrieffer presentaron una teoría en un intento por explicar varios aspectos de los superconductores metálicos. Conocida como la teoría BCS, por razones obvias, presenta un modelo de mecánica cuántica en el cual los electrones se ven como ondas que viajan a través de un material. De acuerdo con esta teoría, las vibraciones e imperfecciones de la latiz, que dispersan los electrones y dan origen a la resistencia y a la pérdida de energía bajo condiciones normales, no tienen efecto sobre los electrones de los superconductores. En ausencia de esta dispersión electrónica, la resistencia es cero, y una corriente puede persistir tanto tiempo como el metal esté en un estado superconductor.

Mantener un superconductor a las bajas temperaturas del helio líquido es algo difícil y costoso. Por ello, se ha llevado a cabo una investigación en la búsqueda de materiales que se conviertan en superconductores a temperaturas más altas. Se encontró otros metales y aleaciones superconductores para los cuales las temperaturas críticas estaban alrededor de 18 K (-255 °C). En 1973 se descubrió un material con una temperatura crítica de 23 K (-250 °C).

En 1986, hubo un avance importante: se descubrió una nueva clase de superconductores. Son las llamadas aleaciones cerámicas de los elementos raros, tales como el lantano y el itrio. Estos superconductores se prepararon triturando una mezcla de elementos metálicos y calentándola a temperatura elevada para producir un material cerámico. Por ejemplo, una de esas mezclas consiste en bario, itrio y óxido de cobre. La temperatura crítica para estas mezclas cerámicas es de alrededor de 57 K (-216 °C).

En 1987 se descubrió un material cerámico con una temperatura crítica de 98K (-175 °C). Éste fue un avance importante pues significó que la superconductividad se puede obtener empleando nitrógeno líquido, el cual tiene un punto de ebullición de 77K (-196 °C). El nitrógeno es relativamente abundante (es el constituyente principal del aire) y poco costoso; cuesta centavos por litro en comparación con los dólares por litros que cuesta el helio líquido.

Ha habido más informes recientes de temperaturas críticas superiores, y aun sugerencias de que ciertos compuestos de óxido de cobre pueden perder su resistencia a la corriente eléctrica a la temperatura ambiente y mayor. A medida que los científicos estudian los nuevos superconductores, se obtiene una mejor comprensión y no hay duda de que la temperatura crítica puede ascender. Existe el problema de confirmar un estado de superconductividad en muestras pequeñas o regiones de las muestras. Otro es que la teoría BSC no parece ser aplicable a los superconductores de las nuevas temperaturas elevadas. El mecanismo para la superconductividad no se comprende bien.

Existen muchas otras posibles aplicaciones para los superconductores. Una son los imanes superconductores de fuerza de un electromagneto depende de la magnitud de la corriente en las bobinas. Si no hubiera resistencia, sería mayor la corriente y no habría pérdida. Usados en motores o máquinas, los electromagnetos o super- conductores pueden proporcionar mayor potencia (los imanes superconductores enfriados por helio líquido se han empleado en motores para barcos durante algún tiempo). Tales imanes se podrían utilizar para levitar y propulsar trenes y carros eléctricos. Otra aplicación de los superconductores podría ser en cables subterráneos de transmisión sin pérdidas resistivas. Sin embargo, entre los muchos problemas tecnológicos aún por resolver, está cómo fabricar cables de materiales cerámicos, pues éstos son por los general quebradizos. La aplicación con mayor posibilidad de una pronta realización es hacer circuitos más rápidos para computadora.

Imagine lo que significaría que alguien descubriera un material superconductor a la temperatura ambiente o a la del refrigerador. La ausencia de resistencia eléctrica abre muchas posibilidades. Tal vez usted oirá más acerca de las aplicaciones de los superconductores en el futuro cercano.

Ley de Ohm
Se califica así a las conclusiones teórico prácticas logradas por Georg Simon Ohm en lo referente a la conductividad uniforme de la mayoría de resistores metálicos a condiciones ordinarias. Estas conclusiones se basan en un análisis de las redes cristalinas y movimiento de los electrones libres que lograrían una rapidez media constante en vez de ser acelerados por el campo eléctrico externo, esto gracias a los obstáculos (iones, impurezas, vacíos) que encuentran en su camino y que determinan una relación directamente proporcional entre la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica, veamos:

Experimentalmente se observa: (VAB) D.P. (I)

Es decir:
= constante = R

\ VAB = I.R

Todo conductor cuya resistencia eléctrica no cambia se denominará óhmico y la gráfica VAB – I es:

Observe que numéricamente:

tanq = R

Curva PB: Caracteriza el comportamiento de un conductor.
Curva PC: Caracteriza el comportamiento de un semiconductor.

Asociación de resistores

Esto obedece a muchas necesidades, tales como: dividir corrientes, regular voltajes, estabilizar térmicamente circuitos de gran consumo de corriente eléctrica, es decir para darles una mejor utilidad. En sus formas más simples pueden ser:
- Conexión en serie

Se utiliza en las máquinas y dispositivos de alto consumo de energía eléctrica, tal como sucede en las hornillas de una cocina industrial, los motores turbogeneradores, subestaciones de energía eléctrica y por supuesto, también puede aplicarse en diversos juegos de luces.

Circuito equivalente:

Características:

1. La intensidad de corriente eléctrica a través de todos los resistores es la misma.
I = i1 = i2 = i3

2. El voltaje de la fuente, es igual a la suma de los voltajes en cada resistor.
V = V1 + V2 + V3 ……. (*)

3. Resistor de resistencia eléctrica equivalente.
De la ley de Ohm:

V = I.R
En (*)

Req = R1 + R2 + R3

En general, para “n” resistores en serie:

Req = R1 + R2 + … + Rn

- Conexión en paralelo

Esta conexión es típica en las instalaciones de elementos que conducen poca corriente y requieren de un control independiente a pesar que son alimentados por la misma diferencia de potencial, tal es el caso de las instalaciones en nuestro domicilio.

Circuito equivalente:

Características:

1. La intensidad de corriente eléctrica (I) es igual a la suma de las intensidades de corriente eléctrica en cada resistor.
I = i1 + i2 + i3 …… (*)

2. El voltaje de la fuente es igual al voltaje en cada resistor.
V = V1 = V2 = V3

3. Resistor de resistencia eléctrica equivalente de la ley de Ohm:
I =
En (*):

luego:

En general, para “n” resistores en paralelo:

Req =
Instrumentos de medición
- Amperímetro: Es un instrumento que mide el valor de la intensidad de corriente eléctrica.

Para que el amperímetro influya lo menos posible en la intensidad de corriente que mide, su resistencia debe ser bien pequeña.
Si consideramos un amperímetro ideal su resistencia interna debe ser nula (ri = 0). Entonces no altera la intensidad de corriente que mide. Notar que el amperímetro se conecta en serie.
- Voltímetro: El voltímetro indica el valor absoluto de la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Para que no se altere esta parte del circuito, por el voltímetro no debe pasar corriente eléctrica, para ello debe tener una gran resistencia eléctrica.
Si consideramos el voltímetro ideal su resistencia se considera infinita (Rinterna ® ¥)

Trabajo y Potencia de la corriente

En el circuito eléctrico se produce una serie de transformaciones de energía. Los portadores de carga se mueven debido a un campo eléctrico, es decir el campo eléctrico realiza trabajo sobre las portadores de carga. Este trabajo se suele llamar trabajo de la corriente.

Consideremos una parte del circuito:

Sabemos:
= q.VAB
Además:
I =
Luego:
= IVABt

C.E.: Campo eléctrico

De acuerdo a la ley de conservación de energía, este trabajo debe ser igual a la variación de la energía del tramo del circuito considerado, por eso la energía desprendida en el tramo de circuito durante el tiempo “Dt” es igual al trabajo de la corriente.

Si en el tramo del circuito no se realiza trabajo, ni la corriente efectúa acciones químicas, sólo tiene lugar el calentamiento del conductor, el conductor caliente cede calor a los cuerpos que lo rodean.

Por conservación de la energía:
Wcorriente = Eeléctrica = Q(calor) =

Q = IVabt Joule
Q = 0,24 I Vat cal

La ley que determina la cantidad de calor que desprende un conductor con corriente la establecieron empíricamente, los científicos J. P. Joule (inglés) y E. Lenz (ruso). La ley de Joule – Lenz fue enunciada como sigue:
La cantidad de calor que desprende un conductor con corriente es igual al producto del cuadrado de la intensidad de la corriente por la resistencia del conductor y por el tiempo.

Q = I2Rt

Tener presente que esta ecuación es equivalente a la obtenida anteriormente.
Potencia eléctrica (P)

Todo aparato eléctrico, sea una lámpara, un motor eléctrico u otro cualquiera, está diseñado para consumir una energía determinada en la unidad de tiempo. Por eso, además del trabajo de la corriente tiene gran importancia el concepto de potencia de la corriente. El cual se determina como la razón del trabajo realizado por la corriente durante un tiempo “t”.
P =
Pero también:
 P = VI unidad (SI): watt(w)
Esta expresión se puede escribir en varias formas equivalentes:
P = IV = I2R =
En la mayoría de artefactos se indica la potencia que consumen.
PRIMERA PRACTICA
NIVEL 1 :
* En los siguientes circuitos, determine la intensidad de la corriente eléctrica.