Electrotecnia. Diferencia de potencial o voltaje. Campo eléctrico .

 

 

 

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Diferencia de potencial o voltaje
 


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Diferencia de potencial o voltaje

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.

Independientemente de la fuente de generación de electricidad que se utilice, el objetivo principal es disponer de algo que pueda mover los electrones por un circuito. Se necesita, por tanto, una «fuerza para mover los electrones», llamada normalmente fuerza electromotriz o f.e.m., y debe ser producida por el generador de electricidad que se utilice. Al igual que la diferencia de potencial, la f.e.m. se mide en voltios. El valor de la f.e.m. generada por cualquier dispositivo depende solamente de cómo se produzca. Cada tipo de fuente de generación de electricidad tiene su  f.e.m. característica

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.

Figura -Diferencia de potencial entre dos puntos.

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 (coulombs o culombios ) por un¡dad de carga :

 

En forma similar, el trabajo total realizado (en o por las cargas) es:

W (joules) = Q (coulombs) 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 = QE). 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. 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). 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. 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.

Sin embargo, en el caso de un circuito, las cargas se mueven continuamente por un camino cerrado, pasando a través de la fuente de generación de electricidad misma, independientemente de lo que haya conectado en el circuito. Se necesita, por supuesto, energía para poder realizar este movimiento y es la fuente la que proporciona esta energía. La f.e.m. se define como el trabajo que realiza la fuente por cada culombio que circula por todo el circuito completo.

Figura - f.e.m. de una bateria = W/Q para un circuito completo.

Ejemplos comparativos :

Una fem puede ser descrita como una consecuencia de las diferencias de carga, lás que se comportan como un resorte en tension. 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.

PROBLEMA 5. Si se realiza un trabajo de 80 joules para mover 16 coulombs de carga desde un punto a otro, en un campo eléctrico, ¿cuál es la diferencia de potencial entre los puntos?

PROBLEMA 6. La energía adquirida por un electrón que es acelerado una diferencia de potencial de 1 volt, se denomina "electrón-volt" . Si hay 6,28 X 1018 electrones en 1 coulomb de carga, ¿cuál es la cantidad de trabajo (energía) representado por 1 electronvolt (1 ev) ?

SOLUCIóN. La carga de 1 electrón es 1/6,28 x 1018 Coulomb.

PROBLEMA 7. ¿Qué trabajo se realiza para desplazar una carga de 30 coulombs entre dos puntos de un circuito eléctrico que posee una diferencia de potencial de 6 volts?

Solución , W = QE = 30 coulombs x 6 volts = 180 joules

PROBLEMA 8. Una carga + de 5000 coulombs realiza 600.000 joules de trabajo al pasar a través de un circuito externo desde el terminal + al - de una batería. ¿Cuál es la fem (voltaje) aplicada por la batería al circuito?

SOLUCIóN. La caída de potencial en el circuito externo es ,

 

La FEM de la batería = caída de potencial en el circuito = 120 Volts.

Problemas adicionales :

PROBLEMA 8a. Hallar la potencia que consume un receptor eléctrico si tiene una resistencia de 20 ohmios y circula una corriente de 5 A.

PROBLEMA 8b. Hallar la energía consumida por una plancha si está sometida a una tensión de 220 V y circula por la misma una corriente de 3 A durante un tiempo de 3 horas y media.

Puesto que la energía se mide en kW.h, la potencia se ha de expresar en kW y el tiempo en horas.

PROBLEMA 8c Hallar el tiempo necesario para calentar 100 litros de agua a una temperatura de 75 ºC con un calentador eléctrico de 1,5 kW de potencia. La temperatura inicial del agua es de 25 ºC.

Solución:

Primeramente hallaremos la energía calorífica necesaria:

  • Q - calor absorbido
  • c - calor específico del agua
  • m - masa del agua
  • t2 - temperatura superior
  • t1 - temperatura inferior

Nota: Si el calor se expresa en kcal, la potencia se debe expresar en kW y el tiempo en segundos.

PROBLEMA 8d. Hallar la sección de un conductor para que pueda transportar una carga de 2.200 W siendo la tensión de 220 V y la densidad de corriente de 1.5 A/mm2.

Solución: 6,66 mm2.

PROBLEMA 8e. Hallar la potencia que consume un motor si absorbe una corriente de 5 A y su devanado está formado por 5000 m de hilo de cobre de 1,5 mm2 de sección.

Solución: 1.500 W.

PROBLEMA 8f. Hallar la tensión a la que está conectada una lámpara si tiene una resistencia de 4.840 ohmios y consume una potencia de 10 W.

Solución: 220 V.

PROBLEMA 8g. Hallar el coste de la energía consumida en una vivienda durante 2 meses (1 mes = 30 días = 4 semanas), siendo el coste del kW. h de 14 pesos

Alumbrado 150 W 4 h/día
Lavadora 900 W 6 h/semana
Televisión 250 W 6 h, 30 min/día
Frigorífico 350 W 12 h/día
Pequeños electrodomésticos 300 W 4 h/semana

Solución: 6 136,2 pesos

Mas problemas con solución ...:

Hallar la energía consumida por un receptor conectado a una tensión de 220 V, si tiene una resistencia de 806 ohmios y está funcionando un tiempo de 2 h, 10 min, 300 s.

Solución: 0,135 kW. h.

Hallar el coeficiente de resistividad de un conductor si tiene una longitud de 1.000 m, una sección de 1 mm2 y transporta una potencia de 160 W a una tensión de 200 V.

Solución: 0,3025 Ω· mm2/m .

Hallar la potencia que consume un motor si la densidad de corriente del conductor es de 3 A/mm2 , tiene una sección de 6 mm2 y está formado por 13 333 m de hilo de cobre.

Solución: 12.239 W = 12,239 kW.

Hallar la resistencia de un receptor si ha consumido 3 kW. h durante un tiempo de 1800 s, conectado a una tensión de 220 V.

Solución: ≈ 8 Ω


 

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