Potencia eléctrica, energía y calor

Leyes electricas

La electricidad se rige por leyes bien definidas. Las más fundamentales de estas son la ley de Ohm y la ley de Watt. El técnico de hoy debe comprender estas leyes para comprender completamente la teoría eléctrica.

La comprensión de la ley de Ohm es la clave para entender cómo funcionan los circuitos eléctricos. La ley de Ohm define la relación entre corriente, voltaje y resistencia. La ley establece que se necesita un voltio de tensión eléctrica para hacer circular un amperio de corriente eléctrica a través de un ohmio de resistencia eléctrica. Esta ley se puede expresar matemáticamente como:

1 Voltio = 1 Amperio × 1 Ohmio

Esta fórmula se expresa con mayor frecuencia como: E = I × R. Donde E representa la fuerza electromotriz (tensión o voltaje eléctrico), I representa la intensidad (corriente o amperios) y R representa la resistencia. Esta fórmula se usa a menudo para encontrar la cantidad de una característica eléctrica cuando se conocen las otras dos. Como ejemplo: si tenemos 2 amperios de corriente y 6 ohmios de resistencia en un circuito, debemos tener 12 voltios de tensión eléctrica.

E = 2 Amperios × 6 Ohmios    E = 2 × 6    E = 12 Voltios

Si conocemos el voltaje y la resistencia pero no la corriente de un circuito, podemos calcularlo rápidamente usando la ley de Ohm. Dado que E = I × R, sería lo mismo que E dividido por R. Proporcionemos algunos números a esto. Si tenemos un circuito de 12 voltios con 6 ohmios de resistencia, podemos determinar la cantidad de corriente de esta manera:

I = E/R ó 12 Voltios/6 ohmios, ó I = 2 amperios

La misma lógica se usa para calcular la resistencia cuando se conocen el voltaje y la corriente.

Fig 1. La fórmula matemática de la ley de Ohm usando un círculo para ayudar a entender las diferentes fórmulas que se pueden derivar de ella. Para exponer la fórmula a usar, cubra el valor desconocido.

Una manera fácil de recordar las fórmulas de la ley de Ohm es dibujar un círculo y dividirlo en tres partes, como se muestra en la figura 1. Simplemente cubra el valor que desea calcular. La fórmula que necesita usar es todo lo que se muestra.

Fig. 2 - Circuito de luz simplificado con resistencia en la lámpara de 3 ohmios.

Para mostrar con qué facilidad funciona esto, considere el circuito de 12 voltios de la figura 2. Este circuito contiene una bombilla de 3 ohmios. Para determinar la corriente en el circuito, cubra la I en el círculo para exponer la fórmula I = E/R. Luego inserte los números, I = 12/3. Por lo tanto, la corriente del circuito es de 4 amperios.

Fig. 3 - Circuito de lámpara simple para ayudar a comprender la ley de Ohm.

Para explorar más a fondo cómo funciona la ley de Ohm, consulte la Figura 3 de un circuito simple. Si el voltaje de la batería es de 12 voltios y el amperaje es de 24 amperios, la resistencia de la lámpara se puede determinar usando R = E/I. En este caso, la resistencia es de 0,5 Ω. Para otro ejemplo, si la resistencia de la bombilla es de 2 Ω y el amperaje es de 12 Amperios, entonces el voltaje se puede encontrar usando E = I × R. En este caso, el voltaje sería igual a 24 voltios. Ahora, si el circuito tuviera 12 voltios y la resistencia de la bombilla fuera de 2 Ω, entonces el amperaje podría determinarse por I = E/R. En este caso, el amperaje sería de 6 amperios.

La ley de Ohm es la ley básica de la electricidad. Establece que la cantidad de corriente en un circuito eléctrico es inversamente proporcional a la resistencia del circuito y es directamente proporcional al voltaje en el circuito. Por ejemplo, si la resistencia disminuye y el voltaje se mantiene constante, el amperaje aumentará. Si la resistencia se mantiene igual y el voltaje aumenta, el amperaje también aumentará.

Por ejemplo, consulte la Figura 4; en el lado izquierdo hay un circuito de 12 voltios con una bombilla de 3 ohmios. Este circuito tendrá 4 amperios de corriente fluyendo a través del mismo. Si se agrega una resistencia de 1 ohm al mismo circuito (como se muestra a la derecha en la Figura 4), la resistencia total ahora es de 4 ohmios. Debido al aumento de la resistencia, la corriente se redujo a 3 amperios. La bombilla se alimentará con menos corriente y será menos brillante de lo que era antes de agregar la resistencia adicional.

Otro punto a considerar es la caída de voltaje. Antes de agregar la resistencia de 1 ohm, la lámpara redujo el voltaje de la fuente (12 voltios). Con la resistencia adicional, la caída de voltaje de la lámpara se redujo a 9 voltios. Los 3 voltios restantes fueron eliminados por la resistencia de 1 ohm.

Esto se puede probar usando la ley de Ohm. Cuando la corriente del circuito era de 4 amperios, la lámpara tenía 3 ohmios de resistencia. Para encontrar la caída de voltaje, multiplicamos la corriente por la resistencia.

E = I × R ó E = 4 × 3 ó E = 12

Fig. 4- El circuito de iluminación de la Figura 4 se muestra con valores de circuito normales y con una resistencia de 1 Ω añadida en serie.

Cuando se agregó la resistencia adicional al circuito, la lámpara aún tenía 3 ohmios de resistencia, pero la corriente en el circuito disminuyó a 3 amperios. Nuevamente, la caída de voltaje se puede determinar multiplicando la corriente por la resistencia.

E = I × R ó E = 3 × 3 ó E = 9

La caída de voltaje de la resistencia adicional se calcula de la misma manera: E = I × R ó E × 3 voltios. La caída de voltaje total del circuito es la misma para ambos circuitos. Sin embargo, la caída de voltaje en la lámpara cambió. Esto también haría que la lámpara se atenuara.

La energía eléctrica o trabajo (W) consumida para mover una carga (Q) a través de una diferencia de potencial (E) está dada por W = E Q, donde W es en joules ( o julios ) , E es en volts ( o voltios ) y Q es en coulombs ( o culombios ) . Dado que la carga total (Q) es el producto de la corriente media entre I y el tiempo (t) de transferencia (Q = It) la energía puede expresarse como

W = E Q = EIt

Sustituyendo E = IR de la ley de Ohm, obtenemos para la energía

(trabajo) W = (IR) X I X t = I² Rt

donde W es en joules (también denominado watts-segundos), I es en amperes (o amperios), R es en ohms (u ohmios) y t es en segundos.
La circulación de electricidad a través de un conductor produce calor. Por el principio de la conservación de la energía, la energía eléctrica (W) consumida debe ser igual a la energía térmica producida, o sea

energía calorífica (en joules) = W = I² Rt = E It

Dado que el calor se mide generalmente en calorías y el equivalente eléctrico de 1 caloría = 4,18 joules (o 1 joule = 0,239 calorías) , la energía térmica (H) liberada, en calorías, está dada por

H (calorías) = 0,239 x energía térmica (en joules) = 0.239 I² Rt

La potencia eléctrica (P) disipada en un circuito de corriente contínua es la relacion de energía entregada ( por segundo) , o la relación de trabajo efectuado. Por lo tanto, la potencia es la energía (o trabajo) dividido por el tiempo, o sea

donde P es en watts ( o vatios ) , E es en volts, I en amperes, R en ohms y t en segundos. Sustituyendo en la ecuación por la ley de Ohm, I = E/R, obtenemos una tercera forma:

La unidad práctica (mks) de potencia es el watt.

1 watt = 1 Joule/segundo = 10⁷ ergs/segundo (sistema cgs)
1 kilowatt (1 Kw) = 1.000 watts = 1,34 caballo-vapor
1 caballo-vapor (HP) = 746 watts

Tema relacionado : Energía Eléctrica. Potencia. Fórmulas. Ejemplos

PROBLEMA 38. ¿Cuál es el calor total producído por una resistencia eléctrica que drena una corriente de 8 amps a 120 volts durante 10 minutos?

SOLUCIÓN. La energía calorífica (en joules) = E It = 120 volts x 8 amps x (10 x 60) seg = 576.000 joules
Energía térmica en calorías = 0,239 x energía térmica en joules = 0,239 x 576.000 joules = 137.664 calorías.

PROBLEMA 38a. La corriente que pasa por un resistor de 100 ohms en cierto circuito es 0.20 A. Encuéntrese la especificación de potencia del resistor.

Como se conocen I y R, se usa la ecuación P = I²R para encontrar P.

P = I²R = (0.20)²(100) - 0.04(100) = 4 W                     Respuesta

Para evitar que se queme un resistor la potencia nominal de cualquier resistor que se use en un circuito debe ser el doble del wattaje calculado mediante la ecuación de la potencia. Por consiguiente, el resistor usado en este circuito debe tener una potencia nominal de 8 W.

PROBLEMA 38b. En el circuito que se muestra en la figura siguiente, encuéntrese la potencia total P_T disipada por R1, y disipada por R₁ y por R₂

Paso 1. Encuénlrese I mediante la ley de Ohm.

Paso 2. Encuéntrese la potencia usada por R₁ y R₂

Paso 3. Encuéntrese la potencia total P_T sumando P₁ y P₂

P_T= P₁+ P₂= 80 + 160 = 240W                                   Respuesta

Un método alternativo es usar directamente la ecuación P_T = IV_T

                                                  Respuesta

Calculada en cualquiera de las dos maneras, la potencia total producida por la batería es 240 W y es igual a la potencia usada por la carga.

PROBLEMA 38c. Caídas de voltaje por partes proporcionales: En cada resistor de un circuito serie se produce una caída de voltaje Vigual a su parte proporcional del voltaje aplicado. Expresado como ecuación,

en la cual
V = voltaje en V
R = resistencia en Ω
R_T = resistencia total en Ω
R/R_T = parte proporcional de la resistencia
V_T = voltaje total en V

Un resistor R de mayor valor tiene una mayor caída de voltaje que un resistor más pequeño del mismo circuito serie. Los resistores iguales tienen caídas de voltaje iguales.

Ejemplo. El circuito (ver figura siguiente ) es un ejemplo de un divisor de voltaje proporcional. Encuéntrese la caída de voltaje en cada resistor por medio de las partes proporcionales.

Usando la ecuación,

escríbanse las formulas para cada resistor.

Encuéntrese R_T

R_T = R₁ + R₂ + R₃ = 20 + 30 + 50 = 100 kΩ

Sustitúyanse los valores.

La fórmula para el método proporcional se obtiene a partir de la ley de Ohm. Por ejemplo, súmense V₁, V₂ y V₃ para obtener

El segundo miembro de la ecuación se factoriza.

Usamos las relaciones

y sustituimos

Comprobación .

PROBLEMA 39. Un calefactor eléctrico que trabaja en 120 volts, está formado por dos resistencias de 30 ohms. Las resistencias se pueden conectar en serie o en paralelo. Determinar el calor (en calorías) desarrollado en cada caso durante 10 minutos (Fig. 1-11).

Fig. 1-11 . Ilustración del problema 39 .

SOLUCIÓN. Para la conexión serie, la resistencia total es 60 ohms.

(La conexión paralelo produce cuatro veces más calor que la conexión serie.)

PROBLEMA 39a. ¿Cuál es la velocidad de transferencia de energía, o sea, la potencia, que se transfiere cuando pasa una corriente de 5 A a través de una diferencia de potencial de 12 V?

Utilizando P = IE, Potencia = 5 x 12 W = 60 W.

PROBLEMA 39b. Una corriente eléctrica de 4 A circula a través de una resistencia de 20 Ω. ¿Cuál es la potencia?

Utilizando P = I² R, Potencia = 4² x 20 W = 320 W.

PROBLEMA 39c. En una resistencia de 10 Ω cae una diferencia de potencial de 100 V. ¿Cuál es la potencia?

Utilizando:

Potencia = 100²/10 W = 1000 W

Obsérvese la forma de hablar en estos ejemplos: la potencia es la velocidad de transferencia de energía, no la energía disipada, perdida o utilizada. Para que pase una corriente a través de una resistencia, la fuente debe convertir la energía con una velocidad o rapidez determinada, y la energía eléctrica se transforma en energía térmica puesto que la resistencia se calienta en el proceso. También es cierto que desde el punto de vista de la fuente, la energía se «pierde», pero esta energía no se destruye, sino que se transforma. La fuente debe funcionar de forma que suministre una cantidad determinada de energía en cada segundo.

PROBLEMA 39d. Una fuente tiene una resistencia interna de 12 Ω y hace que circule una corriente eléctrica de 10 A a través de una resistencia de 20 Ω. ¿Cuánta potencia suministra la fuente y qué proporción de la misma se emplea en calentar la resistencia externa? ( el circuito de la figura siguiente).

Utilizando P = I² R, para el circuito completo,

Potencia total = 10² X 32 W = 3.200 W

Utilizando P = I² R, para la resistencia externa,

Potencia disipada en la resistencia = 10² X 20 W = 2.000 W

La proporción de potencia empleada en calentar la resistencia será

PROBLEMA 39e. En el circuito de la figura siguiente, ¿qué potencia suministra la fuente a las resistencias externas? La resistencia equivalente externa, R, se calcula según:

Necesitamos conocer la corriente que circula por esta resistencia equivalente, o conocer la tensión o diferencia de potencial que cae en la misma; la intensidad de la corriente es más fácil de obtener:

donde r = resistencia interna de la fuente

Utilizando P = I² R, para las resistencias externas,

Potencia = 2² x 12 W = 48 W

En este caso hay que tener cudado si se utiliza la fórmula P = E²/R, puesto que en la resistencia externa no caen los 30 V de la f.e.m. de la fuente; cae una parte de la tensión en la resistencia interna, 6 V en este caso (E = Ir). Este ejemplo, con diversos valores, se puede utilizar para demostrar que la potencia cedida a la resistencia interna tiene el mismo valor que la resistencia externa. Esta conclusión es muy importante y se puede aplicar para cualquier fuente de tensión.

PROBLEMA 39f. Se compra una bombilla de 220 V, 100 W. ¿Qué resistencia tiene cuando se está utilizando y qué valor tiene la intensidad de la corriente que pasa por la misma?

Utilizando P = E²/R

100 = 220²/R
R = 220²/100 Ω = 484 Ω

Utilizando E = IR:

220 = I x 484
I = 220/484 A = 0,45 A

O utilizando P = IE:

100 = I x 220
I = 100/220 A = 0,45 A

La energia transformada por unidad de tiempo en un generador es igual a EI. Si E e I son del mismo sentido, se produce energía eléctrica a expensas de alguna otra forma de energia. Si E e I son de sentidos opuestos (fuerza contraelectromotriz) se produce alguna otra forma de energía a expensas de la energía eléctrica.

Ejemplo1: La figura sigueinte representa una batería y una resistencia en serie.

Figura Ejemplo1

La corriente en el circuito es:

El punto b está a un potencial superior al de a, y

Consideremos, en primer lugar, la parte de circuito encerrada en el rectángulo superior de trazos. El sentido de la corriente en él es de a hacia b. La potencia absorbida por esta porción será:

El signo menos significa que se trata en realidad de potencia suministrada por dicha porción de circuito. En el rectángulo inferior, el sentido de la corriente es de b hacia a. Por tanto,

y la potencia es cedida a esta parte del circuito. Como comprobación, puesto que la energía absorbida por la resistencia se convierte en calor,

La cantidad de calor producida por segundo en el generador resulta:

La potencia suministrada al exterior es, por tanto, 24 -2 = 22 W, como se había calculado previamente. En resumen: La batería convierte energía no eléctrica en energía eléctrica, en la proporción de 24 julios por segundo, o sea, 24 w. La cantidad de calor desarrollada por segundo en la batería es de 2 w. La cantidad de energía suministrada por segundo por la batería al resto del circuito es 24 - 2, o sea, 22 w. Esta energía se transforma en calor en la resístencia a razón de 22 julios por segundo, o sea, 22 w.

Ejemplo 2 :

La figura siguiente es el esquema de un motor shunt, siendo la rama superior el circuito del inducido y la inferior los arrollamientos de las bobinas que crean el campo. Cuando el motor está girando, el inducido desarrolla una fuerza contraelectromotriz. Si la corriente i de la linea es 5,5 A y Vab es 100 V, calcúlese la potencia mecánica que suministra el motor y su rendimiento.

Figura del Ejemplo 2;

Los arrollamientos de las bobinas que crean el campo son una resistencia pura. Por tanto,

Según la regla de los nudos,

i = i_a + i_f

5,5 = i_a + 0,5

i_a= 5,0 A.

Puesto que ε es una fuerza contraelectromotriz,

Vab = ε + i_ar = i_f x 200

100 = ε + 5 x 2

ε = 90V.

ε puede deducirse también de la regla de las mallas. Supongamos que su sentido es de a hacia b y consideremos como sentido positivo el de las agujas de un reloj.

Por tanto, el sentido verdadero es de b a a. Se tiene: Potencia absorbida por el motor completo:

Cantidad de calor disipada por segundo en las bobinas de campo:

Cantidad de calor disipada por segundo en el inducido:

Energia eléctrica transformada por segundo en energía mecánica:

Como comprobación.

50 + 50 + 450 = 550w.

Si no existe rozamiento mecánico en los cojinetes, ni pérdidas por ventilación, el motor suministra una potencia, en forma mecánica, de 450 w. Si hay rozamiento, una parte de los 450 w se pierde en forma de calor. Despreciando el rozamiento, el rendimiento del motor es:

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