Calcular Para Metros De Circuitos Electricos

CONVENIO CYGA, SENA, ECOPETROL.

TITULACIÓN CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES, COMERCIALES Y RESIDENCIALES.

NORMA DECOMPETENCIA: 280101008 Analizar Circuitos Eléctricos De Acuerdo Con El Método Requerido

CODIGO ELEMENTO: 01 Calcular Parámetros De Circuitos Eléctricos.

INSTRUCTOR: JHON RODRÍGUEZ BALANTA

SESIÓN 2 PLAN DE MEJORAMIENTO (material de consulta)

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ESTRUCTURA DE ÁTOMO EL ATOMO DE BOHR. La materia está formada por moléculas, y estas a su vez, por átomos. El átomo es, por tanto, la parte más pequeña de la materia. Pero, ¿de qué está constituido el átomo? El modelo de Bohr nos da la siguiente explicación: Existen tres tipos de partículas subatómicas: El electrón, el protón, el neutrón. El electrón tiene una masa muy pequeña y una unidad de carga eléctrica, del tipo que llamamos negativa. El protón tiene una masa mucho mayor que el electrón, y también una unidad de carga eléctrica, pero del tipo que llamamos positiva. El neutrón no tiene carga eléctrica y posee una masa igual que la del protón. El átomo está formado por núcleo y corteza. En el núcleo se encuentran aglutinados protones y neutrones, en número diferente según el elemento de que se trate. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un solo protón. En cambio el sodio tiene once protones y doce neutrones. La corteza está formada por capas, en las cuales giran los electrones en órbitas circulares alrededor del núcleo.

FIG. 1.2 En cada capa hay uno o varios electrones. El número total de electrones de la corteza es igual al número de protones del núcleo, de tal manera que la carga eléctrica total de un átomo es nula. Número de cargas negativa "electrones" = número de cargas positivas "protones" Cuando un electrón salta de una capa a otra inferior, desprende energía radiante. Para que Recopiló, Lic Jhon Edilberto Rodríguez Balanta

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un electrón salte de una capa a otra superior, es preciso comunicarle energía exterior. IONES. Un átomo es, como se ha dicho, eléctricamente neutro. Ahora bien, debido a fuerzas externas, puede perder o ganar electrones procedentes de otros átomos. En el caso de que gane o acepte electrones, se queda con exceso de carga negativa (es decir tiene más electrones que protones), por el contrario, cuando pierde o cede electrones, se queda con exceso de carga positiva (tiene más protones que electrones). En ambos casos, dicho átomo con exceso de carga (positiva o negativa) se comportará como si fuera él mismo una carga susceptible de moverse, siendo atraído o repelido, según el caso, por otras cargas. Debido a esa capacidad de moverse que tiene ahora ese átomo cargado se le da el nombre de ión (viajero, en griego). El átomo que ha cedido electrones será pues un ión positivo o catión. El átomo que ha ganado electrones será pues un ión negativo o anión. El átomo que ha ganado electrones será pues un ión negativo o anión. NIVELES DE ENERGIA. En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas. En cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta. En efecto; en las capas muy próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente ligados. Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los electrones se encuentran débilmente ligados, por lo que resultará más fácil realizar intercambios electrónicos en las últimas capas. El hecho pues, de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de energía, nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética) en el que se encuentra cada uno de ellos. Las bandas que nos interesa a nosotros para entender mejor el comportamiento del átomo son: La Banda de Valencia y la Banda de Conducción.

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La Banda de Valencia es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas. El átomo de Sodio (Na) tiene 11 electrones, 2 en la primera capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera, y el Cloro (Cl) tiene 17 electrones, 2 en la primera, 8 en la segunda y 7 en la tercera. Debido a que todos los átomos tienden a tener 8 electrones en la última capa (regla del octete): el Sodio cederá 1 electrón al Cloro con lo que el primero se quedará con 8 electrones en su ahora última capa, en cambio el Cloro aceptará ese electrón pasando su última capa de tener 7 electrones a 8 Así pues. el átomo de Sodio que ha perdido un electrón se ha transformado en un ión positivo: Na -> Na+

Atomo de Sodio (Na)

Ión Sodio (Na+)

y el Cloro que lo ha ganado se transforma en un ión negativo: Cl -> Cl-

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La Banda de conducción es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por este formando una nube electrónica. Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente energía, bien sea eléctricamente, por temperatura, luz, etc. Puede (al ganar energía) saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido. ELECTRÓN, FLUJO DE ELECTRONES, AMPERIO Se denomina corriente eléctrica al paso de los electrones por un conductor de la corriente eléctrica (o semiconductor). Su unidad es el ampere (A) y "mide" la cantidad de electrones que atraviesan a un elemento en una unidad de tiempo. Para que pueda establecerse una corriente eléctrica tiene que existir algo que impulse a los electrones a circular de un lado a otro. CARGA ELÉCTRICA, CAMPO ELÉCTRICO Cargas eléctricas Colocados una sustancia falta de electrones frente a otra, también falta de electrones, se observa que ambas se alejan rápidamente. Por otro lado, si se enfrentan dos sustancias sobrantes de electrones, también ocurriría lo mismo. Es decir: dos cargas del mismo signo se repelen entre sí (figura 2)

Figura 2 Cargas de igual signo se repelen

Atomo de Cloro (Cl)

Ión Cloruro (Cl-)

Ambos se atraerán y formarán la molécula de Cloruro Sódico o Sal común (Cl Na)

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Un protón enfrentado a un electrón se atrae rápidamente, conclusión: Cargas del mismo signo se repelen, y cargas de distintos signos se atraen. (Figura 3).

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Nota: se entiende por cargas puntuales los cuerpos cargados, cuyas dimensiones son pequeñas en comparación con la distancia entre los mismos. De acuerdo con el enunciado de la ley de Coulomb, se tiene Figura 3 Cargas de distinto signo se atraen

Tanto el electrón, como el protón, tiene una propiedad especial desconocida, y que es intrínseca a la materia, a la que se denomina “Carga eléctrica” y que por su actuación, explicada anteriormente, la carga del Protón (+) es distinta del Electrón (-). Dada esta “propiedad especial e intrínseca de la materia”. En cuanto al comportamiento se llama de diferente manera: Protón: Tiene una Carga Eléctrica Positiva. Electrón: Posee una Carga Eléctrica Negativa. En el Núcleo Atómico, al haber más de una Carga Positiva, estas se repelerían. Esto no ocurre debido a la fuerza de carácter Nuclear (partículas subatómicas [neutrinos]) que anulan el carácter repulsivo de las cargas positivas. Ley de coulomb Entre dos cargas eléctricas existe fuerza de atracción o repulsión según si las cargas son de diferente signo o del mismo signo. La acción recíproca de las cargas se debe a que cada una crea en el espacio que rodea un campo electrostático, y este campo actúa sobre la carga con una fuerza determinada. El físico francés Charles Coulomb a finales del siglo XVIII hizo un estudio cuantitativo sobre dichas fuerzas, usando una balanza de torsión semejante a la utilizada por Cavendish para verificar la ley de gravitación universal de Newton. Después de varios experimentos llegó al enunciado denominado ley de Coulomb.

La fuerza (F) es mayor cuanto mayores sean las cargas q1 o q2 y disminuye cuando la separación (r) entre ellas aumenta. K es una constante de proporcionalidad, cuyo valor depende del medio en el cual se encuentran las cargas y del sistema de unidades escogido. Unidades de carga eléctrica 1. Sistema internacional (S.I) La unidad de carga eléctrica en el S.I es el coulomb (C) que se define como la carga que colocada a un metro de distancia de otra carga igual en el vacío, la repele con una fuerza de 9 x Newtons.

2. Sistema C.G.S La unidad de carga eléctrica es el statcoulomb (stc) que se define como la carga que colocada a 1cm de distancia de otra carga igual, repele a esta carga con la fuerza de 1 dina.

Unidades de la constante K 1. Sistema internacional S.I Sabiendo que la fuerza de repulsión entre dos cargas idénticas de 1C situadas en el vacío a una distancia de 1m es igual a 9 x N. Entonces:

2. Sistema C.G.S.

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Cuantización de la carga La carga de un cuerpo electrizado puede considerarse como un exceso de partículas electrizadas con un signo dado. Para que un cuerpo se electrice debe ganar o perder electrones. Un cuerpo cargado eléctricamente tiene un número entero de electrones en exceso o en defecto. Por esta razón se dice que la carga está cuantizada. Millikan demostró experimentalmente que la carga del electrón (e) es igual a . Campo eléctrico. Cuando un cuerpo está situado en el campo de gravitación terrestre se halla sometido a una fuerza (peso del cuerpo) ejercida por dicho campo. De la misma forma el campo eléctrico es una región del espacio perturbada por cargas en reposo. Dicha región ejerce fuerza sobre cualquier carga que a ella se lleve. Un campo eléctrico tiene como características importantes la dirección, el sentido y la intensidad. Duración y sentido de un campo eléctrico La dirección y sentido de un campo eléctrico en un punto se define como la dirección y sentido de la fuerza que se ejercería sobre una carga puntual y positiva (carga de prueba qo) situada en dicho punto. La figura muestra el vector E si la carga q que genera el campo es positiva. Si la carga q que genera el campo es negativa, el vector E apunta hacia la carga. .

Intensidad del campo eléctrico Para comprobar si en una región del espacio existe un campo eléctrico, utilizamos una carga qo de prueba. Si en dicha región esta carga experimenta una fuerza (F), se define el campo eléctrico (E) en tal punto como:

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La magnitud del vector E se denomina intensidad del campo eléctrico. Por definición, la dirección y el sentido de E son los mismos que los de la fuerza (F) que actúa sobre la carga de prueba (qo). La figura muestra el vector campo (E) apuntando hacia la derecha debido a que la carga qo queda sometida a una fuerza hacia la derecha. Podemos ver que si se conoce el campo eléctrico se puede determinar la fuerza eléctrica sobre una carga.

La figura muestra el vector campo (E) hacia la izquierda ya que la fuerza ejercida sobre la carga de prueba va dirigida en dicha dirección. Cálculo del campo eléctrico Encontraremos una expresión matemática para calcular el campo eléctrico en cada punto. Llamaremos (Q) la carga puntual que genera el campo y (r) la distancia entre la carga que genera el campo y el punto (P) donde se quiere determinar la intensidad del campo. Si suponemos la carga de prueba (qo) colocada en (P) ésta experimentará una fuerza (F) dada por: Se sabe que el valor del campo en P viene dado por:

Si la fuerza dada en la primera expresión se remplaza en la segunda se obtiene:

La anterior expresión sirve para calcular el campo eléctrico generado por Q a una distancia r de ésta. Se puede observar que el campo Recopiló, Lic Jhon Edilberto Rodríguez Balanta

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depende de la carga que lo genera y de la distancia de la carga al punto donde se calcula. Campo eléctrico generado por varias cargas Cuando el campo en un punto (P) es generado por varias cargas puntuales Q1, Q2, Q3… Qn, se determinarán los vectores , en dicho punto y luego se suman vectorialmente (ver Fig). El campo resultante (Er.) será:

Unidades de campo eléctrico 1. Sistema internacional (S.I) De acuerdo con la expresión

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líneas de fuerza. Una línea de fuerza es una línea que se traza en un campo eléctrico tangente al vector campo en cualquier punto. El campo es más intenso donde las líneas de fuerza están más próximas; y más débil donde están más separadas. La figura muestra las líneas de fuerza del campo de una carga puntual positiva. Si la carga puntual es negativa, las líneas de fuerza cambian de sentido. Se puede observar que las líneas de campo de la carga positiva divergen a partir de la carga, y en la carga negativa convergen hacia ella. A medida que nos alejemos de las cargas, la intensidad de campo va disminuyendo puesto que las líneas se van separando cada vez más. En la figura se representan las líneas de fuerza del campo generado por dos cargas puntuales de igual magnitud y de signos contrarios. CAMPO UNIFORME. Un campo uniforme es aquel en el cual el vector E en cualquier punto tiene la misma magnitud, dirección y sentido. Se puede obtener un campo uniforme al cargar dos placas planas paralelas con cargas iguales y contrarias y colocadas a una distancia muy pequeña una de otra (Fig.7.24). Las líneas de fuerza se caracterizan porque nunca se cortan entre sí y además se inician en cargas positivas y llegan a cargas negativas.

2. Sistema C.G.S

LÍNEAS DE FUERZA.

Una forma de representar el campo electrostático en forma gráfica es mediante las Recopiló, Lic Jhon Edilberto Rodríguez Balanta

CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES, AISLANTES. CONDUCTIVIDAD De lo anteriormente expuesto se concluye que hay sustancias que tienen más electrones en la Banda de Conducción que otras, o que en un mismo material, cuando las condiciones exteriores cambian, se comporta de diferente manera. Cada capa electrónica puede tener un número determinado de electrones. En el caso de la última capa, que es la que origina la valencia o conducción, este número es de ocho, y todos los átomos tienden a completar su última capa con ocho electrones (regla del octete). Por ejemplo, un átomo que tenga siete electrones en la última capa, tendrá fuerte tendencia a captar uno de algún otro átomo cercano, convirtiéndose en un anión. En cambio, un átomo que tenga sólo un electrón en su

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última capa, tendrá tendencia a perderlo, quedándose con los ocho de la penúltima capa, y convirtiéndose en un catión. Estas posibilidades dependen del tipo de átomo, es decir del tipo de sustancia (hay 103 átomos distintos conocidos), y dan lugar a las combinaciones químicas o a la conducción eléctrica. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conducción), capaces de desplazarse, se llama conductividad. Estos materiales serán capaces, baja la acción de fuerzas exteriores, de "conducir" la electricidad, ya que existe una carga eléctrica (los electrones) que pueden moverse en su interior. Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos: CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Buenos conductores son: la plata, el cobre, el aluminio, el estaño. Malos conductores son: el hierro, el plomo. AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster, el aire. SEMICONDUCTORES: Algunas sustancias son poco conductoras, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior: son los semiconductores, de gran importancia en la electrónica. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio. Hasta ahora se ha hablado de la conducción eléctrica por medio de electrones; no obstante, existe otro mecanismo de conducción, por medio de iones. Los gases y las disoluciones electrolíticas (disoluciones de sustancias iónicas, tales como ácidos, sales, álcalis) pueden conducir la electricidad por medio de Recopiló, Lic Jhon Edilberto Rodríguez Balanta

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iones. A este tipo de conductores, para distinguirlos de los metales, se les denomina conductores de segunda especie La electricidad tiene su origen en el movimiento de una pequeña partícula llamada electrón que forma parte del átomo. El átomo es la porción más pequeña de la materia y está compuesto por un núcleo donde se encuentran otras partículas, como los protones (con carga eléctrica positiva) y los neutrones (sin carga). Alrededor del núcleo giran en órbitas los electrones, que tienen carga negativa y hay tantos electrones como protones, por lo que el átomo se encuentra equilibrado eléctricamente. Un átomo puede tener muchos electrones, situados en órbitas que giran alrededor del núcleo. Hay fenómenos que consiguen arrancar electrones de las órbitas externas del átomo, quedando entonces deficitario de cargas negativas (el átomo se convierte así en un ion positivo). Al producirse el abandono de un electrón de su órbita queda en su lugar un “hueco” el cual atraerá a un electrón de un átomo contiguo, de este modo se desencadena una cascada de electrones arrancados de otros átomos contiguos para ir rellenando huecos sucesivos, y así se produce una circulación de electrones. La fuerza que obliga a los electrones a circular por un conductor depende de la diferencia de electrones existentes en los extremos de ese conductor. Si en un extremo se tienen muchos electrones mientras que en el otro apenas hay, aparecen aquí huecos, la tendencia natural es que se produzca una circulación de electrones hacia el extremo donde hay huecos, para alcanzar así un equilibrio. La diferencia existente en el número de electrones entre un extremo y otro, y que determina la “fuerza” con la que circulan, recibe el nombre de diferencia de tensión, lo que significa que cuanta mayor tensión exista en los extremos de un conductor mayor es también el número de electrones que hay dispuestos en un lado para desplazarse hacia el otro.

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BIBLIOGRAFÍA. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD, seat ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA, proyecto exedra, Oxford educación. INVESTIGUEMOS, Ricardo Ramirez S, Mauricio Villegas R, editorial voluntad 1989, pag 117-127.

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