Potencial Eléctrico Y Capacitación

Potencial eléctrico.

Se define como potencial eléctrico es el trabajo realizado en un punto específico por un campo electrostático, para poder trasladar una carga q positiva desde el punto de referencia mencionado, este se encuentra dividido por una carga de prueba.

Mas precisamente se puede definir lo anterior como el trabajo necesario de hacer por cierta fuerza externa para poder mover o atraer alguna carga unitaria q desde su punto de referencia hasta un punto determinado que se manifiesta en contra de la fuerza eléctrica, se debe considerar que el potencial eléctrico solo es válido en un campo estático creado por algunas cargas que pertenecen a una zona finita dentro de un espacio.

Pero cuando se hablan de cargas que presentan algún tipo de movimiento, se deberá referirse a los potenciales de Liénard-Wiechert con el cual de podrá expresar un campo electromagnético que también adhiere el efecto de retardo, esto debido a l hecho de que las perturbaciones de un campo eléctrico no pueden distribuirse con una velocidad mayor a la de la luz, por ejemplo si se tienen ciertas cargas fuera del campo, estas cargas tienen cero energía, de manera que su potencial eléctrico es igual al trabajo que e debe llevar a cabo para trasladar las carga desde fuera del campo hasta un punto determinado.

La unidad de potencial eléctrico en el sistema internacional es el volt (V), si se encuentra que cualquier punto en un campo eléctrico tienen un mismo potencial eléctrico, se dice que estos puntos forman una superficie equipotencial.

Esto es solo una pequeña introducción ya que después se verá potencial eléctrico más a fondo, si desea hacerlo en este momento, favor de irá al tema denominado Potencial eléctrico.

Capacitancia.

Se le denomina capacitancia a la capacidad presente en ciertos cuerpos para almacenar o mantener una carga eléctrica, además también es empleada como una medida de una cantidad de energía eléctrica que se encuentra almacenada en un potencial eléctrico definido, la capacitancia es relacionada directamente con el capacitor o también denominado condensador, debido a que este tiene la propiedad de almacenar energía.

Esta capacitancia presente en un capacitor o condensador, depende estrictamente de ciertas características físicas de este, tales como:

El capacitor tiene dos placas que están frente a frente, si el área de esta placas es grande, la capacitancia del condensador aumenta.
Si las placas antes mencionadas, si la distancia entre ellas incrementa, la capacitancia del condensador disminuye.
La capacitancia de un condensador o capacitor es afectada por el material dieléctrico que se encuentra la placas, algunos materiales dieléctricos aumentan la capacitancia otro la disminuye.
Por último si llegase a ver un aumento de voltaje, loricadamente, también aumenta la carga almacenada.

Entre más voltaje de le aplique a un capacitor, habrá un incremento en el voltaje entre sus placas, de forma que el aumento de la carga Q es proporcional al voltaje, donde se tiene una constante de proporcionalidad denominada capacitancia (C.), de manera que se tiene la siguiente expresión:

Despejamos la constante de proporcionalidad (capacitancia) y se tiene:

En el sistema internacional, la capacitancia tiene como unidad de medida el farad (F), o faradio, en homenaje al físico Michael Faraday.

Como información adicional, se debe tomar en cuenta que un capacitor (condenador) tendrá una faradio de capacitancia si cuando recibe una carga de un Coulomb, el voltaje del capacitos incrementa a un voltaje de un volt.

Casi la mayoría de las veces (en especial en electrónica), al ser el valor de a capacitancia muy grande, se utilizan submúltiplos del mismo valor, es decir:

Ejemplo.

Un condensador tiene una capacitancia de 5 uF, este condensador está conectado a una batería con un voltaje de 3 V. Determine la carga que almacena el capacitor.

Se utilizar la siguiente formula.

Protocolo de solución.

Solo sustituimos y resolvemos.

La carga almacenada en el capacitor es de 15 uC.

LEY DE OHM

La ley de Ohm dice que la intensidad de la corriente que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta constante es la conductancia eléctrica, que es la inversa de la resistencia eléctrica.

La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad específica de ciertos materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss, por ejemplo.

Introduccion[]

La ecuación matemática que describe esta relación es:

$I= {G} {V} = \frac{V}{R}$

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y Res la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.¹

Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.

Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen permanente (véase también «Circuito RLC» y «Régimen transitorio (electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura.

Explica]

Alcance

La ley de Ohm es una ley empírica, válida para muchos materiales en cierto rango de diferencias de potenciales. Empíricamente se ha observado que la ley de Ohm es válida en un amplio rango de escalas de longitud. A principios del siglo XX, se pensaba que la ley de Ohm debía fallar a escala atómica, pero los experimentos no han confirmado esta sospecha. En 2012, por ejemplo varios investigadores mostraron que la ley de Ohm es aplicable a cables de silicio formado por sólo un puñado cuatro átomos de ancho.

Sin embargo, no todos los materiales la obedecen, los materiales no óhmicos no la siguen, y enventualmente cualquier material sufre disrupción eléctrica para un campo eléctrico suficientemente grande, y en ese régimen la ley de Ohm no se cumple. Los materiales no óhmicos que no siguen la ley de Ohm tienen interés tecnológico para ciertas aplicaciones de ingeniería electrónica.

CONEXIÓN SERIE Y PARALELO

Conexiones paralelo y serie: descripción y cálculos

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Con mucha frecuencia se repiten en el foro las mismas preguntas respecto al cálculo de impedancias. Intentaremos en esta referencia explicarlo de la forma más sencilla posible, además de describir cada tipo de conexión.

Puesto que la impedancia es diferente para cada frecuencia, lo que se calcula es la impedancia nominal, o mínima o a una frecuencia concreta.

Para calcular una curva de impedancia concreta habría que calcular la impedancia resultante para cada frecuencia. La resistencia se calcula igual que la impedancia (de hecho podríamos decir que la resistencia es la impedancia para una frecuencia cero). El cálculo es válido para cualquier tipo de impedancias, sea de equipamiento electrónico o altavoces. Al pie de este documento se encuentra un enlace a un artículo educativo sobre la impedancia de los altavoces.

Existen dos formas básicas de conexión de cargas, serie y paralelo, con sus respectivo métodos de cálculo. También podemos combinar ambos tipos de conexiones en una conexión "serie-paralelo".

Conexión en serie

La ilustración siguiente muestra la conexión en serie de un grupo de altavoces a un canal de un amplificador de potencia:

Z₁representa la primera carga y Z_n la última (enésima) de un grupo de n altavoces. Los puntos suspensivos denotan que la conexión se puede hacer con cualquier número de cajas. La corriente que pasa por cada altavoz es la misma.

La conexión en serie tiene algunas desventajas. La principal es que si una de las cargas falla (el altavoz se quema y queda como un circuito abierto o simplemente un conector se suelta), todos los elementos de la serie quedan sin señal. La otra hace relación a un concepto más difuso: el factor de amortiguamiento (al pie de este documento se ofrece un enlace a un documento educativo a este respecto). La conexión en serie hace que el factor de amortiguamiento tienda a 1, ya que los altavoces que hay en serie con un altavoz dado funcionan como impedancia en serie, y por tanto como si fueran un cable que aporta gran cantidad de impedancia. Por ello las conexiones en serie suelen circunscribirse a las aplicaciones de megafonía (perifoneo) o música de fondo cuando se trata de señales de gama completa, ya que las bajas frecuencias carecen de "agarre". En frecuencias medias y agudas, se aceptan las conexiones en serie ya que en estas gamas de frecuencias el factor de amortiguamiento no afecta a la calidad del sonido, y por ello encontramos cajas acústicas comerciales donde varios componentes dentro de la misma vía de medios o agudos están conectados en serie. Desde un punto de vista práctico, la conexiones en serie son engorrosas de realizar cuando se utilizan cajas acústicas con conector de entrada en aplicaciones portátiles, puesto que no se pueden utilizar cables de puenteo para llevar la señal de una caja a otra, siendo más sencillas de aplicar cuando se usan en aplicaciones con conexiones fijas.

El cálculo de la impedancia en serie es extremadamente sencillo, ya que solamente hay que sumar las impedancias (o resistencias, si queremos calcular el valor de la resistencia total):

Z_total = Z₁ + Z₂ + Z₃ .... + Z_n

Por ejemplo, si tuviésemos cuatro altavoces de 2 ohmios conectados en serie, la impedancia total sería de 8 Ohmios (2+2+2+2). En este ejemplo el amplificador entregaría su potencia especificada por canal a 8 ohmios, que se repartiría igualmente a cada componente. Por ejemplo, si el amplificador especifica 1000W por canal a 8 ohmios, cada uno de los cuatro componentes recibe 250W. El reparto de potencia es equitativo en este ejemplo ya que todos los elementos en serie tienen la misma impedancia.

(NOTA: Si las impedancias fueran diferentes, el cálculo de la potencia recibida sería más complejo, siendo la potencia recibida por cada elemento proporcional a su impedancia y por ello estaríamos ante una conexión poco práctica).

Conexión en paralelo

La conexión en paralelo es la más habitual para cajas acústicas, particularmente si son de uso portátil (conectando un cable de puenteo en el conector al efecto siempre habilitará una conexión en paralelo).

La ilustración siguiente muestra la conexión en paralelo de un grupo de altavoces:

Z₁representa la primera carga y Z_n la última (enésima) de un grupo de n altavoces. Los puntos suspensivos denotan que la conexión se puede hacer con cualquier número de cajas. El voltaje que llega a cada altavoz es el mismo.

El cálculo de la impedancia total en la conexión en paralelo viene dado por:

1 1 1 1 1

---- = --- + --- + --- .... + ---

Z_total Z₁ Z₂ Z₃ Z_n

Por ejemplo, si tuviésemos dos impedancias de 8 ohmios y otras dos de 4 ohmios tendríamos: que 1/Z_total = 1/8+1/8+1/4+1/4 = 1/8+1/8+2/8+2/8= 6/8 y por lo tanto, dando la vuelta a la expresión Z_total = 8/6, es decir 1.25 ohmios.

Cuando todos los elementos tienen la misma impedancia, la fórmula se simplifica mucho, siendo sencillamente la impedancia del altavoz individual dividido por el número de altavoces:

Z

Z_total = ---

n

Por ejemplo, si tuviésemos cuatro altavoces de 8 ohmios conectados en paralelo, la impedancia total sería de 2 Ohmios (8/4=2). Siguendo con este ejemplo, el amplificador entregaría su potencia por canal especificada a 2 ohmios, que se repartiría igualmente a cada componente. Por ejemplo, si el amplificador especifica 1000W por canal a 2 ohmios, cada uno de los cuatro componentes recibe 250W. El reparto de potencia es equitativo puesto que todos los elementos en paralelo tienen la misma impedancia.

NOTA: No es habitual conectar altavoces de impedancias diferentes en paralelo porque se hace difícil cuadrar la potencia que recibe cada elemento en relación a su potencia admisible. Por ejemplo, si conectásemos en paralelo una caja acústica de 8 ohmios con otra de 4 ohmios, la de 4 ohmios recibiría el doble de potencia que la de 8 ohmios y por tanto debería tener el doble de potencia admisible, de forma que cuadrasen los niveles de potencia.

Conexión en serie-paralelo

Si combinamos conexiones en serie con otras en paralelo tenemos la llamada conexión "serie-paralelo". Normalmente se utiliza para sistemas de megafonía o música ambiental cuando tenemos un número de altavoces que queremos conectar a un amplificador y ni la conexión serie ni la conexión paralelo nos dan una impedancia total que encaje con nuestras necesidades. Para calcular la impedancia resultante, se agrupan los altavoces conectados en serie entre sí, y se calcula luego la suma en paralelo de todas esas impedancias.

En la ilustración se ve más sencillo. Tenemos pares de altavoces de 8 Ω (ocho ohmios) conectados en serie. Los pares están conectados entre sí en paralelo. Calculamos las impedancias totales de cada par de altavoces, que, puesto que están en serie, supone sólo sumar 8+8 ohmios, dando un total de 16 ohmios por par. Luego sólo queda calcular tres impedancias de 16 ohmios en paralelo, que es sencillamente 16/3 (o sea, 5,33 ohmios) siguiendo la fórmula vista anteriormente.

Este tipo de conexión comparte las desventajas de la conexión en serie, con la particularidad de que si un altavoz se desconecta o quema (quedando en abierto), sólo los elementos conectados en serie a éste quedarían también sin señal. Para las aplicaciones para las que se usarían conexiones serie-paralelo de altavoces, un sistema de altavoces con transformador de entrada (línea de 70 o 100V) constituye una alternativa que nos permite una sencilla conexión en paralelo.

Suma de impedancias entre componentes de cajas acústicas

En una caja acústica con filtro divisor (crossover) pasivo, aunque las diferentes vías están en paralelo, no hay que usar la fórmula de suma de impedancias para calcular la impedancia total de las cajas. Esto se produce porque hay separación de impedancias, por lo que podemos considerar que cada la impedancia de cada vía es independiente de las demás. Esto sucede porque el filtro divisor lo que hace es aumentar la impedancia fuera de la banda del componente. Por ejemplo, en bajos la impedancia de la combinación motor de agudos+filtro hace que el valor de la impedancia en esas frecuencias sea muy alto, y por lo tanto despreciable.

CORRIENTE ALTERNA Y DIRECTA

La corriente eléctrica puede ser cd o ca. Con cd denotamos la corriente directa, que implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola dirección. Una batería produce corriente directa en un circuito porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven siempre en el circuito en la misma dirección: del borne negativo que los repele al borne positivo que los atrae. Aún si la corriente se mueve en pulsaciones irregulares, en tanto lo haga en una sola dirección es cd.
La corriente alterna (ca) se comporta como su nombre lo indica. Los electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido opuesto, con un movimiento de vaivén en torno a posiciones relativamente fijas. Esto se consigue alternando la polaridad del voltaje del generador o de otra fuente.
La popularidad de que goza la ca proviene del hecho de que la energía eléctrica en forma de ca se puede transmitir a grandes distancias por medio de fáciles elevaciones de voltaje que reducen las pérdidas de calor en los cables.
La aplicación principal de la corriente eléctrica, ya sea cd o ca, es la transmisión de energía en forma silenciosa, flexible y conveniente de un lugar a otro.

Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación sinusoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

Forma sinusoidal.

Corriente alterna frente a corriente continua

La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. En el caso de la corriente continua, la elevación de la tensión se logra conectando dínamos en serie, lo que no es muy práctico; al contrario, en corriente alterna se cuenta con un dispositivo: el transformador, que permite elevar la tensión de una forma eficiente.

La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, mediante un transformador se puede elevar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Con esto la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto Jouley otros efectos asociados al paso de corriente, tales como la histéresis o las corrientes de Foucault. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso industrial o doméstico y comercial de forma cómoda y segura.