Ciencias naturales básicas



Leyes de la electricidad: Ohm, Watt y Joule con ejercicios

Entre las leyes de la electricidad están: la ley de Ohm, la ley de Watt y la ley de Joule. Ellas son fundamentales para el estudio de la electricidad y sus aplicaciones.

Entendiendo por electricidad, al fenómeno físico que corresponde al flujo de electrones a través de un conductor y cuya energía se manifiesta por medio de otros fenómenos como luz, calor, movimiento, sonido, Etc.

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Ley de Ohm

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La figura 1, muestra un circuito eléctrico formado por una pila con un potencial (v) de 1.5 voltios, una resistencia (R) y una corriente (I) que fluye a través de los conductores (alambres).

Es quizá, la más popular de las leyes de la electricidad. La ley de Ohm se enuncia de la siguiente manera: La corriente (I) en amperios que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje e inversamente proporcional a la resistencia en ohmios. Esto quiere decir que la corriente aumenta, al aumentar el voltaje, pero disminuye, al aumentar la resistencia.

La ley de Ohm se expresa mediante la fórmula:

\[I={v\over R}\]

Fórmulas de la ley de Ohm

A continuación se muestran las fórmulas que se derivan de la ley de Ohm:

\[I={v\over R}\]

Esta fórmula permite calcular la corriente (I), dividiendo el voltaje (v), entre la resistencia (R).

\[v=I\times R\]

Esta expresión sirve para calcular el voltaje (v), multiplicando la corriente (I), por la resistencia (R).

\[R={v\over I}\]

Con esta fórmula se puede calcular la resistencia (R), dividiendo el voltaje (v), entre la corriente (I).

Ley de Joule o Efecto Joule

Toda corriente eléctrica, al recorrer un conductor de cualquier clase, genera un aumento de temperatura. A este fenómeno se le conoce como efecto Joule. Entre las leyes de la electricidad, esta es muy interesante por sus múltiples aplicaciones.

El efecto Joule es útil y aplicable en la construcción de estufas, hornos, secadores de pelo, planchas, calentadores, equipos de aire acondicionado y cualquier otro aparato eléctrico cuya utilidad sea liberar calor. Sin embargo, el efecto Joule es inconveniente en componentes electrónicos, como los procesadores de los computadores, algunos circuitos integrados y transistores, donde es necesario colocar piezas de metal llamadas disipadores acompañadas, en algunos casos, de ventiladores, con el fin de dispersar el calor liberado.

La cantidad de calor liberado por un circuito eléctrico, es la medida del trabajo realizado por dicho circuito. El trabajo se representa con la letra W, y se mide julios. El efecto Joule o ley de Joule, se enuncia de la siguiente manera: “El trabajo (W), realizado por un circuito es proporcional al cuadrado de la corriente (I2), a la resistencia (R) y al tiempo (t), que dura conectado el circuito”. Y se expresa mediante la fórmula:

\[W=I^2\times R\times t\]

Formulas de la ley de Joule

Con base en la ley de Ohm, se obtienen las fórmulas relacionadas a continuación:

\[W=I^2\times R\times t\]

La anterior fórmula permite calcular el trabajo (W), elevando la corriente (I) al cuadrado y multiplicándola por la resistencia (R) y el tiempo (t).

\[W={v^2\times t\over R}\]

Esta expresión sirve para calcular el trabajo (W), elevando el voltaje (v) al cuadrado, multiplicándolo por el tiempo (t) y dividiendo entre la resistencia (R).

\[W=I\times v\times t\]

Con esta fórmula se puede calcular el trabajo (W), multiplicando la corriente (I) por el voltaje (v) y por el tiempo (t).

Ley de Watt

La ley de Watt es fundamental entre las leyes de la electricidad. Permite calcular la potencia (P) de un circuito eléctrico. La potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. La fórmula de la potencia (P) es:

\[P={W\over t}\]

Donde W, es el trabajo y t, es el tiempo. La unidad de potencia es el watt o vatio.

En un aparato eléctrico o electrónico, la potencia indica el trabajo realizado por hora o la cantidad de energía transformada por hora. Una lámpara de 100 Watt, por ejemplo, transforma 100 julios de energía cada hora o realiza un trabajo de 100 julios cada hora.

Con base en la ley de Ohm, se obtienen las fórmulas para la potencia que se relacionan enseguida:

Fórmulas de la ley de Watt

\[P={W\over t}\]

Esta permite calcular la potencia (P), dividiendo el trabajo (W), entre el tiempo (t).

\[P=I^2\times R\]

La anterior fórmula sirve para calcular la potencia (P), elevando la corriente (I) al cuadrado y multiplicándola por la resistencia (R).

\[P={v^2\over R}\]

Esta expresión permite calcular la potencia (P), elevando el voltaje (v) al cuadrado y dividiendo entre la resistencia (R).

\[P=I\times v\]

Esta expresión permite calcular la potencia (P), multiplicando la corriente (I) por el voltaje (v)

Glosario básico, relacionado con las leyes de la electricidad

Conductor: Es cualquier material que transporte electricidad o calor. Un conductor eléctrico, puede ser metal, grafito, etc. Un material que no permite el paso de calor o electricidad es llamado aislante. Madera, caucho y porcelana son aislantes eléctricos.

Carga: Es una propiedad intrínseca de partículas subatómicas como los protones de carga positiva, y los electrones de carga negativa. Se manifiesta mediante atracciones y repulsiones cuando estas partículas interactúan. La unidad fundamental es el culombio (C).

Circuito: Dispositivo formado por baterías, conductores y resistores o cargas, que forman un lazo cerrado y ejecutan un trabajo manifestado en forma de luz, calor, sonido, movimiento, Etc.

Corriente: Es el flujo de carga por unidad de tiempo que pasa a través de un conductor. Se debe al movimiento de electrones dentro del conductor. La unidad fundamental es el amperio (I) y el instrumento con el cual se mide, es el amperímetro.

Potencia: Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, transfiere energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. La cantidad de energía transferida a un circuito por unidad de tiempo, se denomina potencia. Su unidad fundamental es el vatio o watt.

Resistencia: La resistencia eléctrica de un material, es la medida de su oposición al paso de corriente. Los materiales que oponen poca resistencia al paso de corriente, son conductores. La unidad fundamental de resistencia es el ohmio (Ω) y el instrumento para medirla es el ohmímetro.

Vatio: Es la unidad de potencia

Voltaje: Se le llama también potencial eléctrico. Es la medida del trabajo realizado por un campo eléctrico para mover una partícula cargada desde un punto a otro. Su unidad es el voltio (v) y el instrumento para medirlo es el voltímetro.

Taller de lectura

  1. ¿Qué se entiende por electricidad?
  2. Escriba el enunciado de la ley de Ohm.
  3. Copie, con su utilidad, las fórmulas de la ley de Ohm.
  4. ¿Qué se conoce como efecto Joule?
  5. Escriba 5 ejemplos de aplicación del efecto Joule.
  6. Escriba 3 ejemplos donde el efecto Joule es inconveniente.
  7. ¿Cómo se enuncia la ley de Joule?
  8. Copie, con su uso, las fórmulas de la ley de Joule.
  9. ¿Por qué las fórmulas de la ley de Joule son útiles para calcular tanto la energía como el trabajo en un circuito eléctrico?
  10. ¿Qué permite calcular la ley de Watt?
  11. ¿Cuáles son las unidades de potencia?
  12. Copie, con su uso, las fórmulas de la ley de Watt.
  13. Escriba la definición de los 8 términos del glosario.

Ejercicios de aplicación de las leyes de la electricidad

  1. De acuerdo con la ley de Ohm, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. Un circuito conectado a una fuente de 110 voltios, tiene resistencia interna de 2015 ohmios. Calcule la corriente que circula a través de él.
    2. A través de un circuito circula una corriente de 0.75 amperios. Si la resistencia del circuito es 450 ohmios ¿Cuál es el voltaje de la fuente a la cual está conectado?
    3. A través de un equipo conectado a una fuente de 220 voltios, circula una corriente de 4 amperios. ¿Cuál es la resistencia del equipo?
  2. De acuerdo con la ley de Joule, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. Calcule el trabajo de un circuito eléctrico cuya resistencia es 785 ohmios, si a través de él circula una corriente de 10 amperios y se mantiene conectado durante 0.5 horas.
    2. La resistencia de una ducha eléctrica es 8 ohmios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios durante 0.166 horas, ¿Cuál es el trabajo realizado?
    3. A través del cargador de un teléfono celular circula una corriente de 0.5 amperios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios, durante 4 horas ¿Cuál es el trabajo realizado al cargar la batería?
  3. De acuerdo con la ley de Watt, desarrolle los siguientes ejercicios:
    1. Calcule la potencia de un motor que realiza un trabajo de 400 Julios en 2 horas.
    2. ¿Cuál es la potencia de un circuito eléctrico cuya resistencia es 450 ohmios, si a través de él circula una corriente de 0.75 amperios?
    3. ¿Cuál es la potencia de un horno, cuya resistencia es 10 ohmios y está conectado a una fuente de 110 voltios?
    4. A través de un circuito, circula una corriente de 4 amperios. Si se conecta a una fuente de 110 voltios ¿Cuál es la potencia del aparato?