Electricidad y circuitos
Electricidad y circuitos
Al terminar vas a poder aplicar la ley de Coulomb sabiendo por qué la distancia va al cuadrado, distinguir los cuatro tipos de material, usar la ley de Ohm, y explicar por qué las resistencias en serie se suman y en paralelo no.
En la prueba, este tema trae 8 preguntas.
Cómo se comportan las cargas
Dos cargas del mismo signo se repelen y dos de signo contrario se atraen. La carga se mide en culombios (C).
La diferencia con la gravedad: la fuerza eléctrica atrae o repele según los signos; la gravitatoria siempre atrae, porque no hay masa negativa.
La ley de Coulomb y por qué la distancia va al cuadrado
F = K · q₁ · q₂ ÷ r², con K = 9,0 × 10⁹ N·m²/C²
Tiene la misma forma que la ley de gravitación, y no por casualidad: las dos describen una influencia que sale de un punto y se reparte por el espacio. Se reparte sobre una esfera, y el área de una esfera crece con el cuadrado del radio: al doble de distancia hay cuatro veces más área, así que en cada punto queda la cuarta parte.
De ahí salen las preguntas de proporción que siempre caen: si una carga se triplica y la distancia no cambia, la fuerza se triplica, porque q₁ está multiplicando; si la distancia se duplica, la fuerza cae a la cuarta parte, porque r está al cuadrado y dividiendo.
El campo eléctrico en un punto es la fuerza por cada unidad de carga puesta ahí: E = F ÷ q, en N/C. Cuando la pregunta habla de «la fuerza por unidad de carga», está describiendo el campo eléctrico.
Los cuatro tipos de material
Lo que los ordena es qué tan libres están los electrones:
| Material | Electrones | Señal de la prueba |
|---|---|---|
| Conductor | muy libres | el cobre; con más temperatura baja la conductividad |
| Aislante | amarrados | gran oposición al paso de la corriente |
| Semiconductor | intermedios | base de la electrónica |
| Superconductor | sin oposición | al enfriarse mucho pierde toda su resistencia |
El conductor caliente se explica solo: los átomos vibran más y estorban el paso de los electrones. El superconductor es el extremo opuesto: bien enfriado, su resistencia se vuelve cero.
Corriente, resistencia y la ley de Ohm
- Corriente (I): la carga que pasa por unidad de tiempo, en amperios (A).
- Resistencia (R): la oposición a ese paso, en ohmios (Ω).
- Directa: siempre en el mismo sentido. Alterna: cambia de sentido periódicamente, y es la de la red doméstica.
Ley de Ohm: V = I · R
Leela así y no la vas a invertir: el voltaje empuja, la resistencia estorba, la corriente resulta.
- Con R constante, si V se duplica, I se duplica: empujás el doble, pasa el doble.
- Con V constante, si R se duplica, I se reduce a la mitad.
Por qué en serie se suman y en paralelo no
Este porqué decide media prueba, y sale de la ley de Ohm.
En serie hay un solo camino: la carga que entra por una resistencia tiene que salir por la siguiente, así que la corriente es la misma en todas. El voltaje de la fuente se reparte entre ellas:
V = V₁ + V₂ + V₃ = I · R₁ + I · R₂ + I · R₃ = I · (R₁ + R₂ + R₃)
Comparando con V = I · R queda R total = R₁ + R₂ + R₃: se suman porque comparten la corriente.
En paralelo cada resistencia tiene su propio camino entre los mismos dos puntos, así que el voltaje es el mismo en todas. Ahora lo que se reparte es la corriente:
I = I₁ + I₂ = V ÷ R₁ + V ÷ R₂ = V · (1 ÷ R₁ + 1 ÷ R₂)
Comparando con I = V ÷ R queda 1 ÷ R total = 1 ÷ R₁ + 1 ÷ R₂: se suman los inversos, porque lo que se suma de verdad son las corrientes.
Y por eso en paralelo la resistencia total queda menor que la más pequeña. Cada rama nueva es una salida más: solo puede aumentar la corriente total, y más corriente con el mismo voltaje significa menos resistencia.
Por eso las lámparas de una casa van en paralelo: cada una tiene su propio camino, y si una se quema las demás siguen encendidas.
Ejemplos resueltos
1. Dos cargas de −8,00 × 10⁻⁵ C y 6,00 × 10⁻⁷ C están separadas 3,80 × 10⁻³ m. ¿Cuál es la fuerza entre ellas? Numerador: 9,0 × 10⁹ N·m²/C² × 8,00 × 10⁻⁵ C × 6,00 × 10⁻⁷ C = 4,32 × 10⁻¹ N·m² Denominador: (3,80 × 10⁻³ m)² = 1,44 × 10⁻⁵ m² F = 4,32 × 10⁻¹ ÷ 1,44 × 10⁻⁵ = 3,0 × 10⁴ N, y como los signos son distintos, de atracción. Unidades: N·m²/C² × C × C ÷ m² deja N.
2. Tres resistencias de 5,0 Ω, 8,0 Ω y 4,0 Ω en serie, con una corriente de 5,0 A. ¿Cuál es el voltaje de la fuente? R total = 5,0 + 8,0 + 4,0 = 17 Ω, y V = 5,0 A × 17 Ω = 85 V Comprobación: los voltajes parciales son 25 V, 40 V y 20 V, y suman 85 V.
3. Dos resistencias de 10 Ω en paralelo con una fuente de 60 V. ¿Cuál es la corriente total? 1 ÷ R = 1 ÷ 10 + 1 ÷ 10 = 0,20, de donde R = 5,0 Ω I = 60 V ÷ 5,0 Ω = 12 A Comprobación por ramas: cada una lleva 60 ÷ 10 = 6,0 A, y 6,0 + 6,0 = 12 A. Quien suma las resistencias obtiene 3 A.
4. Por una resistencia de 15 Ω circulan 3,0 A. V = 3,0 A × 15 Ω = 45 V, porque A × Ω = V.
5. Se duplica la resistencia y el voltaje se deja igual. ¿Qué pasa con la corriente? Con V fijo, I y R son inversamente proporcionales: la corriente se reduce a la mitad.
Los errores que más se cobran
- Sumar las resistencias en paralelo. Lo que se suma ahí son las corrientes, y de eso salen los inversos.
- Darle a la serie las propiedades del paralelo. En serie se comparte la corriente; en paralelo, el voltaje.
- Olvidar el cuadrado de la distancia en Coulomb. Al doble de distancia la fuerza queda en la cuarta parte.
- Decir que la fuerza eléctrica solo atrae. La que solo atrae es la gravitatoria: no hay masa negativa.
- Confundir superconductor con conductor. El conductor opone poco; el superconductor no opone nada.
- Invertir la ley de Ohm. Si sube la resistencia con el voltaje fijo, la corriente baja.
Clave de análisis
Todo el tema se arma con dos preguntas: ¿quién empuja y por dónde pasa la carga? Empuja el voltaje, estorba la resistencia, resulta la corriente: eso es V = I · R, y con esa lectura no la despejás al revés.
La pregunta del camino resuelve los circuitos sin recordar reglas. Un solo camino obliga a la misma corriente, los voltajes se reparten, y al sacar I de factor común aparecen las resistencias sumadas. Varios caminos entre los mismos dos puntos obligan al mismo voltaje, las corrientes se reparten, y al sacar V de factor común aparecen los inversos. Si dudás en paralelo, usá el control: la resistencia total sale menor que la rama más pequeña. Y para las cargas, acordate de que la influencia se reparte sobre una esfera: por eso el r².