UNIDAD 3 TEORICA 2017

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Física y Química para Ciencias de la Salud

Unidad 3 Electricidad. Conceptos básicos. Fenómenos electrostáticos. Interacción entre cargas. Campo eléctrico. Potencial eléctrico. Ley de Coulomb. Corriente eléctrica. Ley de Ohm. Resistencia eléctrica. Circuito eléctrico. Potencia y energía eléctrica. Ley de Joule. Electricidad La electricidad está presente en nuestra vida cotidiana, hemos aprendido a crearla y canalizarla para su utilización en infinidad de aparatos y dispositivos que utilizamos a diario. Como vimos, es una forma de energía, puede manifestarse de forma natural en las tormentas eléctricas, con la aparición de rayos y relámpagos, con transferencia energética entre la atmósfera y la superficie del planeta que provoca una descarga de electricidad en forma de rayo. En el funcionamiento biológico, aparece en algo tan sutil como la transmisión que realizan algunas de nuestras neuronas (Figura 1).

Esquema de una sinapsis eléctrica A-B: (1) mitocondria; (2) uniones gap formadas por conexinas; (3) señal eléctrica.

Figura.1: Fenómenos http://commons.wikimedia.org/wiki/Synapse

eléctricos

naturales

La electricidad es un conjunto de fenómenos físicos que se manifiesta a través de la atracción o rechazo que ejercen entre sí diferentes partes de la materia. El origen de este fenómeno es debido a la presencia en la materia de componentes con carga negativa y otros con carga positiva. Comenzaremos por conocer las cargas eléctricas en la materia. La materia se encuentra formada por átomos que componen las moléculas y una de sus propiedades es la carga eléctrica que se manifiesta con fuerzas de repulsión y atracción. El átomo está formado por electrones con carga negativa, protones con carga positiva y neutrones que no poseen carga. Los átomos están formados por el mismo número de protones y de electrones, como consecuencia las cargas opuestas están equiparadas y el átomo, como resultado, es una partícula de carga neta cero o neutra.

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Unidad 3 La interacción entre partículas cargadas siempre va a tener como resultado que: cargas iguales se repelen y las opuestas se atraen como se representa en la fig. 2: Figura 2 .Las flechas nos muestran las interacciones entre las distintas cargas. Las opuestas se atraen y las iguales se repelen

http://es.wikipedia.org/ El investigador que dedujo estas interacciones fue Coulomb y en su honor la carga q se expresa en culombios, para un electrón es igual a -1.6022×10−19 culombios y el del protón es igual a +1.6022×10−19 culombios, observen el signo que antecede a estas medidas y que resultan iguales y opuestos. Entonces las cargas se anulan y el átomo finalmente es neutro. Pero los átomos interactúan químicamente entre ellos y como consecuencia se forman partículas cargadas por ganar o perder electrones, estas partículas reciben el nombre de iones y su presencia en nuestro organismo explica el ejemplo de la sinapsis eléctrica, pero no es un fenómeno único hay muchos procesos en los seres vivos que involucran a los iones. Para comprender los conceptos básicos de la estructura atómica deberán tener en cuenta:  La estructura de cualquier átomo consiste en un núcleo con carga positiva rodeado por electrones con carga negativa.  Los electrones son idénticos sin importar a que átomo pertenece, poseen la misma masa y la misma carga eléctrica.  El núcleo está formado por protones y neutrones, con excepción del hidrógeno que solo tiene un protón.  Los protones como vimos tienen carga positiva, de igual magnitud y de signo contrario que la de los electrones.  Los átomos tienen carga neta cero porque poseen el mismo número de protones que de electrones, las cargas opuestas se neutralizan.  Los neutrones no tienen carga eléctrica.  La masa del protón y del neutrón son semejantes y unas 1800 veces mayor que la masa del electrón. Curiosidad: En nuestros tiempos la energía eléctrica es prácticamente indispensable y su consumo masivo de manera cotidiana causa daños en nuestro medio ambiente. La energía eléctrica que se obtiene a partir de la energía hídrica con la utilización de agua, tiene el inconveniente que luego del proceso de obtención, el agua ya no sirve para consumo.

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Unidad 3 Por este motivo se están desarrollando nuevas tecnologías con el fin de generar energía eléctrica menos nociva para el planeta, utilizando otras fuentes naturales. La utilización de energía solar mediante paneles es un ejemplo, del mismo modo que el aprovechamiento de la energía eólica en determinadas geografías. Fenómenos electrostáticos La composición de los distintos materiales les confiere propiedades particulares en su comportamiento eléctrico. Si frotamos un plástico con lana esto produce un pasaje de electrones entre los materiales y la acumulación de carga eléctrica en los objetos, produciendo efectos de atracción y repulsión entre ellos. A veces este fenómeno llega a producir chispas visibles en la oscuridad como el rozamiento de frazadas o prendas con alto contenido de materiales sintéticos y llegamos a sentir la descarga en forma de pinchazos en nuestro cuerpo, fenómeno que se acrecienta con bajos niveles de humedad ambiente porque el agua ambiental logra disipar en parte ese fenómeno. Experimento con electricidad estática + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Frotar un globo con una tela de lana o nylon durante unos diez segundos, acercar el globo a una pared y al soltarlo quedará temporalmente pegado debido a la electricidad estática generada por el frotamiento. El globo se carga negativamente, entonces polariza los átomos de la pared con cargas positivas y por eso se produce la atracción

Cuando uno de los objetos recibe los electrones del otro objeto, se carga negativamente y el objeto que cede los electrones quedará cargado positivamente. Figura 3: Estos objetos cargados se comportan como ya expresamos: los opuestos se atraen y los de igual carga se repelen.

Otro factor importante de estas interacciones es la distancia entre pared las cargas, a medida que la distancia aumenta disminuye la interacción, esta relación la veremos más adelante con la ley de Coulomb. Carga por inducción Se puede producir transferencia de cargas entre objetos que no están en contacto directo, este fenómeno recibe el nombre de carga por inducción. En las tormentas eléctricas se produce este fenómeno, las nubes con cargas negativas en su parte inferior, inducen cargas positivas en la superficie terrestre y se produce la descarga en forma de rayo. Esto ocurre hasta que se produce una descarga de energía eléctrica en forma de rayo con electricidad y luz

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Unidad 3 Benjamín Franklin demostró el origen eléctrico de los rayos y diseñó el primer pararrayos, porque observó que la carga pasa con facilidad hacia puntas metálicas afiladas o desde ellas, la punta del pararrayos atrae a electrones del aire, descargando a tierra, evitando que se acumule una gran carga positiva por inducción, impidiendo la descarga súbita ante cargas acumuladas. Resistividad y Conductividad Se denomina conductividad eléctrica a la capacidad que posee un determinado material para dejar circular la corriente eléctrica a través de su superficie, pero tenemos que tener en cuenta que la conductividad depende del material, de su estructura atómica y molecular, por ejemplo: los metales son muy buenos conductores de la corriente eléctrica. Los metales poseen una estructura con una gran cantidad de electrones con capacidad de movimiento, por este motivo son buenos conductores, mientras que cuando hablamos de resistividad es cuando los electrones se resisten al movimiento de la corriente y por lo tanto, esos materiales no permiten la circulación de la corriente eléctrica. Los distintos materiales según la capacidad de permitir la transmisión o no de la corriente eléctrica se clasifican en conductores o aislantes. Los conductores eléctricos Los conductores eléctricos son materiales que cuando están en contacto con un cuerpo cargado de electricidad permiten que la energía fluya a través de él, ofreciendo muy poca resistencia al movimiento de cargas. En la figura 4 podemos observar un cable donde el conductor es el alambre de cobre y el aislante su recubrimiento. Figura 4 http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

Curiosidad: Para el transporte de energía eléctrica en el hogar o en la industria, el conductor utilizado es el cable de cobre, si bien la plata es mejor conductor, por su elevado precio no se lo suele utilizar. Mientras que el aluminio, que es 3 veces más ligero se emplea en aviones y no se usa en la transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Los mejores conductores eléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierro, y el aluminio y sus aleaciones, esto se debe a que los electrones más alejados de los núcleos atómicos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que conducirán la carga eléctrica.

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Unidad 3 Los metales son excelentes conductores de la corriente eléctrica por el mismo motivo que son buenos conductores de calor: los electrones de su capa atómica externa están relativamente sueltos. Existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las soluciones salinas. Ej.: el agua de mar o los fluidos de nuestro organismo. Los fluidos de los seres vivos son soluciones iónicas que son buenas conductoras, cuando el cloruro de sodio (NaCl) esta disuelto en agua cada átomo de sodio (Na) pierde un electrón y se forma un ion de sodio con carga positiva y cada cloro (Cl) gana el electrón que perdió el sodio, convirtiéndose en una partícula negativa. Ambas cargas pueden moverse libremente por la solución y por tanto conducen la energía eléctrica. Las soluciones iónicas representan el mecanismo dominante en la conducción eléctrica de los sistemas vivos. Los aislantes eléctricos Cuando hablamos de materiales aislantes o dieléctricos tenemos que tener en cuenta que sus electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos, por lo tanto, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Cuando depositamos una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente, como sucede con el vidrio y los plásticos. Materiales conductores Plata Cobre Oro Aluminio Latón Zinc Cobalto Níquel Hierro Acero Platino Estaño Plomo

Materiales malos conductores Magnesio Cuarzo Grafito Madera seca Carbón

Los materiales conductores pertenecen todos a la categoría de metales mientras los aislantes no lo son

Los semiconductores son de gran importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos, su comportamiento es variable, se comportan como conductores o como aislantes bajo la acción de distintos factores como radiación que incide sobre ellos, presión, campo eléctrico o magnético o la temperatura ambiente. El silicio y el germanio, que no son buenos conductores ni buenos aislantes y en el intervalo de resistividades eléctricas los podríamos ubicar en un punto intermedio, son regulares aislantes cuando se encuentran en su forma cristalina pura, y son excelentes conductores cuando uno de sus átomos es reemplazado por cualquier otro, con solo una impureza que agregue o quite un electrón a la estructura cristalina.

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Unidad 3 Los transistores están formados con delgadas capas de materiales semiconductores que cumplen la función de controlar el flujo de corriente en los circuitos, detectar y amplificar señales de radio y funcionan como interruptores digitales. Por último, están los superconductores, estos materiales, en condiciones específicas, tienen la capacidad de conducir la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía. Los equipos de diagnóstico para resonancia magnética nuclear usan imanes superconductores en su funcionamiento.

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El agua de mar es salada debido a su concentración de cloruro de sodio, entre otros iones, como esos iones pueden moverse libremente el agua de mar es un excelente conductor de la electricidad. El agua potable contiene iones suficientes como para conducir la electricidad y nunca deben usarse artefactos eléctricos cerca de una canilla. Sin embargo, el agua pura, totalmente destilada no es un buen conductor porque son moléculas de agua sin iones.

CORRIENTE ELECTRICA (o intensidad eléctrica) La corriente eléctrica es el flujo de cargas eléctricas en el interior de un material por unidad de tiempo. El movimiento de cargas es representada generalmente por electrones. La corriente eléctrica es el movimiento neto de cargas eléctricas en una dirección.

Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal de un alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente (I), a través del alambre es igual a la carga (q) sobre el tiempo (t). I= q/t

La carga eléctrica q se mide en culombios y el tiempo en segundos La unidad de medida de la intensidad, es el Amperio (A) que es igual a Culombios (C) sobre segundos (s). A = C/s

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Unidad 3

figura 5 La corriente eléctrica está definida por convenio en dirección contraria al desplazamiento deCampo los electrones

eléctrico http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Direzione_convenzionale_della_corrente_elettrica.svg

Una partícula cargada va a generar un campo de fuerzas a su alrededor y se lo llama campo eléctrico, esas fuerzas interactúan con las partículas que se encuentren en su radio de acción. Es similar a un campo gravitatorio, con la salvedad que las fuerzas gravitatorias son de atracción y en este caso pueden ser de atracción o repulsión de acuerdo a las cargas de las partículas que interaccionan, o que se encuentren en el radio de acción. Por ejemplo un satélite se mantiene en una órbita por acción de la fuerza gravitacional del planeta, en cambio una fuerza eléctrica mantiene al electrón en órbita en torno al protón, en ambos casos, sin existir contacto entre los cuerpos. Los cuerpos en órbita interaccionan con campos de fuerzas, en un caso gravitacional y en el otro eléctrico. La fuerza que un cuerpo con carga eléctrica ejerce sobre otro se puede describir como una interacción de un cuerpo y el campo debido al otro. Como pueden observar en la figura 6: si tenemos una sola carga y es positiva entonces el campo eléctrico es radial y saliendo de esa carga hacia afuera. En caso contrario si la carga fuera negativa será radial y hacia adentro. Estas cargas no están interaccionando, se encuentran fuera del rango de acción del campo eléctrico de la otra. Observamos que a medida que se alejan de la carga disminuye la densidad de las líneas de fuerza.

figura 6 Cargas independientes, sin interacción entre ellas

http://www.fisicapractica.com/campo-electrico.php

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Unidad 3 cuando estamos en presencia de una sola carga, sin

Hemos analizado interacciones. ¿Qué sucede cuando tenemos dos cargas y de signo opuesto, interaccionando?

Las líneas de campo eléctrico están distorsionadas respecto a la forma radial que presentaban las cargas aisladas, la distorsión es máxima en la zona central que corresponde con la región más cercana a ambas

Figura 7

http://www-fen.upc.es/wfib/virtualab/marco/conocimi.htm

Como podemos observar, en la figura 7, el sentido de las líneas de fuerza es desde la carga positiva a la carga negativa, la distribución de entrada y salida, es simétrica y el número de líneas es proporcional a la carga de la partícula. Por último, la densidad en las líneas de fuerza nos indica el valor del campo eléctrico en ese punto, ya que son proporcionales. Tensión eléctrica En la vida cotidiana, asociamos la electricidad con los voltios, los Voltios miden la tensión de corriente eléctrica. La tensión eléctrica o diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor se define como la energía intercambiada por la unidad de carga al atravesar la distancia que separa dichos puntos.

Es una magnitud física que mide la diferencia de potencial entre dos puntos y su unidad de medida son los voltios. Si en el intercambio se aporta energía desde el exterior, la tensión se denomina fuerza electromotriz, en cambio si se trata de una pérdida o disminución, se habla de caída de potencial. Potencia eléctrica La potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. P= E/t la energía se expresa en julios y el tiempo en segundos Entonces vatios = julios/segundos

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Unidad 3 1 W = 1 j/seg Cuando hablamos de elemento nos referimos a un aparato eléctrico como una bombita de luz, un televisor o una estufa. Recuerden que la energía se transforma, no se crea ni se destruye. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt. Otra forma de calcularla. La potencia es el resultado de multiplicar la corriente que circula por un circuito medida en Amperios, por la tensión en ese circuito, en Voltios. Para su cálculo se utiliza la siguiente relación: Potencia (P) es igual a la tensión (V) multiplicada por la Intensidad (I). Potencia= Voltios x Amperios = Vatios El instrumento que se utiliza para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro. (Figura 8) Este consiste en una bobina rectangular, por la cual circula la corriente que se quiere medir, esta bobina está suspendida dentro del campo magnético asociado a un imán permanente, según su eje vertical, de forma tal que el ángulo de giro de dicha bobina es proporcional a la corriente que la atraviesa.

Hilos de entrada de corriente a medir Resorte de http://es.wikipedia.org/wiki/Galvan%C3%B3metro

retroceso

Un objeto con carga tiene energía potencial eléctrica gracias a su ubicación en un campo eléctrico, para mover una partícula cargada contra el campo eléctrico de un cuerpo cargado se requiere trabajo. Ese trabajo cambia la energía potencial eléctrica de la partícula cargada. Al concepto de energía potencial por unidad de carga se le llama potencial eléctrico y lo podemos expresar: Potencial eléctrico = energía potencial eléctrica / carga Volt = joule / coulomb Como la unidad es el volt se lo llama también voltaje. Potencial eléctrico y potencial significan energía potencial eléctrica por unidad de carga, se expresa en unidades de volts. Además, diferencia de potencial es lo mismo que voltaje y es la diferencia en potencial eléctrico entre dos puntos, y sus unidades son obviamente volts.

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Unidad 3 Para analizar el campo eléctrico necesitamos estar en presencia de al menos una carga, este potencial eléctrico nos permitirá en presencia de al menos dos cargas observar la interacción entre ellas y las fuerzas ejercidas. Se representa por medio de líneas de campo eléctrico (líneas de fuerza) y posee carácter vectorial, la unidad del campo eléctrico en SI:

Un alto voltaje equivale a gran cantidad de energía sólo si interviene una gran cantidad de carga. Hay una diferencia importante entre la energía potencial eléctrica y el potencial eléctrico. El potencial eléctrico es la energía potencial eléctrica por unidad de carga, como definimos anteriormente. Ley de Coulomb Coulomb a fines del 1700 enunció esta ley, como resultado de sus observaciones con cargas puntuales en reposo, si se encuentran en movimiento hay variaciones. La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

Figura 9: Ley de Coulomb expresando los signos de cargas de diferente signo, y de cargas del mismo signo. http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb

Coulomb observó que la fuerza varía con el producto de las cargas en forma directamente proporcional, e inversamente proporcional con la distancia elevada al cuadrado, que las separa. Esto expresado en una fórmula nos queda: Donde q se expresa en culombios y la distancia en metros F. eléctrica = k q1 .q2 d2

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Unidad 3 La constante k que aparece en la formula es una constante de proporcionalidad cuyo valor es: k = 8,99 · 109 N·m²/C² Relación culombio – electrón 1 C = 6,24. 1018 electrones Resistencia eléctrica Si tuviéramos que comparar a la resistencia eléctrica con algún otro fenómeno seria con la fricción o rozamiento, al igual que esta última, la resistencia eléctrica es una medida de la oposición o resistencia al paso de la corriente eléctrica, como lo expresamos anteriormente. La unidad utilizada en el SI es el ohmio (Ω), en honor al físico Georg Ohm quien lo definió en 1827 mediante la siguiente fórmula. R= V/ I R= resistencia, unidad utilizada ohmios. V = diferencia de potencial, unidad Voltios. I = Intensidad de corriente, unidad amperios. Una resistencia en un circuito puede estar representada por una lamparita eléctrica y se va a traducir en luz o en el caso de una estufa eléctrica el paso por la resistencia se traduce en calor. Ley de Ohm Ohm descubrió que la intensidad de corriente en un circuito es directamente proporcional al voltaje del circuito e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Corriente = voltaje/resistencia unidades amperio= volts / ohms símbolo A = V /  La ley de Ohm enuncia que la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad de la corriente que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica (R); que es el factor de proporcionalidad que aparece en la relación entre la intensidad (I) y la diferencia de potencial (V). La intensidad de la corriente (I) es igual a la tensión o voltaje (V) dividido por la resistencia que oponen los cuerpos (R): I = V/R V=R.I

o

despejando: R = V/I

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Unidad 3 Es así como conociendo dos variables podremos calcular la incógnita.

diferencia de potencial

Esquema de un circuito que muestra los parámetros enunciados por la ley de Ohm

Figura 10 http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm La corriente eléctrica puede ser continua o alterna. La corriente continua es cuando el flujo de cargas se produce en una dirección. Un acumulador o una pila produce corriente continua en un circuito, porque sus terminales tienen siempre el mismo signo: la terminal positiva siempre es positiva y la negativa siempre es negativa. Los electrones fluyen de la terminal negativa, que los repele, hacia la terminal positiva, que los atrae, y siempre se mueven por el circuito en la misma dirección, aun cuando la corriente se haga en impulsos desiguales, mientras los electrones se muevan sólo en una dirección será continua. En la corriente alterna por el contrario los electrones en el circuito se mueven primero en una dirección, y después en dirección contraria, alternando de aquí para allá con respecto a posiciones relativamente fijas. Este efecto se logra alternando la polaridad del voltaje en el generador o en la fuente de voltaje. La transmisión de potencia es más eficiente cuando los voltajes son mayores, por esta razón la mayoría de los países, como el nuestro adoptaron 220 volts de potencia. La alternancia se realiza en ciclos que se miden en hertz y pueden ser de 25, 30, 50 o 60 hertz. Circuito eléctrico Se llama circuito eléctrico al conjunto de elementos que permite que se origine en ellos una corriente eléctrica y que se transmita por todo el sistema. Los circuitos eléctricos están destinados a la distribución de la energía eléctrica y a la transformación recíproca de esta en otras formas de energía. Los elementos fundamentales de un circuito eléctrico son las fuentes y los receptores de energía eléctrica y los conductores que los unen entre sí.

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Unidad 3 Las fuentes de energía eléctrica pueden ser acumuladores, pilas, generadores, etc., estos transforman la energía mecánica, química, térmica y otras, en energía eléctrica, los podemos llamar dadores de energía eléctrica. Los receptores de energía eléctrica están representados por lámparas eléctricas, artefactos electrodomésticos, motores eléctricos, etc., a la inversa que los anteriores transforman la energía eléctrica en calórica, lumínica, mecánica u otras. Los circuitos eléctricos, en los cuales la obtención de la energía eléctrica de las fuentes y su transmisión a los receptores se realiza con tensiones e intensidades de corriente solo en un sentido, como dijimos, son circuitos de corriente continua y de ellos nos ocuparemos. Como ejemplo podemos ver el diagrama de una linterna con pilas como generador, figura 11

Figura 11: El interruptor abierto impide la circulación de energía por el conductor y la lámpara permanecerá apagada. Conociendo los valores del voltaje generado por la pila y la resistencia de la lámpara, podemos calcular por ejemplo la intensidad de corriente que soporta el circuito propuesto. EFECTO Joule En principio pensemos en un conductor por donde pasa la corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor y se eleva la temperatura del circuito. Al calentarse se transforma energía cinética en calor. Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, son los electrones libres del material, los responsables de su conducción. Estas observaciones fueron realizadas por el físico James Joule y por esto lleva su nombre. Esa energía cinética que se transforma en calor se considera energía perdida e indeseable. El cálculo de esa energía se puede realizar con la siguiente ecuación: E calor= R.I2.t

(la unidad utilizada es el julios)

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Unidad 3 Esa energía es directamente proporcional a la resistencia del conductor, al tiempo transcurrido y a la intensidad de corriente elevada al cuadrado. El joule es una unidad demasiado pequeña cuando se trata de expresar la energía consumida en instalaciones domésticas e industriales, por lo que las compañías eléctricas facturan la energía consumida en kWh. Equivalencias: 1 kWh = 1.000 W · 3.600 s = 3.600.000 joules Es también muy habitual utilizar la caloría como unidad de energía, en ese caso para convertir el valor obtenido en julios a calorías debe multiplicarse por el factor de conversión 0,24, donde 1 julio = 0,24 calorías En una instalación eléctrica es importante considerar el efecto joule, porque esa energía disipada como calor es energía perdida y se debe reducir al máximo para aumentar la eficiencia del circuito. Cuanto mayor sea la resistencia del conductor y la corriente, mayor será la energía que se pierde. Una instalación debe poseer los conductores de sección adecuada, sino se cumple esta condición entonces presentará una resistencia que con el paso de la corriente se calentará más de lo deseado y podrá producir el incendio de la instalación. Cuanto mayor sea la corriente que debe soportar un conductor, mayor deberá ser su sección. Ecuaciones útiles Recordemos el concepto de potencia en la mecánica, ¿cómo lo definimos?, como el trabajo realizado por unidad de tiempo. P= W/t Recordando que diferencia de potencial era el trabajo necesario para desplazar una unidad de carga entre dos puntos y además que la intensidad de corriente representa la cantidad de carga Q que es desplazada por segundo, entonces podemos expresar la potencia eléctrica como: P= V.I (1) La potencia eléctrica es el producto de la diferencia de potencial por la intensidad de corriente que pasa por el circuito donde P es la potencia eléctrica expresada en vatios (W). V es la tensión o diferencia de potencial expresada en voltios (V). I es la intensidad de corriente expresada en amperes (A). Por la ley de Ohm

I= V R Entonces reemplazamos en la ecuación (1) P= V.V o R

P = V2 R

Repetimos pero reemplazando V, en la ecuación (1)

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Unidad 3 Por la ley de Ohm Entonces

V=I.R P = I.R.I o P = I 2 . R

La unidad de potencia es el vatio W y se puede definir como la cantidad de trabajo realizado por un circuito eléctrico que tiene aplicada una tensión de 1 voltio en sus extremos y es recorrido por 1 ampere durante 1 segundo. Múltiplos del vatio: kilovatio megavatio

1kW = 1000W 1MW= 1.000.000 W

Aplicaciones biológicas La membrana celular Las células están contenidas por una membrana que como consecuencia de la distribución asimétrica de iones posee una diferencia de potencial, que se denomina potencial de membrana. El lado interno posee carga negativa y el externo positivo. Por tanto, la membrana es un capacitor, aun cuando la distancia entre las cargas no es grande, existe una diferencia de potencial entre ellas. Cualquier disrupción en las cargas producirá lo que conocemos como despolarización de la membrana, y esto permitirá la transmisión de cargas a través de ella, esto es, una corriente eléctrica. En la membrana celular existen canales y bombas que permiten la transferencia de iones desde un lado al otro de la membrana, estos mantienen constante la diferencia de cargas a menos que sea necesario transmitir un impulso eléctrico. Conducción del impulso nervioso Las neuronas son células del sistema nervioso con la capacidad de transmitir el impulso nervioso en forma de corriente eléctrica. El impulso nervioso sólo se propaga en un sentido. Cuando una neurona es estimulada, se originan unos cambios eléctricos que empiezan en las dendritas, pasan por el cuerpo neuronal, y terminan en el axón. El impulso nervioso no se transmite con la misma velocidad en todas las neuronas, depende de si el axón está o no rodeado por las células de Schwann, que producen una sustancia blanca: la mielina, que impide el paso del impulso nervioso ya que actúa como un aislante eléctrico. El impulso es obligado a "saltar" entre los espacios sin vaina de mielina (nódulos de Ranvier), por lo que la velocidad será mayor. A este tipo de propagación del impulso nervioso se le denomina "conducción o propagación saltatoria". En las neuronas amielínicas que carecen de mielina, conducen el impulso nervioso más lentamente, ya que se genera una onda continua de polarización progresiva en la membrana del axón. El impulso nervioso se transmite a lo largo de una neurona mediante un proceso de despolarización:

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Unidad 3 En un principio, la membrana está polarizada. En la parte exterior de la membrana abundan los iones con carga positiva y en la parte interior, los de carga negativa. Esto se mantiene por la acción de la bomba de sodio-potasio y se denomina potencial de reposo. Cuando llega un estímulo aumenta la permeabilidad para los iones de sodio, que entran en la célula, con lo que la polaridad se invierte en ese punto, quedando más carga positiva en el interior en esa zona. A esta alteración se le llama potencial de acción.  Esta despolarización lleva a la redistribución de los iones, los canales de sodio cercanos se abren, y también se despolariza la zona contigua, y ésta, a su vez, a la de la zona que le sigue, como si fueran las fichas de un dominó. De esta manera el impulso nervioso se desplaza como una onda a lo largo del axón.  Una vez que el impulso nervioso ha recorrido todo el axón, en milésimas de segundo, se produce la repolarización o restablecimiento de las concentraciones de iones características del estado de reposo. El impulso nervioso se propaga con mayor velocidad en los axones con mielina, puesto que la generación de potenciales no se realiza punto a punto a lo largo de todo el axón, sino sólo en los nódulos de Ranvier. Esto se debe a que, al ser la mielina aislante eléctrico, no permite el paso de cargas a través de ella. La velocidad de conducción del impulso nervioso en el axón varía entre 1m/s y 100m/s y es proporcional al diámetro del axón.

Los procesos de despolarización e hiperpolarización de la membrana en la transmisión del impulso nervioso por parte de los potenciales de acción o la contracción muscular comprometen a un gran número de proteínas de membrana que intervienen en el flujo iónico bidireccional. Los iones sodio, potasio y cloruro son los iones más importantes que participan en la generación del potencial de membrana en las fibras nerviosas y musculares. Los dos procesos implican variación del potencial de membrana, el potencial de membrana no es el mismo en todas las células.

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Unidad 3 La conducción eléctrica del corazón Para impulsar la sangre a través del sistema circulatorio, el corazón realiza dos movimientos, uno de contracción (sístole) y otro de relajación. Estos movimientos se suceden rítmicamente y determinan la frecuencia cardíaca. La frecuencia cardíaca está regulada por el sistema nervioso, el cual puede acelerarla o disminuirla, pero el impulso que determina la contracción de las cavidades cardíacas se origina en el propio corazón. Esta propiedad se denomina automatismo cardíaco. El sistema de conducción eléctrica del corazón permite que el impulso generado en el nodo sinusal sea propagado y estimule al miocardio o músculo cardíaco. El funcionamiento del corazón depende de la diferencia de potencial eléctrico que se genera en las fibras cardíacas. El impulso cardíaco nace en el nódulo sinusal, más conocido como marcapasos que se haya en la aurícula derecha. Este nódulo determina la frecuencia con la que se suceden los impulsos, normalmente de 80 por minuto y se propaga a otros sistemas de conducción eléctrica. Las ondas de despolarización en el nódulo sinusal son señales eléctricas que viajan por las membranas celulares de los sistemas de conducción. Cuando llegan a las terminales de las fibras de Purkinje, las fibras musculares cardíacas se contraen y se produce el latido del corazón que permite el bombeo de la sangre.

Electro-cardiograma El electro-cardiograma (ECG) es un estudio con el cual se observa la actividad eléctrica del corazón. Para realizarlo se colocan sobre la piel pequeños discos de metal denominados electrodos, que captan los impulsos eléctricos del corazón, mediante la medición del potencial eléctrico entre varios puntos corporales Estos impulsos se registran a través de una representación gráfica, el ECG puede trazar el trayecto de la energía eléctrica enviada por el nódulo sinusal a través del corazón y permite determinar si existe un problema que pueda ocasionar latidos irregulares o arritmias.

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El electrocardiograma mide los impulsos eléctricos que ocurren en el corazón y nos da indicios acerca de su funcionamiento En el podemos ver ONDAS, INTERVALOS Y SEGMENTOS. Las Ondas: P QRS T U, Los Segmentos PQ ST y los Intervalos: comprenden ondas y segmentos PR QT La onda P es la Onda de despolarización auricular, indica que inicio el impulso eléctrico en el nódulo Sinusal. El intervalo PR Es el tiempo de la despolarización auricular el tiempo que tarda en transmitirse el impulso eléctrico El Complejo QRS Representa la despolarización ventricular, La Onda Q es la Primera onda negativa del complejo. Originada por la despolarización del tabique. El segmento ST Segmento isoeléctrico entre la despolarización ventricular (QRS) y el final de la repolarización (T). Suele estar al mismo nivel que el PQ. Finalmente la onda T representa la repolarización del ventrículo.

Bibliografía Física Universitaria Sears Zemansky 12ºedición Física conceptual Paul Hewitt 10º edición Física Universitaria Serway 10ma edición. Addison Wesley http://m.meteorage.es/meteorage/la-vigilancia-de-los-rayos/apartado-el-rayo

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