Electricidad y magnetismo

Un imán 磁体 puede atraer ciertos metales. Todo imán tiene dos extremos llamados polos 磁极: un polo norte 北极 (polo N) y un polo sur 南极 (polo S).

La regla para dos polos es similar a la regla para las cargas:

• Los polos iguales (N y N, o S y S) se repelen 排斥 (se separan): esto es repulsión 排斥力.
• Los polos diferentes (N y S) se atraen 吸引 (se juntan): esto es atracción 吸引力.

Un imán atrae un material magnético 磁性材料, como el hierro, el acero, el cobalto y el níquel. Otros materiales (cobre, plástico, madera) son no magnéticos y no sienten ninguna fuerza.

Magnetismo inducido

Coloca un trozo de hierro cerca o tocando un imán, y el hierro se convierte en un imán por sí mismo. Esto es magnetismo inducido 感应磁性. El extremo del hierro más cercano al imán adquiere el polo opuesto, por lo que ambos se atraen.

Imanes temporales y permanentes

• El hierro blando 软铁 es fácil de magnetizar 磁化 pero pierde su magnetismo rápidamente. Se utiliza para un imán temporal 临时磁体.
• El acero 钢 es más difícil de magnetizar pero mantiene su magnetismo. Se utiliza para un imán permanente 永磁体.

Por tanto, un trozo de hierro blando no magnetizado 未磁化 es el mejor núcleo para un electroimán, mientras que el acero es ideal para un imán en barra.

Campos magnéticos

Un campo magnético 磁场 es una región 区域 donde un polo magnético siente una fuerza. Lo representamos con líneas de campo magnético 磁场线:

• Las líneas salen del polo N e entran al polo S.
• La dirección del campo en un punto es la dirección de la fuerza sobre el polo N de un pequeño imán de prueba colocado allí.
• Donde las líneas están juntas, el campo es fuerte; donde están separadas, el campo es débil.

Puedes mostrar el patrón espolvoreando limaduras de hierro 铁屑 sobre papel encima de un imán, o moviendo una pequeña brújula de trazado brújula 指南针 a su alrededor (la aguja apunta a lo largo del campo).

Usos de los imanes

• Imanes permanentes: cierre de puertas de nevera, agujas de brújula, altavoces.
• Electroimanes 电磁铁 (magnéticos solo mientras fluye una corriente): grúas que levantan chatarra de hierro, timbres eléctricos, relevadores. Un electroimán se puede encender y apagar y hacer más fuerte, algo que un imán permanente no puede hacer.

Las fuerzas magnéticas ocurren porque los campos de los dos imanes empujan y tiran el uno del otro.

Hay dos tipos de carga eléctrica 电荷: carga positiva 正电荷 y carga negativa 负电荷. La regla es similar a la de los polos — cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen.

Carga por fricción

Cuando frotas dos materiales diferentes entre sí, los electrones 电子 (partículas negativas pequeñas) se mueven de uno a otro. Esto es carga por fricción 摩擦起电.

• El material que gana electrones se vuelve negativo.
• El material que pierde electrones se vuelve positivo.

Solo los electrones negativos se mueven; la carga positiva permanece en su lugar. Por ejemplo, una varilla de plástico frotada con un paño se vuelve negativa porque los electrones se mueven del paño a la varilla, dejando el paño positivo.

Detección de una carga. Una varilla cargada recolecta pequeños trozos de papel y desvía un fino chorro de agua de un grifo. Cuelga una varilla cargada de un hilo y acerca otra varilla cargada a ella: si las dos tienen el mismo tipo de carga, la varilla colgante se aleja. La repulsión es la única prueba segura de una carga, porque la atracción también ocurre con objetos sin carga.

Conductores y aislantes

• Un conductor 导体 (cobre y otros metales) permite que la carga fluya a través de él fácilmente, porque tiene electrones libres que pueden moverse.
• Un aislante 绝缘体 (plástico, caucho, vidrio) no deja que la carga fluya, porque sus electrones no pueden moverse libremente.

Para probar un material, conéctalo en un circuito con una lámpara y una batería: la lámpara se enciende solo para un conductor.

Campos eléctricos e iones

La carga se mide en coulombs 库仑 (C). Un campo eléctrico 电场 es una región donde una carga eléctrica siente una fuerza. Su dirección en un punto es la dirección de la fuerza sobre una carga positiva. Patrones de campo simples (las flechas muestran la dirección):

• alrededor de una carga puntual 点电荷: líneas rectas, apuntando lejos de una carga positiva y hacia una carga negativa;
• alrededor de una bola cargada (esfera): lo mismo, extendiéndose uniformemente en todas direcciones;
• entre dos placas paralelas con cargas opuestas: líneas rectas, espaciadas uniformemente desde la placa positiva hacia la placa negativa.

Un átomo normalmente es neutro. Si pierde electrones se convierte en un ion 离子 positivo; si gana electrones se convierte en un ion negativo.

Una corriente eléctrica 电流 es un flujo de carga eléctrica. Se mide en amperios 安培 (A) con un amperímetro 电流表, conectado en serie en el circuito.

Un amperímetro analógico 模拟 tiene una aguja que se mueve sobre una escala; un amperímetro digital 数字 muestra la lectura como un número. Ambos vienen con diferentes rangos 量程. Elige el rango justo por encima de la mayor corriente que esperes, para que la lectura sea precisa: un rango de 0–1 A para una corriente de aproximadamente 0.4 A, o un rango de 0–100 mA para unos pocos miliamperios.

La corriente es la carga que pasa por un punto cada segundo:

Aquí $I$ es la corriente (A), $Q$ es la carga (C) y $t$ es el tiempo (s). Reordenando, $Q = It$.

Ejemplo resuelto. Una corriente de $3.0\ \text{A}$ fluye a través de una lámpara durante $20\ \text{s}$. ¿Cuánta carga pasa a través de ella?

En un metal, la corriente es un flujo de electrones libres 自由电子. Hay dos "direcciones" que conocer:

• La corriente convencional 常规电流 se considera que fluye de + a − alrededor del exterior de la pila.
• Los electrones libres realmente se desplazan en la otra dirección, de − a +.

Una corriente directa 直流电 (d.c.) siempre fluye en una sola dirección, como desde una batería. Una corriente alterna 交流电 (a.c.) cambia de dirección muchas veces cada segundo, como desde el suministro de red 市电.

Una pila proporciona energía 能量 a las cargas que se mueven a través de ella. Dos cantidades describen esto, y ambas se miden en voltios 伏特 (V).

• La fuerza electromotriz 电动势 (f.e.m.) de una fuente es el trabajo eléctrico que realiza para impulsar una unidad de carga a lo largo de un circuito 电路 completo.
• La diferencia de potencial 电势差 (d.p.) a través de un componente es el trabajo realizado por una unidad de carga mientras pasa a través de ese componente.

Un voltímetro 电压表 mide f.e.m. o d.d.p. Se conecta en paralelo (a través del componente). Al igual que los amperímetros, los voltímetros son analógicos o digitales y tienen diferentes rangos: elige el rango ligeramente superior al mayor voltaje que esperes.

Ambas son trabajo por unidad de carga:

donde $W$ es la energía transferida (J) y $Q$ es la carga (C). Por ejemplo, si una pila realiza $120\ \text{J}$ de trabajo para mover $60\ \text{C}$ de carga alrededor de un circuito, su f.e.m. es $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

La resistencia 电阻 measures how hard it is for current to flow. A bigger resistance gives a smaller current. It is measured in ohms 欧姆 (Ω).

Medición de resistencia. Conecta el componente en serie con una pila, un interruptor, un amperímetro y un resistor variable 可变电阻器, y conecta un voltímetro a través del componente. Cierra el interruptor, lee $I$ y $V$, luego cambia el resistor variable para obtener varios pares más de lecturas. Calcula $R = V/I$ para cada par y toma el promedio, o grafica $V$ contra $I$: para un alambre metálico a temperatura constante, la gráfica es una línea recta que pasa por el origen, y su pendiente es $R$.

Ejemplo resuelto. Una batería de $12\ \text{V}$ impulsa una corriente de $0.50\ \text{A}$ a través de una lámpara. Encuentra la resistencia de la lámpara.

Para un alambre metálico a temperatura constante:

• Un alambre más largo tiene mayor resistencia — la resistencia es directamente proporcional 成正比 a la longitud, $R \propto l$;
• Un alambre más grueso tiene menor resistencia — la resistencia es inversamente proporcional 成反比 al área transversal 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Por lo tanto, duplicar la longitud duplica la resistencia; duplicar el área la reduce a la mitad. (El área depende del diámetro al cuadrado, por lo que un pequeño cambio en el diámetro cambia mucho la resistencia.)

Las gráficas de corriente–voltaje muestran cómo se comportan tres componentes:

Un circuito transfiere energía desde una fuente (una pila o la red eléctrica) hacia los componentes, y luego hacia el entorno (a menudo como calor, luz o sonido).

La potencia eléctrica 电功率 es la energía transferida por segundo, medida en vatios 瓦特 (W):

La energía eléctrica 电能 transferida en un tiempo $t$, medida en joules 焦耳 (J), es:

Ejemplo resuelto. Un motor de $12\ \text{V}$ consume una corriente de $2.0\ \text{A}$. Encuentra su potencia, y la energía que transfiere en $30\ \text{s}$.

El kilowatt-hora

Las facturas de electricidad domésticas usan una unidad de energía mayor, el kilowatt-hora 千瓦时 (kWh). Un kilowatt-hora es la energía consumida por un electrodoméstico de $1\ \text{kW}$ en una hora de $1$.

Por ejemplo, un $2\ \text{kW}$ calentador 加热器 usado durante $3$ horas consume $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Si un kWh cuesta $20$ centavos, el costo es de $6 \times 20 = 120$ centavos.

Componentes del circuito

Debes conocer estos componentes y cómo se comportan:

Serie y paralelo

En un circuito en serie 串联, las partes forman un solo bucle:

• la corriente es la misma en todos los puntos;
• la d.p. (diferencia de potencial) del suministro se comparte entre los componentes;
• las pilas en serie suman sus f.e.m. (cuando apuntan en la misma dirección);
• los resistores en serie se suman: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

En un circuito en paralelo 并联, las partes están en ramas separadas:

• cada rama recibe la d.p. completa del suministro;
• la corriente se divide, por lo que la corriente de la fuente es mayor que la corriente en cualquier rama individual;
• la resistencia total 总电阻 es menor que la resistencia individual más pequeña.

Las lámparas de un hogar están conectadas en paralelo: cada una recibe el voltaje completo, y si una falla, las demás permanecen encendidas.

Para cálculos (con las reglas anteriores):

• en un nudo 节点, la corriente total que entra es igual a la corriente total que sale;
• en serie, la d.p. del suministro es igual a la suma de las d.p. a través de los componentes;
• en paralelo, la d.p. a través de cada rama es la misma;
• dos resistores en paralelo se combinan como

Ejemplo resuelto. Un resistor $6\ \Omega$ y un resistor $3\ \Omega$ están conectados en paralelo. Encuentra su resistencia combinada.

Observa que la resistencia combinada ($2\ \Omega$) es menor que la más pequeña de los dos resistores.

Divisores de potencial

Dos resistores en serie comparten el voltaje del suministro. Esto es un divisor de potencial 分压器. Para la misma corriente, una resistencia mayor tiene una mayor d.p. a través de ella, por lo que el resistor mayor toma la parte mayor:

Un divisor de potencial variable (o un resistor variable) te permite cambiar suavemente el voltaje de salida, por ejemplo, desde $0\ \text{V}$ hasta el voltaje completo del suministro. Si usas un termistor o un LDR como uno de los resistores, el voltaje de salida cambia con la temperatura o la luz — útil para encender y apagar automáticamente un calentador o una lámpara.

El suministro eléctrico de un hogar proviene de la red principal. La red principal es peligrosa si se usa incorrectamente.

Peligros

Estos son peligros 危险 (peligros) con la electricidad de la red:

• aislamiento 绝缘层 dañado — los cables pelados pueden causar una descarga o iniciar un incendio;
• cables sobrecalentados 过热 — demasiada corriente hace que un cable se caliente, lo cual puede iniciar un incendio;
• condiciones de humedad 潮湿 — el agua permite que la corriente pase hacia una persona, aumentando el riesgo de una descarga;
• sobrecarga 过载 — conectar muchos aparatos a un único enchufe 插座 extrae demasiada corriente.

Fase, neutro y tierra

Un cable de red tiene tres hilos:

• el hilo de fase 火线 transporta el alto voltaje;
• el hilo neutro 零cierra el circuito a aproximadamente cero voltaje;
• el hilo de tierra 地线 es un hilo de seguridad conectado a tierra.

Un interruptor (y un fusible) deben instalarse en el hilo de fase. De esta manera, cuando el interruptor está apagado, el aparato se desconecta del alto voltaje y es seguro tocarlo.

Fusibles, interruptores automáticos y puesta a tierra

Un fusible es un alambre fino que se funde si la corriente se vuelve demasiado grande, interrumpiendo el circuito antes de que el cable se sobrecaliente. Elige una clase de fusible 额定值 ligeramente superior a la corriente normal de trabajo — por ejemplo, un fusible de $13\ \text{A}$ para un aparato que normalmente consume unos $10\ \text{A}$.

Un interruptor automático 跳闸开关 (interruptor de circuito) cumple la misma función pero actúa más rápido y puede reiniciarse en lugar de reemplazarse.

La carcasa metálica carcasa 外壳 de un aparato debe hacerse segura de una de dos formas:

• puesta a tierra 接地: la carcasa está conectada al hilo de tierra. Si un hilo de fase toca la carcasa, una gran corriente fluye a tierra y funde el fusible.
• doble aislamiento 双重绝缘: la carcasa es de plástico, por lo que nunca puede volverse conductora bajo tensión. Tal aparato no necesita hilo de tierra; su fusible aún protege el cable.

El efecto magnético de una corriente

Una corriente en un alambre genera un campo magnético a su alrededor.

• Alrededor de un alambre recto, las líneas de campo son círculos alrededor del alambre; el campo es más fuerte cerca del alambre. Invierte la corriente y el campo se invierte.
• Un solenoide 螺线管 (una bobina larga bobina 线圈 de alambre) genera un campo idéntico al de un imán en barra, con un polo N en un extremo y un polo S en el otro. El campo interior es fuerte y uniforme.

Puedes mostrar ambos patrones con limaduras de hierro o una brújula de trazado. El campo se hace más fuerte si aumentas la corriente, añades más vueltas o colocas un núcleo de hierro blando en el interior.

El efecto magnético se utiliza en un relé y en un altavoz. En un relé, una pequeña corriente en una bobina magnetiza un núcleo de hierro blando, que cierra un interruptor en un segundo circuito. El segundo circuito puede transportar una gran corriente, por lo que un interruptor pequeño o un sensor pueden controlar con seguridad un motor o un calefactor (por ejemplo, el interruptor de encendido de un automóvil arranca su motor a través de un relé). En un altavoz 扬声器, una corriente variable en una bobina hace que esta empuje y tire de un cono de papel, moviendo el aire y produciendo sonido.

Inducción electromagnética

Cuando un alambre se mueve a través de un campo magnético, o cuando cambia el campo a través de una bobina, se induce un f.e.m. en el alambre. Si el alambre forma parte de un circuito completo, este f.e.m. impulsa una corriente. Esto es inducción electromagnética 电磁感应.

Para demostrarlo: mueve un imán dentro y fuera de una bobina conectada a un medidor sensible, y observa cómo parpadea la aguja. El f.e.m. inducido es mayor cuando usas un imán más fuerte, te mueves más rápido o usas más vueltas en la bobina. El f.e.m. inducido siempre actúa para oponerse al cambio que lo causa. La dirección de la corriente inducida está dada por la regla de la mano derecha de Fleming 弗莱明右手定则: mantén el pulgar, el dedo índice y el dedo medio de la mano derecha en ángulos rectos entre sí; el pulgar apunta en la dirección del movimiento del alambre, el dedo índice a lo largo del campo (de N a S), y el dedo medio indica entonces la corriente inducida.

El generador de c.a.

Un generador de c.a. 交流发电机 convierte el movimiento en electricidad. Una bobina gira en un campo magnético (o un imán gira cerca de una bobina). A medida que gira, el campo a través de la bobina sigue cambiando, por lo que se induce una f.e.m. alterna.

• Anillos deslizantes 滑环 y cepillos de carbono brushes 电刷 transportan la corriente hacia el circuito mientras la bobina sigue girando.
• El f.e.m. es máximo cuando la bobina está plana (moviéndose más rápido a través del campo) y cero cuando la bobina está vertical (moviéndose a lo largo del campo). Por lo tanto, la gráfica de f.e.m.–tiempo es una onda: pico, cero, pico opuesto, cero, por cada vuelta.

Fuerza sobre un conductor con corriente

Cuando un alambre con corriente se encuentra en un campo magnético, el campo del alambre y el campo del imán se empujan mutuamente, por lo que el alambre siente una fuerza. Este es el efecto motor.

• Invierte la corriente, o invierte el campo, y la fuerza se invierte.
• Haz que la corriente sea mayor o el campo más fuerte, y la fuerza será mayor.

La fuerza, el campo y la corriente son perpendiculares entre sí. Puedes encontrar la dirección de la fuerza usando la regla de la mano izquierda de Fleming 弗莱明左手定则: pulgar = fuerza (movimiento), primer dedo = campo (N a S), segundo dedo = corriente.

Demostración de la fuerza. Coloca un alambre de cobre rígido (o una tira de papel aluminio) entre los polos de un imán en U y conéctalo a una pila a través de un interruptor. Cuando fluye la corriente, el alambre salta hacia arriba o hacia abajo. Invierte la pila y el alambre salta en la otra dirección; voltea el imán y se invierte nuevamente. Una corriente mayor o un imán más fuerte produce un salto mayor.

Un flujo móvil de partículas cargadas es una corriente, por lo que un campo magnético también lo desvía lateralmente — desvía 偏转 el haz. (Recuerda que los electrones fluyen en dirección opuesta a la corriente convencional.)

El motor de c.c.

Una bobina con corriente en un campo magnético siente un efecto de giro 转动效应, porque las fuerzas sobre sus dos lados actúan en direcciones opuestas. Esto es un motor de c.c. 直流电动机. El efecto de giro es mayor con más vueltas en la bobina, una corriente mayor o un campo más fuerte.

Un conmutador de anillo partido 换向器 intercambia la dirección de la corriente en la bobina cada media vuelta. Esto mantiene la bobina girando en la misma dirección en lugar de detenerse después de media vuelta.

El transformador

Un transformador cambia el tamaño de un voltaje de c.a. Tiene dos bobinas enrolladas en un núcleo de hierro blando 软铁芯:

• la bobina primaria 原线圈 recibe el voltaje de c.a.;
• la bobina secundaria 副线圈 entrega el voltaje modificado.

La c.a. en la primaria produce un campo magnético variable en el núcleo. El núcleo transporta este campo a la secundaria, donde induce un f.e.m. de c.a. Los voltajes y los números de vueltas están relacionados mediante:

Ejemplo resuelto. Un transformador tiene $1200$ vueltas en la bobina primaria y $100$ vueltas en la bobina secundaria. La primaria está conectada a una fuente de c.a. de $240\ \text{V}$. Encuentra el voltaje secundario.

Menos vueltas en la secundaria, por lo que este es un transformador reductor.

Si la secundaria tiene más vueltas, es un transformador elevador 升压 (el voltaje aumenta); menos vueltas hacen un transformador reductor 降压 (el voltaje disminuye). Por ejemplo, un transformador que cambia de $240\ \text{V}$ a $12\ \text{V}$ es de tipo reductor, y la primaria tiene $20$ veces tantas vueltas como la secundaria.

Si un transformador es 100% eficiente, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida:

Por lo tanto, un transformador elevador aumenta el voltaje pero reduce la corriente.

Por qué usamos alto voltaje para transmitir energía

La electricidad se envía a través del país mediante transmisión de alta tensión 高压输电. La potencia perdida en forma de calor en los cables es

donde $R$ es la resistencia de los cables. Un transformador elevador aumenta el voltaje y, por tanto, reduce la corriente para la misma potencia ($P = IV$). Una corriente menor significa mucha menos potencia desperdiciada en los cables. Luego, un transformador reductor baja el voltaje nuevamente a un valor seguro antes de llegar a los hogares.

• La corriente es la misma en todas partes de un circuito en serie; en un circuito en paralelo, se divide entre las ramas. El voltaje (d.p.) se reparte en serie, pero es el mismo a través de cada rama en paralelo.
• Añadir resistencias en serie aumenta la resistencia total ($R_1 + R_2$); añadirlas en paralelo hace que la total sea menor que la resistencia individual más pequeña.
• Un amperímetro va conectado en serie y tiene una resistencia muy baja; un voltímetro va conectado en paralelo a través de un componente y tiene una resistencia muy alta.
• En un transformador $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: más vueltas en el secundario elevan el voltaje, menos lo reducen. Los transformadores solo funcionan con c.a.
• La potencia se transmite por todo el país a alto voltaje para que la corriente —y el calor disipado en los cables, $P = I^2R$— sea pequeña.
• Conecte el interruptor y el fusible en el cable vivo, y seleccione una clasificación de fusible ligeramente superior a la corriente normal de funcionamiento del electrodoméstico.