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“Año del Bicentenario del Perú: 200 años de Independencia’”

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERIA

ASIGNATURA: Calculo Aplicado a la Física TEMA: Electrodinámica

CIRCUITOS ELÉCTRICOS “LEY DE OHM” SEMESTRE: 2021-2

INTEGRANTES: • • • • • • • • • •

Angulo Solano, Melany Alexandra Baldeón Romero, Lesly Mayra Arbieto Portocarrero, Dereck Ariel Alhuay Estrada, José Imanol Castillo Castañeda, Miguel José Caldas Paxi, Julian Emerson Avila Villanueva Alishon Roxana Alanya Pacheco, Giomar Alessandro Bedia Huamani, Eder Bautista Salazar Alexandra Graciela

U18212189 U19100806 U202304422 U19102603 1623170 U20201954 U19214746 U20245009 1638003 U19217259

DOCENTE: Mg. Ccama Pari, Richard

LIMA – PERÚ 2021

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DEDICATORIA:

Dicho proyecto ha sido el resultado del empeño y el esfuerzo de todos los que conformamos el grupo de trabajo. Por esto agradezco a Dios por ayudarnos a llegar hasta aquí, gracias también al apoyo y confianza de nuestro profesor de Cálculo Aplicado a la Física 2, Richard Ccama Pari y a mis compañeros de grupo, con quienes a lo largo de este tiempo hemos puesto a prueba nuestros conocimientos y capacidades en la elaboración de proyecto. Así mismo, quisiéramos agradecerles a nuestros padres por apoyarnos a pesar de las adversidades y por estar siempre dispuestos a aconsejarnos. Finalmente agradecerles a mis compañeros de grupo porque este proyecto se logró gracias al aporte de todos nuestros conocimientos a lo largo del ciclo.

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INTRODUCCIÓN

El presente proyecto trata sobre la electrodinámica y los circuitos eléctricos además de la ley de Ohm donde se da a conocer las definiciones básicas de esta especificando su descubrimiento y características. Ohm establece esta ley demostrando que la cantidad de corriente (I) que fluye en un circuito es directamente proporcional a la fuerza electromotriz (V) aplicada en ese circuito, y a su vez inversamente proporcional a su resistencia total (R). En términos matemáticos se usa esta ecuación V = R. I o también I = V/R. Cuando el valor de la resistencia aumenta, la corriente disminuye y viceversa siempre y cuando el valor del voltaje se mantenga constante para ambos casos. En caso si el voltaje aumenta o disminuye la corriente que pasa por el circuito hará lo mismo, manteniendo la resistencia constante. Debido a los diferentes materiales que se pueden emplear en un trabajo, en algunos casos, dificultan un poco más el paso de la corriente y por eso es necesario tabular bien los valores para poder ejecutar bien el desarrollo de las ecuaciones correspondientes. El estudio de la ley de Ohm y los circuitos es un método muy bueno y práctico para enseñar y aprender a saber analizar conexiones y saber utilizar correctamente instrumentos de medida como el amperímetro, voltímetro y fuentes

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JUSTIFICACIÓN

El propósito principal del presente proyecto es poder estudiar las cargas eléctricas que están en movimientos. En la cual, estas cargas están siendo transportadas por un conductor. El presente trabajo de investigación se enfoca en estudiar las leyes y fórmulas de la electrodinámica, así como también utilizar la ley de ohm y establecer la diferencia de potencial que hay entre los extremos de un conductor determinado. Asimismo, esta ley nos ayuda a determinar la diferencia de potencial en bornes de una impedancia y la intensidad de corriente que circula a través, ya que con esto se puede obtener problemas eléctricos tanto físicos como industriales e incluso en la vida real. Por otro lado, investigar la ley de ohm y su efecto que genera en consecuencia a la energía cinética que crean los electrones al circular por un conductor de corriente eléctrica, los electrones generan calor debido a los choques que sufren con los átomos del material por el que circulan, elevando la temperatura de éste y cuando alcanza el equilibrio térmico en el exterior empieza a disipar energía. Este fenómeno es conocido como el efecto Joule el cual es irreversible y se puede utilizar a favor como en el sistema que utilizan las secadoras de pelo, pero uno de los principales problemas que este efecto puede ocasionar es el sobrecalentamiento de un foco debido al calor que genera el choque de electrones, para que posteriormente la estructura de la bombilla se debilite y al final explote. Finalmente, el grupo ha visto conveniente realizar esta investigación sobre la electrodinámica para poder entender el desplazamiento eléctrico entre circuitos.

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INDICE PAG. Portada.........................................................................................................................................1 Dedicatoria …………………………………………………..…………………………………………………………………………2 Introducción..................................................................................................................................3 Justificación...................................................................................................................................4 Índice.............................................................................................................................................5 Índice de figuras ………………………………………..................................................................................6 Objetivos.......................................................................................................................................7 Objetivos generales y específicos...........................................................................................7 Marco teórico...............................................................................................................................8 1.1. Ley de Ohm.......................................................................................................................8 2.1. Circuito en Serie..............................................................................................................10 3.1. Energía Eléctrica……………………………………........................................................................12 4.1. Efecto Joule.....................................................................................................................14 5.1. Aplicaciones tecnológicas de la electrodinámica............................................................16 6. Experimento de electrodinámica: Circuitos eléctricos “Ley de Ohm” ……………......................18 7. Materiales...............................................................................................................................18 8. Procedimiento........................................................................................................................ 22 9. Cálculos y resultados.............................................................................................................. 24 10. Calculos.................................................................................................................................24 11. Situación Problemática......................................................................................................... 40 Conclusiones............................................................................................................................... 42 Recomendaciones...................................................................................................................... 43 Referencias..................................................................................................................................44 Anexos.........................................................................................................................................45

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INDICE DE FIGURAS PAG. Figura 1. Ley de Ohm………………….…………………………………………………………………..……………..…….9 Figura 2. Primer motor de corriente alterna hecho por Tesla ………………………..…….………………..…11 Figura 3. Energía Eléctrica…………………………………..………………………………………………....……......13 Figura 4. Motor emitiendo calor ………………………………………………………...15 Figura 5. Funcionamiento de un motor eléctrico de litio…………………..…….……………...…….....16 Figura 6. Modelo de circuito equivalente de Thevenin ………………………………………………….....17 Figura 7. Resistencia de 1K……………….…………………………………………………………………..…….….....18 Figura 8. Fuente de alimentación (1 pila de 9 voltios)………………………………………….…..….....18 Figura 9. Potenciómetro………………………………….……………………………………...…………………….….....19 Figura 10. 1 foquito led…...........................................................................................................19 Figura 11. Protoboard……………………………….…………………………………………………………………………..20 Figura 12. Cables………………………………………………………….…………………………………….……….…….....20 Figura 13. Multímetro………………………………………………………………………..…………………………….....21

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OBJETIVOS

Objetivo General Por medio del presente trabajo de investigación, queremos transmitir a detalle la interacción que tienen los electrones a través de un conductor.

Objetivos Específicos De manera general, conocer y utilizar el concepto fundamental de la corriente eléctrica. La ley de Ohm sirve para determinar los valores de resistencias, y establecer una relación entre la corriente, voltaje y resistencia. Identificar el origen de la energía eléctrica y ver su transformación al pasar de los años, al igual que reconocer los beneficios que nos brinda y como poder utilizarlo en los diferentes ámbitos de nuestra vida diaria. Describir el comportamiento de la corriente y demás fenómenos asociados al análisis de circuitos eléctricos tanto de manera teórica como experimental mediante una aplicación sistemática de los conceptos. Analizar como el efecto joule nos ayuda a comprender que cuando hay una cantidad de calor que pasa a través de un conductor es generado por una corriente eléctrica. Dar a conocer algunas aplicaciones tecnológicas en las que se usan los circuitos eléctricos y la importancia de estos en la tecnología actual.

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MARCO TEORICO

1.1.

Ley de Ohm

Primero, el científico alemán Georg Simón Ohm dio como resultado de una investigación con materiales conductores de energía que la relación entre el voltaje y la corriente era constante y lo nombró resistencia, todo esto resumiendo como la Ley de Ohm. En base a ellos los autores Gracia y hermanos Burbano, consideran: Para la ley de Ohm, la diferencia de potencia es proporcional a la corriente de que pasa entre dos puntos, se puede medir por un galvanómetro si se conecta con una resistencia en paralelo. El voltímetro debe tener una resistencia mayor y no se le modifica, y la conexión del circuito con el voltímetro tendría un dominio sobre la disminución de la resistencia. Asimismo, si se quiere fabricar un voltímetro de alcance múltiple se debe tener en cuenta la intensidad de la corriente que, al pasar por el galvanómetro y por el circuito, se debe medir y conectarlo en derivación a los enchufes y polos positivos . (2003, p. 508).

Lo que los autores nos dan a entender con su manera de ver a la ley de ohm involucrado en la conexión de un voltímetro en un circuito que tendría una influencia sobre la caída de la potencia y así el voltímetro tendría una infinita resistencia. También, al pasar la corriente por un galvanómetro se obtendrá la diferencia de las potencias. La expresión resultante para la Ley de Ohm: 𝑉 = 𝑅 𝐼 𝑉: 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠 (𝑉) 𝐼: 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠 (𝐴) 𝑅: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑜ℎ𝑚𝑖𝑜𝑠 (Ω)

Segundo, la ley de Ohm toma nombre del físico y matemático y nos indica la relación entre la corriente de los conductores y el campo eléctrico que está presente en el circuito, siendo esta la manera en la que el autor Castillo nos lo expresa: Su nombre es en honor al físico alemán George Simón Ohm (1787-1854) es importante aclarar que en realidad la palabra “ley” debería escribirse entre comillas, ya que la ley de Ohm, al igual que la ecuación de los gases ideales y la ley de Hooke, es un

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modelo idealizado que describe muy bien el comportamiento de ciertos materiales; pero, no es una descripción general de toda la materia. Para profundizar el estudio del flujo de la corriente j en los conductores, es necesario conocer la relación entre el vector densidad de corriente y el campo eléctrico E que es responsable de ella. Este campo eléctrico se establece en general, uniendo dos electrodos (dos hilos de alambre, en general) a puntos distintos del conductor; estos electrodos se unen a un aparato (una batería, por ejemplo) que produce una diferencia de potencial. […] (Castillo, 2015, p.35). Con lo anteriormente citado el autor nos indica que la ley de ohm es un modelo idílico para el comportamiento de una gran variedad de materiales, pero no para toda la materia en general, también nos indica que esta al estar basada en la corriente, resistencia y voltaje de los circuitos necesitamos conocer en mayor medida el flujo de la corriente se necesita conocer también el campo eléctrico presente.

Fig. 1 Ley de Ohm Recuperado de: https://transistores.info/ley-de-ohm/

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2.1.

Circuito en serie

Los circuitos en serie son una configuración de diferentes dispositivos que pueden ser resistencias, inductores, capacitores lo cual esta conectados sucesivamente como consecuencia el pin de salida de un dispositivo se conectan con el pin de entrada del siguiente dispositivo, cabe resaltar los avances científicos que se ejecutaron en la historia como se menciona en el siguiente párrafo. La editorial Nivola, en su prestigiosa colección “Científicos para la Historia”, ha editado, en su número 14, un libro que trata de los orígenes del electromagnetismo, a principios del siglo XIX, ejemplificado en las figuras de dos de sus más insignes protagonistas, Hans Christian Oersted y André-Marie Ampere. Se trata de dos científicos cuya obra se enmarca en las dos grandes invenciones de la electricidad, como son la construcción de la pila eléctrica por Alessandro Volta y la generación de corriente eléctrica por Michael Faraday.

(Ciencias, 2005, p.118).

Según el autor, nos explica la historia de grandes invenciones en la electricidad donde se puede conocer las diferentes leyes que aplicamos hoy en día, uno de ellos son los circuitos eléctricos en serie que se resalta sus grandes protagonistas Alessandro Volta, Michael Faraday, se sabe que evolución del estudio de las corrientes eléctricas se han mejorado y se encontraron diferentes técnicas para aplicación en los circuitos series y paralelos, se sabe que algunos descubrimiento eléctricos fueron usados como juegos de salón, en la actualidad el estudio de la corriente eléctrica es el motor que impulsa la industria. La importancia para el desarrollo del estudio de las corrientes alternas y continuas están basadas en experimentos y muchas fuentes teóricas, uno de los importantes contribuyentes es Tesla por sus ideas de transmisión de la corriente aporto avances tecnológicos en los que hoy en día se cuenta estos desarrollos han sido más resaltados en la comunicación y las formas de generar la electricidad como nos mencionan en lo siguiente: ….. Tengo el placer de traer ante ustedes un nuevo sistema de distribución y transmisión de energía a través de corrientes alternas, de cuya superior adaptabilidad estoy seguro de que dejaré constancia y les mostraré que muchos resultados hasta ahora inalcanzables pueden conseguirse con su uso. En nuestros dinamos, como es sabido, generamos corrientes eléctricas que dirigimos a través de un interruptor , un artilugio complicado, y la fuente de la mayor parte de los problemas que experimentamos, ahora, las corrientes así dirigidas no pueden ser utilizadas en el motor, porque deben ser reconvertidas a su estado

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original , es más , en realidad , todas las maquinas son máquinas de corriente alterna ; la corriente alterna solo parece continua en el circuito externo, durante su desplazamiento desde el generador (Tesla, 2011,p. 10).

Se entiende por circuito en serie aun cuando la corriente tiene un único camino, que tiene un sentido y recorre por todos los terminales de la red, es decir uno detrás de otro, conectando sus puntos de salida con el de entrada del siguiente. El circuito en serie se aplica para diferentes dispositivos y se conectan sucesivamente sabiendo que la corriente es la misma y el diferencial de potencial se divide en cada una de las resistencias.

Figura 2: Primer motor de corriente alterna hecho por Tesla Recuperada de: www.preceden.com/timelines/297080-electricidad

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3.1.

Energía eléctrica

Primero, la energía electricidad ha sido estudiada desde la antigüedad. A finales del siglo XIX los ingenieros lograron aprovecharla para uso industrial. El pleno desarrollo de la tecnología eléctrica se transformó la industria y la sociedad, ya que, es la columna vertebral de la sociedad industrial moderna. En base a ello, Autonell considera: La energía eléctrica tiene un gran inconveniente con respecto a los otros tipos de energía y es que no permite su almacenaje en cantidades significativas, es una de las formas de energía de mayor uso de tal forma que su coste grave sobre todos y cada uno de los sectores de la industria, servicios y a la propia economía doméstica es fácil deducir que cualquier acción de distribución y todo lo que represente un “Uso racional de la energía” evitando así cualquier tipo de repercusiones importantes sobre la economía de todos y cada uno de los sectores implicados ( 2011, pp. 13-18). Evidentemente, como menciona el autor, la energía eléctrica es una forma de energía que en la actualidad lo usa con mayor eficiencia, se caracteriza por su versatilidad. Sin embargo, es generada en grandes cantidades de forma concentrada en determinados lugares y sobre todo trasmitida de manera fiable a largas distancias, siendo adaptadas de forma fácil y eficiente.

Segundo, la electricidad también se puede encontrar en nuestra vida diaria, sin pensar, nuestro cuerpo genera electricidad como al ponernos una camisa, la piel entra en contacto con el objeto ocasionando electricidad, esto sucede gracias a la fricción que existe entre ambos cuerpos. Basándonos en el ¿cómo sucede eso?, una célula de nuestro cuerpo usa un mecanismo llamado bomba sodio-potasio, que utiliza la proteína bomba sodio-potasio ATPasa que hace que el balance de iones dentro y fuera de la célula se mantenga en su sitio, por este motivo Según Rela considera, “Lo que llamamos generación es, en realidad, una transformación, porque se genera energía eléctrica a partir de otra forma de energía, como la nuclear, la hídrica, la térmica, la solar y la mareomotriz, entre muchas otras […]” (2010, p.55).

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La energía eléctrica se genera gracias a otras energías y formada con ayuda de la combustión de combustibles fósiles. Asimismo, es importante aclarar que hoy por hoy dependemos de ella, a tal punto que si se interrumpiese generaría un desorden en diferentes aspectos del ser humano. Por tal razón es que debemos de sacar provecho a los múltiples beneficios que nos ofrece la electricidad, pues gracias a ella podemos hacer todo lo que esté en nuestro alcance.

Figura 3. Energía Eléctrica Recuperada de: Energía Eléctrica

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4.1.

Efecto joule

Primero, el efecto joule es reconocido por la producción de calor que se circula en una corriente eléctrica. Este efecto es generado por el respetado físico James Prescott Joule, que logro indagar en la década de 1860. Nombrando que la corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia. En base a ello Gamboa sostiene que: La más conocida interacción entre un fenómeno eléctrico, la conducción de corriente eléctrica, y su fenómeno térmico asociado, el calentamiento del conductor por el que circula dicha corriente, es el efecto Joule. Esto es debido a que el material por el que circula la corriente eléctrica ofrece una determinada resistencia al paso de ésta, es decir al...