Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

Pregrado → Electromagnetismo → Circuitos eléctricos ↓


Electricidad y energía eléctrica


La electricidad es una parte fundamental de la vida moderna, alimentando todo, desde pequeños electrodomésticos hasta máquinas industriales y los sistemas de red que iluminan nuestros hogares y ciudades. Los dos conceptos centrales que sustentan los circuitos eléctricos en el electromagnetismo son la potencia y la energía eléctrica. Analicemos estos conceptos en detalle, utilizando ejemplos simples e ilustraciones para aclarar su significado e importancia.

Comprendiendo la corriente eléctrica y el voltaje

Antes de aprender sobre la potencia y la energía, es necesario comprender los conceptos básicos de corriente eléctrica y voltaje, que son fundamentales para entender los circuitos eléctricos.

La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica a través de un conductor. Se mide en amperios (A). La corriente eléctrica puede pensarse como el flujo de agua en una tubería. Cuanto mayor sea el flujo (corriente), más electricidad fluirá.

I = Q / t

Donde I es la corriente, Q es la carga eléctrica en coulombs, y t es el tiempo en segundos.

El voltaje, o diferencia de potencial eléctrico, es la energía por carga necesaria para mover cargas de un punto a otro. El voltaje se mide en voltios (V) y es similar a la presión del agua en nuestra analogía de flujo de agua.

Definiendo la potencia eléctrica

En un circuito eléctrico, la potencia es la tasa a la que se transfiere energía eléctrica a través de un circuito eléctrico. La unidad básica de potencia es el watt (W), que equivale a un joule por segundo.

P = VI

Donde P es la potencia en watts, V es el voltaje en voltios, y I es la corriente en amperios.

En la analogía del flujo de agua, la potencia se puede comparar con la combinación de presión de agua y el caudal entregando agua a través de un sistema.

Ejemplo

Imagina que una bombilla está conectada a un circuito con un voltaje de 120 voltios y una corriente de 0.5 amperios está fluyendo a través de ella. La potencia consumida por esta bombilla es:

P = VI = 120V * 0.5A = 60W

Cálculo de energía eléctrica

Mientras que la potencia es la tasa de transferencia de energía, la energía se refiere a la cantidad total de trabajo realizado o calor generado. La energía en los sistemas eléctricos se mide generalmente en vatios-hora (Wh) o joules (J).

La energía eléctrica se puede calcular multiplicando la potencia por el tiempo consumido:

E = Pt

Donde E es la energía, P es la potencia y t es el tiempo en horas o segundos, dependiendo de la unidad de energía que se esté calculando.

Ejemplo

Si la misma bombilla de 60 vatios del ejemplo anterior se mantiene encendida durante 5 horas, la energía consumida se puede calcular de la siguiente manera:

E = Pt = 60W * 5h = 300 Wh

Resistencia y pérdida de potencia

En los circuitos eléctricos reales, los cables y otros componentes tienen resistencia, medida en ohmios (Ω), lo que provoca que la potencia se pierda como calor. Esto se describe mediante la ley de Joule:

P = I²R

Donde R es la resistencia.

Ejemplo

Un elemento calefactor con una resistencia de 10 ohmios está conectado a una batería de 12 voltios. La corriente que fluye a través del elemento se da por la ley de Ohm de la siguiente manera:

I = V / R = 12V / 10Ω = 1.2A

La pérdida de potencia debido a la resistencia (o potencia consumida en la generación de calor) es:

P = I²R = (1.2A)² * 10Ω = 14.4W

Este ejemplo muestra que la resistencia causa que la energía se disipe en forma de calor, lo cual es un factor importante en el diseño de circuitos eficientes.

Visualización de conceptos de potencia y energía

Para entender esto mejor, considera un circuito eléctrico como un lazo en el que una batería suministra potencia a una carga (por ejemplo, una bombilla o resistor), como se muestra a continuación:

Batería Carga

Aquí, la batería proporciona un voltaje que impulsa una corriente a través del circuito, iluminando la bombilla y proporcionando energía, que es la esencia de la transferencia de potencia en un circuito eléctrico.

Potencia en circuitos de corriente alterna

La potencia de corriente alterna (CA) se utiliza en la mayoría de los hogares e industrias. En los circuitos CA, los cálculos de potencia se vuelven un poco más complicados porque tanto la corriente como el voltaje varían con el tiempo.

La potencia CA se puede representar como:

P(t) = V(t)I(t)

La potencia efectiva (promediada en el tiempo), particularmente para voltajes y corrientes sinusoidales, se da como:

P = VI cos(ϕ)

Donde ϕ es la diferencia de fase entre voltaje y corriente. cos(ϕ) se conoce como el factor de potencia, que indica la eficiencia del uso de la potencia.

Ejemplo

Para un electrodoméstico que funciona con un voltaje CA de 230 voltios y una corriente de 5 amperios con un factor de potencia de 0.8, la potencia real se puede calcular como:

P = VI cos(ϕ) = 230V * 5A * 0.8 = 920W

Conversión entre unidades de energía

En la práctica, la energía a menudo se expresa en varias unidades diferentes, incluidos joules, vatios-hora y kilovatios-hora (kWh). Convertir entre estas unidades es importante para comprender y comparar el consumo de energía.

1 vatio-hora es igual a 3600 joules, porque:

1 Wh = 1 W * 1 hora = 1 J/s * 3600 s = 3600 J

Cuando se trata de escalas más grandes, como el consumo de energía residencial, se utilizan típicamente kilovatios-hora:

1 kWh = 1000 Wh = 3.6 x 10^6 J

Ejemplo

Si un aire acondicionado consume 2000 watios durante 3 horas, la energía total utilizada es:

E = Pt = 2000W * 3h = 6000 Wh = 6 kWh

Eficiencia energética

Un aspecto esencial del uso de energía eléctrica es hacerlo de manera eficiente. Esto reduce el desperdicio y conserva los recursos. La eficiencia se define como la razón entre la potencia útil de salida y la potencia de entrada:

Efficiency (%) = (Potencia Útil de Salida / Potencia de Entrada) x 100

Por ejemplo, si un electrodoméstico proporciona 90 vatios de potencia útil de salida por 100 vatios de entrada, la eficiencia sería:

Efficiency = (90W / 100W) x 100 = 90%

Implicaciones sociales y tendencias futuras

Comprender la potencia y energía eléctrica es importante no solo para la ingeniería, sino también para la vida diaria. La electricidad alimenta nuestros hogares, industrias y servicios. Aumentar la eficiencia energética y desarrollar nuevas tecnologías para la producción y uso de energía son importantes para el desarrollo sostenible.

Las tecnologías emergentes incluyen fuentes de energía renovable como la solar y la eólica, que convierten la energía natural en energía eléctrica. Las innovaciones también apuntan a mejorar la eficiencia de los electrodomésticos eléctricos para reducir el consumo general de energía y su impacto ambiental.

A medida que la demanda de electricidad continúa creciendo, la producción, distribución y uso eficiente de la electricidad continuará siendo un área esencial de enfoque para la física, la ingeniería y la sociedad.

Conclusión

La potencia y la energía eléctrica son conceptos fundamentales en los campos del electromagnetismo y los circuitos eléctricos. Al comprender estos conceptos, podemos utilizar eficientemente la electricidad para alimentar la miríada de dispositivos y sistemas que definen la vida moderna. Ya sea a través de cálculos que involucran P = VI o analizando el factor de potencia en circuitos CA, dominar estas ideas es importante para cualquier persona que estudie física o trabaje con sistemas eléctricos.


Pregrado → 2.2.6


U
username
0%
completado en Pregrado

← Anterior (2.2.5)
Circuitos de CA y Reactancia
Siguiente (2.3) →
Magnetismo

Comentarios 



Electricidad y energía eléctrica

https://www.physicsflow.com/ug/2.2.6?pfal=es