DEPARTAMENTO DE FÍSICA (4ºBTO) Electricidad Guía de problemas Datos útiles 1 cal equivale a 4,18 J 1 kWh equivale 3,6 106 J Intensidad de corriente eléctrica, Diferencia de potencial y Resistencia 1) Se conecta una resistencia de 22 . a una fuente de tensión de 220 Volt. ¿Qué corriente circulará por ella? 2) Por una resistencia, que se conecta a una fuente de 12 V, se desea que circule una corriente de 0,5 A ¿qué valor deberá tener la resistencia? 3) En las dos situaciones, mostradas en el dibujo, se enciende una lámpara (con una resistencia de 40 ). En el caso A se usa una pila chica y en el caso B una pila grande. El amperímetro está conectado para medir la corriente eléctrica que circula por el circuito. Pila Pila 1,5 V A Lámpara a) Calcular para cada caso la corriente que circula por el circuito b) ¿Cuál es la diferencia entre colocar una pila grande y una chica? 1,5 V Amperímetro caso A A Lámpara Amperímetro caso B 4) En el ejercicio anterior, ¿qué resistencia deberá tener una nueva lámpara para que la intensidad de corriente sea de 500 mA? (mA= miliAmpers) 5) Se realizó un experimento para analizar qué intensidad de corriente circula por dos elementos distintos. Para ello se utilizó una fuente de tensión variable (dispositivo que a través de una perilla permite regular la tensión de la misma). Los valores obtenidos fueron los siguientes: Fuente de tensión variable Amperímetro A material Material A Tensión Intensidad (V) (A) 0 0 2 0.4 4 0.8 6 1.2 8 1.6 ORT 2011 Material B Tensión Intensidad (V) (A) 0 0 2 0.2 4 0.4 6 0.8 8 1.6 a) b) c) Graficar para ambos casos, la diferencia de potencial entre los extremos de cada elemento en función de la intensidad de corriente. ¿Cuál de los dos materiales cumple con la ley de Ohm? Para ese material, hallar el valor de la resistencia eléctrica. 1 6) El daño causado por un choque eléctrico depende de la corriente que fluye a través del cuerpo, como se indica en la siguiente tabla (datos sacados del libro “Física Conceptual”) Intensidad (mA) 0,1 1 5 Más de 15 70 Efectos No se siente nada Se siente Puede causar dolor Se pierde el control de los músculos Puede causar la muerte Una persona con la piel seca posee una resistencia, desde un brazo hasta el otro, de 105 ; pero cuando la piel está húmeda la resistencia puede bajar hasta 5x103 . a) ¿Cuál será la máxima diferencia de potencial que podrá existir entre los brazos de una persona con la piel seca, para que no sienta nada? b) ¿Cuál será la mínima diferencia de potencial que puede provocar contracción muscular en una persona con la piel húmeda? 7) El siguiente gráfico indica como varía la corriente en función de la tensión (diferencia de potencial) en un Led. Un Led es una especie de lamparita, suelen utilizarse, por ejemplo, en los controles remotos de los televisores y son de color rojo o verde En rigor, los Leds son diodos luminosos. a) Se sabe que si se lo conecta con una pila de 1,5V no enciende en cambio con 2 pilas se quema. ¿Puedes explicar por qué? b) ¿Cumple el Led con la ley de Ohm? Justificar I (mA) 300 200 U (Volt) 100 1 2 3 4 8) En cada circuito calcular la resistencia total (resistencia equivalente): Caso A Caso B =9V =9V R1=5 R2=10 R1=5 R2=10 R1 R1 R2 R2 9) Cada uno de los circuitos está constituidos por una pila de 9 V y 2 resistencias, uno está armado en serie y otro en paralelo. Para cada caso, se pide: a) Calcular la resistencia total. ORT 2011 2 b) c) d) e) Calcular la corriente que circula por cada una de las resistencias. Calcular la diferencia de potencial en los extremos de cada una de las resistencias. Calcular en cada caso la corriente que circula por los punto: A, B, C, D y E. Hallar la diferencia de potencial entre los siguientes puntos: VBC, VDE, VAB, VBE y VAE. Caso A Caso B =9V Para ambos circuitos R1=3 R2=6 A B F D R1 C G =9V A R1 B R2 E R2 C D E 10) En el siguiente circuito se disponen de las siguientes resistencias. Indicar cómo se deberán colocar para que: R1=10 a) ITotal= 2 A =12V b) ITotal=0,8 A R2=15 c) ITotal=1,2 A IT d) ITotal=0,48 A e) Hacer un esquema para cada caso. A B Potencia y Energía eléctrica 11) Las características de una lámpara eléctrica son 220 V y 75 W. Hallar su resistencia cuando está encendida y la intensidad de corriente que circula por ella. 12) Una lámpara para un automóvil de 4 de resistencia se conecta a la batería de 12 V a) Calcular la intensidad de corriente que circula y la potencia de la lámpara. b) ¿Cuántos Joules de energía consumirá, si se la deja encendida durante 4 horas? 13) Por un motor eléctrico que se conecta a una fuente de tensión de 220 V, circula una corriente de intensidad 2,5 A. Hallar la resistencia, la potencia y la energía que se suministra al motor durante dos horas de funcionamiento (expresar la energía en Joules, kwh y calorías). ORT 2011 3 14) Magnitudes: vinculá con flechas las magnitudes físicas con sus respectivas unidades. Intensidad de corriente Tensión Potencia Corriente eléctrica Fuerza eléctrica Energía Diferencia de potencial Carga eléctrica HP (Horse-power) W (Watt) A (Ampere) Kwh (Kilowatthora) cal (caloría) CV (Caballo- vapor) J (Joule) V (Volt) C (Coulomb) Newton 15) Comparar lo que sucede en 2 circuitos, cuya única diferencia es que, en uno, la resistencia es el doble que el otro : Para cada caso calcular: =20V a) La energía entregada por cada resistencia en 10 minutos. b) La potencia total del circuito. c) ¿Cuál pila se gastará más rápido? d) Si se utilizan para calentar agua, ¿cuál de los dos lo hará más rápidamente? =20V 5 Caso A 10 Caso B 16) Se consideran tres bombitas de luz cuyas características de voltaje y potencia son las siguientes: 1. 110 V 75 W 2. 220 V 75 W 3. 220 V 150 W a) Clasificá por orden creciente las resistencias de las tres bombitas. b) Clasificá por orden creciente las intensidades que atraviesan la bombita cuando está conectada a la tensión adecuada. 17) Para resolver el ejercicio tendrás que leer la siguiente información: Al calentar un líquido, cuanto mayor energía se le entregue, más subirá su temperatura Para el agua se demuestra que: Temperatura Energía Entregada (Joule) = masa de agua (g) Temperat. (ºC) 4,18 Jouile/(gºC) Por ejemplo si la temperatura de 100 g agua subió de 10ºC a 25ºC, la energía entregada fue de EEntregada= 100g (25ºC-10ºC) 4,18 Jouile/(gºC) = 6270 J ORT 2011 Energía Entregada 4 En el circuito eléctrico que se muestra en la figura, la resistencia es la encargada de entregar energía (que es la que calienta el agua). Calcular: a) b) c) d) ¿Qué cantidad de energía tendré que entregarle a 100 kg de agua para que su temperatura suba de 10 ºC a 40 ºC ? 50 Si para calentar, es decir entregarle la energía calculada en el punto anterior, se dispone de un calentador eléctrico de 50 conectado a la red de 220 V. ¿Cuál será la potencia y cuánto se tardará en calentarlo? Si se deja encendido el calentador durante 5 horas ¿Qué temperatura alcanzará el agua? Si se lo deja encendido durante 20 horas ¿qué es lo que sucederá con la temperatura del agua? 18) En el siguiente circuito: a) Calcular la potencia disipada por cada resistencia b) Calcular la energía entregada, por cada resistencia, en 10 minutos =9V R1=3 R2=6 R1 R2 19) En el siguiente circuito: a) Calcular la potencia disipada por cada resistencia b) Calcular la energía entregada, por cada resistencia, en 10 minutos =9V R1=3 R2=6 R1 R2 20) Se utiliza el siguiente dispositivo para hervir 200 g de agua que se encuentran inicialmente a una temperatura de 10 ºC. Calcular: =20V a) ¿Cuánto tiempo tardará en hervir el agua? b) ¿Cuánta energía consumió la pila? R1=10 c) ¿Cuánta energia se desaprovechó? R2=20 R1 R2 21) Se utiliza el siguiente dispositivo para hervir 200 g de agua que se encuentran inicialmente a una temperatura de 10 ºC. Calcular: =20V a) ¿Cuánto tiempo tardará en hervir el agua? b) ¿Cuánta energía consumió la pila? R1=10 c) ¿Cuánta energia se desaprovechó? R2=20 R1 R2 ORT 2011 5 22) La siguiente tabla indica los artefactos utilizados en una vivienda con sus correspondientes potencias y las horas diarias que están encendidos normalmente (conectados a la red de 220 V). Artefacto 1 televisor 1 heladera 10 lamparitas 1 lavarropas 2 acondicionadores de aire 1 plancha Potencia (W) (por unidad) 200 150 60 650 1800 500 tiempo (h) (por unidad) 5 24 6 3 7 1 Si bien la heladera está enchufada durante las 24 hs, el motor no funciona todo el tiempo, es por eso que la potencia de 150 w está tomada como valor promedio a) Calcular el consumo bimestral en kwh y su costo. b) Si se utilizan todos los artefactos simultáneamente ¿qué corriente circulará por el tablero principal? 23) A veces se cometen imprudencias a la hora de enchufar cosas, ¡éste es un ejemplo!. Si se hace funcionar “todo” simultáneamente, ¿qué intensidad corriente pasará por A, B, C, D, E, F, G y H? Conectado a la red de 220Volt C Lavarropa 500W D Heladera 500W A B Triple E F Triple G H Licuadora 200W Horno a microondas 500W Tostador eléctrico 1000W 24) Analizaremos el siguiente transformador, para ello se pide calcular: 220 V 0,5 A Pérdida de potencia del 10% 110 V B TV tomacorriente a) b) c) d) ¿Qué potencia consume el transformador de la red (tomacorrientes de la casa)? ¿Cuánto se desperdicia y cuánto se entrega? ¿Qué intensidad de corriente pasa por el cable B? Si se lo deja funcionando durante 10 minutos, ¿Cuánta energía (en Joules) consumió, cuánta aprovechó y cuánta desperdició? ORT 2011 6 250 200 V (volt) 25) La figura muestra cómo varía el voltaje en el filamento de una lámpara incandescente en función de la corriente que pasa por ella. Explicar cómo varía la resistencia del filamento a distintas intensidades de corriente. 150 100 50 0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 I (miliAmp.) a I(A) t= 26) En EEUU, la corriente alterna tiene una frecuencia de 60 Hz, mientras que en nuestro país la frecuencia es de 50 Hz Cuál ¿Qué gráfico corresponderá a cada país? 27) Completar en el gráfico el valor del período en cada caso (el período es el tiempo que tarda en cumplirse un ciclo) t(s) b I(A) t= t(s) 28) Analizar la situación planteada en el siguiente diálogo: - Me han dicho que la corriente eléctrica son electrones que circulan por un cable - Si, es cierto. - Estos electrones deben ir muy deprisa, ¿no? - Mucho menos de lo que crees, como se la pasan chocando y rebotando con los átomos del cable, avanzan muy lentamente, a menos de 1 mm/s en promedio. - Pero entonces ¿cómo es que cuando toco el pulsador de la puerta del jardín, el timbre que está en la casa a 10 m de distancia suena inmediatamente y no varias horas después? 29) Tengo una linterna que funciona con dos pilas chicas, ¿qué pasa si la conecto a dos pilas grandes? (es decir, ¿cuál será la diferencia?) ¿se quemará la lámpara? (suponer que las pilas grandes entran bien en la linterna) ¿Y si fuera al revés? 30) Explicar lo que sucede en un “corto-circuito”, es decir, qué es lo que sucede con la corriente y por qué. ¿Es lo mismo un “corto- circuito” que un circuito corto? ORT 2011 7 16,00 Para las siguientes situaciones, marcar la o las opciones verdaderas (puede haber más de una) 31) En el siguiente circuito paralelo, donde R1 > R2 se puede afirmar que: I1 > I2. VBC > VDE. VCG = 0. IA > IH. VBC + VDE =. R1>R2 A B R1 H C F G D R2 E 32) En el siguiente circuito serie R1 es el doble que R2. Se puede afirmar que: Como R1 es mayor a R2 La corriente que circula por R1 será mayor a la que circula por R2. No importa el valor de las resistencias siempre la corriente que pasa por R1 será igual a la que pasa por R2. E Como R1 es mayor a R2 la tensión entre los extremos de R1 R2 R1 será menor a la tensión entre los extremos de R2. No importa el valor de las resistencias siempre se A B C D verificará IE = I1 + I2. La corriente que circula por R1 será mayor a la que circula por R2 ya que algo de la corriente se disipa en forma de calor al pasar por R1. 33) Se puede calcular la energía entregada por la resistencia R1 teniendo los siguientes datos: ; R1; y R2. VAB; I1, tiempo. I1; I2; . I1; VAB; . VAB; ; tiempo. E R1 A R2 B C D 34) ¿Cuál de las siguientes series de valores podrían corresponder al circuito de la figura? I1=2A I2=1A VAB = 5V VCD =6V I1=3A I2=3A VAB = 15V VCD =6V I1=1A I2=1A VAB = 5V VCD =6V I1=2A I2=2A VAB = 5V VCD =6V Ninguna de las anteriores es correcta. =11V. =9V. =11V. =1V. R1 A ORT 2011 R2 B C D 8 35) En relación a los conceptos de tensión y corriente, se puede afirmar que: La tensión es la cantidad de carga que fluye por un circuito y se puede medir en Volt. La corriente es la energía que fluye por un circuito y se puede medir en Ampere. La corriente es la cantidad de carga por unidad de tiempo que fluye por un circuito y se puede medir en Ampere. La tensión es la diferencia de energía potencial eléctrica por unidad de carga entre dos puntos de un circuito y se puede medir en Joules. Ninguna de las anteriores es correcta. 36) ¿Qué es la potencia eléctrica? La potencia eléctrica es la cantidad total de energía que un circuito es capaz de transformar en otro tipo de energía y se pude medir en Joule. La potencia eléctrica es la rapidez con que la energía eléctrica se transforma en otro tipo de energía Se puede medir en Watt. La potencia eléctrica es la rapidez con que la corriente eléctrica se transforma en otro tipo de energía Se puede medir en Ampere. La potencia eléctrica es la cantidad total de energía que un circuito es capaz de transformar en otro tipo de energía y se pude medir en Watt. Ninguna de las anteriores es correcta. 37) Respecto de las unidades podemos afirmar que: La potencia se puede medir en Kwh, la energía en Joule y la corriente en Ampere. La carga se puede medir en Volt, la corriente en Coulomb y la intensidad de campo eléctrico en Newton. El potencial eléctrico se puede medir en Joule, la energía en Kwh La energía se puede medir en calorías, la potencia en Watts y el tiempo en días. La fuerza se puede medir en Newton, el peso en kg y la energía en Kwh. Autoevaluación 38) Las potencias P1, P2 y P3 disipadas, respectivamente, en los resistores R1, R2 y R3, cumplen con la condición: a) P1 = P2 = P3 b) P1 <P2 < P3 c) P1 < P3 < P2 d) P2 < P3 < P1 e) P3 < P1 < P2 (elegir una única opción) ORT 2011 Elemento Intensidad Resistencia 1 I R 2 2I R/2 3 I/2 2R 9 38) Si quisiera calentar 1 litro de agua a 25 ºC a 100 ºC en 5 minutos aproximadamente, ¿cuál de los calentadores que se indican en la figura escogería? T (ºC) 39) Un líquido de masa m= 1 kg y de calor específico “c”, desconocido, se coloca en un calorímetro. Una resistencia eléctrica, sumergida en el líquido, está sometida a un diferencia de potencial VA,B = 12 V, y es recorrida por una corriente de intensidad I = 5 A A partir del siguiente gráfico que muestra la temperatura alcanzada `por el líquido en función del tiempo y de los datos anteriores, calcular el valor de “c”. 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t (s) ORT 2011 10 Sistema de protección de instalaciones eléctricas 40) Leer el siguiente texto y responder las preguntas Fusibles y llaves térmicas En todos los circuitos debe haber una protección contra la circulación de corrientes elevadas ( es importante aclarar que cuando circula una corriente por un cable este se caliente , si ésta es muy elevada el calor pude hacer que se funda el materia o hasta incluso generar fuego). Los elementos de seguridad de las instalaciones eléctricas pueden agruparse en 2 tipos los fusibles y los automáticos El fusible es el más económico pero presenta la desventaja que una vez que actuó debe reemplazarse y como su funcionamiento involucra su destrucción es imposible ensayarlo (ensayar un fusible seria algo parecido a ensayar un fósforo para ver si enciende) La idea del fusible es la siguiente: si por alguna razón circula una corriente elevada que daña el circuito, deliberadamente se coloca un cable delgado para que sea lo primero que se rompa es decir si no puedo evitar algo que por lo menos ocurra por donde yo deseo. La llave térmica cumple la misma función de desactivar el circuito cuando la corriente que pasa es muy elevada, con la ventaja que luego de arreglar el desperfecto que originó la sobre corriente se activa nuevamente la llave sin necesidad de reponer nada. Estos sistemas solo protegen a la instalación, no protegen a las personas de sufrir descargas eléctricas es decir si por algún motivo una persona sufre un shok de corriente de por ejemplo 0,05 Ampere las consecuencias serían fatales en cambio no alcanzaría a activar los sistemas descriptos. Disyuntores Diferenciales Vivo 220 V Neutro IV IN IVIVO INEUTRO Si IV ≠ IN Se desactiva el circuito Aparato Descarga sobre la persona La idea consiste en un circuito como el de la figura, en que se puede apreciar que una carga cualquiera (por ejemplo un televisor) que toma de la red una corriente. Esta corriente la denominaremos Iv en el cable de “ida”, y vale In en el cable de “vuelta”, Lo de ida y vuelta se pone entre comillas dado que tratándose de corriente alterna, continuamente estará cambiando de sentido, pero no obstante se emplea esta denominación por comodidad. ORT 2011 11 Existe un dispositivo que compara las intensidades de ambas corrientes, de existir una diferencia entre ellas abre o desactiva el circuito. Dado que lo que mide es la diferencia entre ambas corrientes, el dispositivo se denomina diferencial y detecta tanto el accidente de una persona como la fuga de corriente a Tierra por mala aislación de alguno de los conductores Es decir este sistema no protege a la instalación o los artefactos por sobre-corrientes ( es decir que circule corrientes elevadas que puedan dañar la instalación o quemar algún aparato), si no que solo detecta las posibles descargas a tierra en particular la que mas importa es aquella que ocurre a través de las personas. Cuenta Agustín Rela ( Licenciado y profesor de física, entre otras cosas): En una oportunidad mientras aguardábamos en una ferretería que nos atendieran, vimos el demostrador de un disyuntor diferencial para protección domiciliaria con un cartel que sugería: Humedézcase el dedo y pruebe aquí. Así procedimos, con aire de suficiencia, el shock fue tan intenso, que todavía recordamos la marca autora de tan infeliz sugerencia. La protección actuó Este relato nos permite hacer un comentario importante, el disyuntor no evita la el schok eléctrico sobre las personas (la llamada “patada”) lo que evita es que uno se quede “pegado”. Preguntas a) Cuáles son los 3 dispositivos mencionados, cuáles protegen a las instalaciones y cuáles a las personas? b) Cómo trabaja cada uno de ellos? c) Por qué el nombre “disyuntor diferencial” d) Si por error pongo el dedo en un enchufe, se activa una llave térmica? e) En el laboratorio qué sistema de protección se utiliza y en tu casa? ORT 2011 12 Respuestas 1) 10 A 2) 24 3) a) 0.037 A b) La lámpara quedará encendida por más tiempo 4) 3 5) b) El primero cumple. c) RA = 5 6) a)10V b)75V 7) a)Fijate a partir del gráfico la corriente que pasa para una tensión de 1.5 V. b) El diodo es un típico caso donde no se cumple la ley de Ohm (tensión y corriente no son proporcionales). 8) CasoA) R=3,33 CasoB) R= 15 9) CasoA) a) Rt=2 b) I1=3A I2=1,5A c) 9V d) IA=4,5A IB= IC=3A ID= IE=1,5A e) VBC=VDE=VBE=VAE=9V VAB=0 CasoB) a) Rt=9 b) I1=I2=1A c) V1=3V V2=6V d) IA=IB= IC=ID= IE=1A e) VBC=3V VDE=6V VAB=0 VBE=9V VAE=9V 10) a) En paralelo b) Sólo R2 c) Sólo R1 d) En serie 11) I = 0,34A, R = 647. 12) a)I=3A b)E=518400 J 13) R=88, P=550W, E=3.960.000 J= 1,1kWh = 947368cal. 15) a) Energía entregada por A: 48000 J, por B: 24000 J; b) Potencia A: 80 W, Potencia B: 40 W; c) la pila A; d) El circuito A 16) a) R2 > R3 > R1; b) I2 < I1 = I3. 17) a) 3000 Kcal=12.540.000 J b) La potencia es igual a 968 W y tarda 12.954 segundos aprox., lo que equivale a 3 hs 35 min 54 segundos. c) 51.68ºC d) Llegará hasta 100ºC (el agua hierve a 100ºC y no eleva más su temperatura hasta evaporarse en su totalidad) 18) a) P1=27w P2=13,5w b) E1= 16.200J E2= 8.100J 19) a) P1=3w P2=6w b) E1= 1.800J E2= 3.600J 20) a) 8464.5 segundos b) 112.860 J c) 50.160 J 21) a) 3762 segundos b) 225.720 J c) 150.480 J 22) a) 20,01 Kwh b) 23) IA = IB = 12.27 A, IC = ID = 2.27 A, IE = IF = 7.72 A, IG = IH = 2.27 A 24) a) 110W; b) desperdicia 11 W y entrega 99 W, c) 0,9 A; ORT 2011 13 d) consumió 66000 J, desperdició 6600J y aprovechó 59400 J 26) y 27)b) Argentina T = 0,02 segundos a) Estados Unidos T = 0,016 segundos 28) Suponé que querés regar el pasto con una manguera muy larga. Al abrir la canilla, si la manguera inicialmente estaba llena, el agua sale por el otro lado casi instantáneamente, pero el agua que sale inicialmente es la que estaba en el extremo de la manguera, no la que sale de la canilla (ésta llegará mucho después). El cable está lleno de electrones, cuando apoyás el dedo sobre el interruptor se establece un campo eléctrico en todo el circuito, que pone en movimiento los electrones de todo el cable. En un cortísimo tiempo todos los electrones del cable se empiezan a mover. Los que pasan por el timbre son los que lo hacen sonar y no los que pasan por el interruptor, estos últimos llegarán horas después, si se mantiene el dedo sobre el botón) 29) Tanto 2 pilas chicas, como grandes (cada pila es de 1.5V),tendrán una tensión o fuerzaelectromotriz de 3 V por lo tanto la lámpara no se quemará`. 30) En un corto, la resistencia adopta valores muy pequeños (casi nulos ) y la corriente que circula es elevadísima. 31) 31) a 37)Todos los choice tienen una sola respuesta correcta, encontrala solo: Autoevaluación 38) e) 39) a) 40) 600 J/kg ºC o ORT 2011 0,144 cal/ g ºC 14