Luminotecnia

 La luminotecnia es la ciencia que estudia las distintas formas de producción de luz, así como su control y aplicación.



   El proceso de iluminación requiere de una fuente de luz y un objeto a iluminar. Las magnitudes fotométricas más importantes son: flujo luminoso, intensidad luminosa, iluminancia y luminancia. Vamos a estudiar estas magnitudes y algunas cosas más sobre luminotecnia.

   ¿Qué es el Flujo Luminoso?

   El flujo luminoso o flujo de una fuente luminosa (por ejemplo una bombilla) es la cantidad total de luz emitida o radiada, en un segundo, en todas las direcciones.

   El significado del flujo luminoso es el de la potencia propia de una fuente de luz. Mide la energía global emitida por una fuente luminosa.



   El símbolo del flujo luminoso viene indicado por la letra  griega Φ (fi mayúscula).

   La unidad del flujo luminoso es el lumen (lm) y como unidad de potencia corresponde a 1/680 vatios emitidos a la longitud de onda que corresponde a la máxima sensibilidad del ojo humano (5500 angstrom).

   Aquí te dejamos los valores típicos de flujo luminoso:



   El flujo luminoso se puede medir con la llamada esfera de Ulbritch.

  Si se considera que la fuente de luz es una lámpara, una parte del flujo luminoso lo absorbe el propio aparato de iluminación. También hay que decir que el flujo luminoso no se distribuye de forma uniforme en todas las direcciones y que disminuye si sobre la lámpara se deposita polvo y otras sustancias. 

   ¿Qué es la Intensidad Luminosa?

   La intensidad luminosa de una fuente de luz es la cantidad de luz emitida, en un segundo y en una determinada dirección. Fíjate que aquí ya no es en todas las direcciones si no en un dirección fija y determinada. En la imagen siguiente la intensidad luminosa sería la cantidad de luz del rayo que apunta en la dirección hacia el punto P, en un segundo.



   La intensidad luminosa se nombra con la letra I y su unidad es la candela cuyo símbolo es cd.

   La candela es la unidad fundamental de la luminotecnia y se define como: 1/60 de la intensidad luminosa por cm² del cuerpo negro a la temperatura de solidificación del platino (2042ºK).

   Para que te hagas una idea, una lámpara incandescente de 100w, tiene una luminosidad o intensidad luminosa de unas 130 candelas.

   La intensidad luminosa no se distribuye por igual en el espacio debido a varias causas. La causa principal es que las fuentes de luz no emiten la luz en forma puntual (puntiformes), si no que tiene forma de bucles o rejillas, las cuales originan flujos luminosos no uniformes. Otras causas son la forma del casquillo donde va colocada la fuente de luz (lámpara) y la forma de la propia fuente de luz, es decir, la forma de la lámpara o bombilla.

   Medida de la Intensidad Luminosa

   Se realiza con unos aparatos llamados goniofotómetros, cuya misión consiste en sostener los aparatos de iluminación, también llamados luminarias, y hacerlos girar en distintas posiciones, de forma que el centro de giro coincida con el centro óptico de dichas luminarias.



   También se puede medir la intensidad luminosa con el banco fotométrico, constituido por una regla graduada sobre la cual se desplaza la fuente luminosa, la fuente patrón y el fotómetro.

   Iluminancia o Nivel de iluminación

   Es una magnitud característica del objeto iluminado, que indica la cantidad de luz que incide sobre su superficie, al ser iluminado por la fuente.

   La iluminancia se representa por la letra E, siendo su unidad el lux (lx).



   El nivel de iluminación conseguido sobre una superficie es directamente proporcional al flujo luminoso que incide sobre ella e inversamente proporcional a la citada superficie. Veamos la fórmula:

   Em = Φ/S

   Donde:

   Em = Iluminación media  sobre la superficie en lux
    Φ  = Flujo luminoso en lúmenes.
     S  = Superficie iluminada en metros cuadrados.

   Veamos un ejemplo:

   La iluminación media de una superficie de 4 x 5 m sobre la que incide un flujo luminoso de 6.000 lúmenes será:

   Em = Φ/S = 6.000/20 = 300 lux

   Hay otra fórmula para calcular el nivel de iluminación cuando la superficie y la dirección de la luz son perpendiculares.

   "El nivel de iluminación, sobre una superficie situada perpendicularmente a la dirección de la radiación, es proporcional a la intensidad luminosa del foco (I), e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que la separa del mismo". Expresado mediante fórmula sería:

   E = I/d²
   E = nivel de iluminación en lux
   I = Intensidad luminosa en candelas
   d = distancia en metros.

   Esta fórmula solo se cumple cuando se trata de una fuente de luz puntiforme; así pues, la iluminancia calculada corresponde solo a un punto de todo el flujo luminoso. Veamos un ejemplo:

   Una intensidad luminosa de 500 candelas producirá sobre un punto situado a 5m una iluminación de:

   E = I/d² = 500/25 = 20 lux

   Si el punto estuviese a 10m, o sea, al doble de distancia, la iluminación sería:

   E = 500/100 = 5 lux; como ves no es la mitad.

   La medida del nivel de iluminación se suele hacer con un aparato llamado Luxómetro.

  Para tener una referencia sobre lo que es un lux, aquí te dejamos una tabla:




   Luminancia

   Se llama luminancia a la sensación luminosa que, por efecto de la luz, se produce en la retina del ojo, y tiene lugar tanto en una fuente de luz primaria (que emite luz), como un una de luz secundaria (que refleja luz).

   La luminancia mide el brillo de los objetos iluminados o fuentes de luz. Se simboliza con la letra L.

   La luminancia es la relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente. La superficie aparente es la proyección dela superficie real sobre un plano perpendicular a la dirección de la mirada. El valor de la superficie aparente se calcula como producto de la superficie real por el coseno del ángulo que forma la dirección de la mirada con la perpendicular a dicha superficie (cos Θ).



   Su fórmula es:

  L = I/ (S x cos Θ )

  I = Intensidad luminosa en candelas.
  S = Superficie en cm²  o m² 
  L = Luminancia en cd/cm²   o   cd/m² 

   Si el área se representa por cm², la luminancia se expresa en candelas/cm²  y si el área se expresa en m², la luminancia se expresa en candelas/m² .

   Según la fórmula anterior, la luminancia será máxima, cuando el ojo se encuentre en la perpendicular a la superficie que lo produce.

  Valores de luminancias son:
  


   Un tubo fluorescente tiene unas 0,75 candelas/metros cuadrados.

   Deslumbramiento

   Se produce por tener un brillo demasiado grande el objeto que se observa.

   En tal caso, la cantidad de luz que recibe la retina es muy elevada, dando lugar a una especie de agotamiento de la retina y originando una ceguera transitoria en el área del brillo.

   En el caso de las lámparas, cuanto mayor sea su superficie para un mismo flujo, menor será el deslumbramiento, aunque a veces interesa obtener el máximo brillo como en proyectores cinematográficos.

   Eficiencia Luminosa

   Eficiencia luminosa o rendimiento luminoso de una fuente de luz es la relación entre el flujo expresado en lúmenes de la fuente luminosa y la potencia de la lámpara o fuente. Se expresa en lúmenes/watt.

   Eficiencia = Φ/P
   
   Esta magnitud nos indica la eficiencia con la que se convierte la energía consumida por la bombilla en luz. Veamos algunos valores típicos:



 Resumen de las fórmulas de luminotecnia



   Curvas Fotométricas

   La fotometría es la ciencia que se encarga de la medición de la intensidad de la luz percibida por el ojo humano y la curva fotométrica la herramienta gráfica que proporciona la información necesaria para la correcta selección de luminarias para un determinado espacio.

   La forma más sencilla de hallar la distribución de la luz emitida por una fuente de luz, consiste en representar gráficamente dicha distribución mediante unas curvas denominadas curvas fotométricas o distribución luminosa de intensidades iguales.

   Las curvas se obtienen en el laboratorio midiendo las diferentes intensidades luminosas, según las direcciones, que parten del centro de la fuente y uniendo los puntos de la misma intensidad. Estos al ser unidos  a la fuente por vectores, darán lugar a la representación de un volumen. Resulta poco práctico el dibujo tridimensional, por eso aprovechando la simetría que presenta el volumen respecto al eje Y, será suficiente representar las intensidades luminosas contenidas en un plano vertical, que contenga dicho eje. Incluso solo haría falta el semiplano vertical.



   Mediante la curva fotométrica de una fuente de luz se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación.

   Veamos las curvas fotométricas de algunas luminarias:



   Temperatura de Color

   La unidad es el grado Kelvin (ºK). Indica el "color aparente" de una fuente de luz con referencia al "cuerpo negro" de Plank, calentado hasta tal punto que emita la misma luz.

   Las temperaturas de color o tono de la luz blanca se pueden ver en la carta cromática DIN 5033. el la curva denominada curva de Plank. 

   Cuanto más a la derecha la temperatura de color será menor y la luz será más amarillenta, mientras que hacia la izquierda la temperatura de color será mayor y la luz más azulada. En general se puede establecer:

   - Blanco Cálido < 3300ºK

   - Blanco Neutro 3300-5000ºK

   - Blanco frío o luz día > 5000ºK


   
   Pero dos fuentes de luz pueden tener la misma temperatura de color y poseer una distinta capacidad de reproducir los colores debido a su diferente emisión espectral.

   Las Fuentes de Luz

   Tener una buena iluminación es importante por que permite un mejor desarrollo de las actividades y las hace menos cansadas. Para que una instalación de iluminación sea plenamente eficaz, se debe cumplir, entre otras cosas, con un buen nivel de iluminación (es decir la cantidad de luz recibida por los objetos), respecto a un cierto número de condiciones, por ejemplo las siguientes:

   - El equilibrio de la Luminancia, es decir del equilibrio entre la cantidad de luz reflejada por los distintos objetos en la dirección del observador.

   - La iluminación de las causas susceptibles de determinar una sensación de molestia por deslumbramiento directo o indirecto.

   - La selección de un color de luz que sea compatible con la superficie a iluminar.

   - Un juego de sombras adecuado.

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Onda Electromagnetica

Las radiaciones electromagnéticas son las generadas por partículas eléctricas y magnéticas moviéndose a la vez (oscilando). Cada partícula genera lo que se llama un campo, por eso también se dice que es una mezcla de un campo eléctrico con un campo magnético.

   Estas radiaciones generan unas ondas que se pueden propagar (viajar) por el aire e incluso por el vacío. Imaginemos que movemos de forma oscilatoria (de arriba a bajo) una partícula cargada eléctricamente (o magnéticamente) como la de la figura:


   Como vemos se crea una perturbación a su alrededor, que es lo que llamamos una onda. Esta onda depende de la velocidad con la que movamos la partícula (y fuerza), y de la amplitud o distancia entre el inicio y el final del recorrido.

   Cambiando estos valores podemos cambiar el tamaño de la onda. La onda generada tendrá la misma forma pero más grande y/o con mas ondulaciones por segundo.

   Si la partícula tiene un componente eléctrico, pero también uno magnético ya tenemos generada una radiación electromagnética, con su onda electromagnética. Vamos analizar la onda generada. Para medir una onda tenemos 3 datos muy importantes como podemos ver en la siguiente figura:


   Longitud de Onda: Distancia entre dos crestas.

   Amplitud : Es la máxima perturbación de la onda. La mitad de la distancia entre la cresta y el valle.

   Frecuencia: Número de veces que se repite la onda por unidad de tiempo. Si se usa el Hertzio es el numero de veces que se repite la onda por cada segundo.

   Además hay otros dos datos también interesantes:

   Periodo: 1/frecuencia. Es la inversa de la frecuencia.

   Velocidad: la velocidad de la onda depende del medio por el que se propague (por donde viaje). si la onda viaja por el vació su velocidad es igual a la de la luz 300.000Km/segundo. Si se propaga por el aire cambia, pero es prácticamente igual a la del vació.

   Bueno ya tenemos nuestra onda viajando por el aire. Pero..... resulta que una onda electromagnética no se genera por una sola partícula, sino que son dos partículas diferentes, una eléctrica y otra magnética. Además su movimiento es perpendicular, lo que hace la onda sea una mezcla de dos ondas perpendiculares, una eléctrica y otra magnética. Aquí vemos en la figura las dos ondas generadas por las dos partículas a la vez. Una moviéndose sobre el eje Z y la otra sobre el eje Y:


   

   Podemos emitir una señal desde un receptor (el punto donde se genera la onda) y recibirla en un receptor (el punto donde cogemos la onda). Esta onda puede contener información, que primero, esta información se deberá convertir en una señal en forma de onda electromagnética, y una vez recibida por el receptor, descodificarla y recibir la misma información que se envió. ¡¡¡Ya podemos enviar información por el aire sin necesidad de cables o elementos físicos!!!.

    Las ondas electromagnéticas se usan para la radio, la televisión, internet, etc. Pero tenemos un problema. Por el aire viajan muchas ondas. ¿Cómo las diferenciamos? Pues por su Frecuencia(recuerda numero de veces que se repite la onda), pero es que además a mayor frecuencia, menor longitud de la onda.

   Piensa en una cuerda cuando la movemos (frecuencia con la que la movemos), si la movemos muy lentamente creamos ondas muy anchas (mucha longitud de onda) pero si la movemos muy rápido las ondas son mas estrechitas (poca longitud de onda) : Frecuencia grande = Longitud de onda pequeña y Frecuencia pequeña = longitud de onda grande.

   Ya tenemos nuestras ondas diferenciadas por su longitud de onda o por su frecuencia. Se ha creado una escala para clasificarlas, por orden creciente de longitudes de onda ( o decreciente por su frecuencia) llamada Espectro Electromagnético. Dependiendo de la onda pertenecerá a un espectro u a otro.


   Fíjate que lo medimos en Hertzios, MegaHertzios, etc, es decir por su frecuencia (podría ser por su longitud de onda). Además cada aparato emite unas ondas de diferente frecuencia y si queremos emitir ondas de telefonía móvil pues tendremos que emitirlas en una banda de frecuencia determinada para no confundirlas con otras. Las ondas emitidas con una frecuencia por encima de la infrarroja son las ondas visibles, como por ejemplo la de la luz del sol. Las de frecuencia mas baja no se ven, por ejemplo las de la radio, pero ojo existen.

   Bueno esperamos que ya lo tengamos más claro. Conclusión : Estamos rodeado de ondas que viajan y la mayoría no las vemos, aunque ya sabemos que hay están. Las antenas emiten y reciben estas señales, que primero se codifican y al recibirlas se descodifican para recibir la información que transmitimos.

Recuperado de: http://www.areatecnologia.com/ondas-electromagneticas.htm

Ley de Ohm

 Ley de Ohm V = I x R , la tensión es igual a la intensidad por la resistencia.

   Esta fórmula despejando nos puede servir para calcular la intensidad o la resistencia, solo tendremos que despejar de la fórmula anterior lo que nos pidan. Las fórmulas despejando serían:

   Intensidad: I = V / R 
   Resistencia: R = V / I

   En todos los problemas las unidades de la tensión se ponen en voltios (V), la de la intensidad en Amperios (A) y la de la resistencia en Ohmios (Ω).

   Nos podemos valer del siguiente triángulo, llamado triángulo de la ley de ohm, para recordar las fórmulas:



   Como la V está arriba en el triángulo, su fórmula sería I por R. Como la I esta abajo, su fórmula sería la V (está arriba) dividido entre la R (está abajo). ¿Cómo sería la R?. Pues fácil la V (esta arriba) dividido entre la I (está abajo).

   Mi recomendación es solo aprenderse la fórmula V = I x R y si nos piden cualquiera de las otras dos magnitudes despejarlas. Pero bueno... ahí te dejamos el triángulo por si te resulta más fácil.

 
   Primero veamos el esquema del circuito a calcular y los datos de un circuito de una lámpara:



   Datos Del circuito Total:

It= Intensidad total que recorre el circuito
Vt= Tensión total del circuito (pila)
Rt= Resistencia total a recorrer el circuito

   Datos Del receptor o la lámpara

Il= Intensidad que recorre la lámpara
Vt= Tensión de la lámpara
Rt= Resistencia de la lámpara

   Cuando tengamos calculado todos estos datos el problema está resuelto. Lógicamente alguno de estos datos nos los darán como veremos en los ejemplos de más abajo.

   Si nos fijamos en el circuito resulta que en este caso la Intensidad que recorre la lámpara, es la misma que la del circuito, la tensión de la pila es a la que tendrá la lámpara, y la resistencia que ofrece al paso de la corriente todo el circuito, será la de la lámpara, ya qué es el único receptor en todo el circuito (pensando que los cables no tienen resistencia).

   Por la tanto en los circuitos de un receptor o lámpara:

   Vt=Vl It=Il Rt=Rl,  la tensión total es igual a la de la lámpara, la resistencia total es igual a la de la lámpara y la resistencia total es igual a la de la lámpara.   

   Para calcular solo es necesario aplicar la ley de Ohm. Vamos a recordarla.

   Ley de Ohm V = I x R , tensión es igual a la intensidad por la resistencia.

   Esta fórmula despejando nos puede servir para calcular la intensidad o la resistencia, depende lo que nos pidan. Las fórmulas despejando serían:

   I = V / R 
   R = V / I

   En todos los problemas las unidades de la tensión se ponen en voltios (V), la de la intensidad en Amperios (A) y la de la resistencia en Ohmios (Ω). Si nos diesen en otra unidad distinta, cualquiera de las 3 magnitudas, lo primero es convertirlas a estas dichas. 

   Por ejemplo si no dan 1000mA (miliamperios) pues la pasaríamos a amperios que serían 1A antes de poner la cantidad en las fórmulas.
   
   Primer caso: Nos dan la Resistencia de la lámpara y la Intensidad total del circuito. R1 = 10Ω It = 2 A;

   Para calcular la tensión será V = I x R = 2 x 10 = 20 V (20 voltios). Lo demás ya lo tenemos todo calculado.

     Rl=Rt= 10 Ω It=il=2A

   Segundo caso: Nos dan la resistencia de la lámpara y la tensión de la pila:  Rl= 10 Ω Vt= 20V

   Como ya sabemos Rl=Rt= 10 Ω y Vt=Vl= 20V

   Aplicaremos la ley de ohm para calcular It=il

   It= Vt/Rt 

   It= 20V/10 Ω= 2A

   Ya tenemos todo calculado por que:

   It=il= 2A Vt=Vl= 20V Rt=Rl=10 Ω

   Tercer caso: Nos dan la tensión de la pila y la Intensidad total del circuito: Vt= 20V It= 2A sabiendo que:

   Vt=Vl= 20V y que it=il=2A aplicamos la ley de ohm:

   Rl=Rt= Vt/it = 20v/2A = 10 Ω

   Ya tenemos todo calculado por que:

   It=il= 2A Vt=Vl= 20V Rt=Rl=10 Ω

   Si queremos calcular la potencia total del circuito, que será la misma que la que tenga la lámpara, ya que es el único receptor que tiene potencia en el circuito. 

   Lo que tendremos que hacer en todos los casos es calcular primero los datos que hicimos anteriormente, y con esos datos calcular la potencia con la fórmula:

   P= V X I ; Potencia es igual a Tensión por Intensidad.

   Plámpara= Vl x il = 20v x 2A = 40 w (vatios)

   Ptotal= Vt x it = 20v x 2A = 40 w

   Ptotal=Plámpara ; La potencia total del circuito es igual a la de la lámpara por que solo hay ese receptor que tiene potencia en el circuito.

Recuperado de: http://www.areatecnologia.com/TUTORIALES/CIRCUITOS%20DE%20UNA%20LAMPARA.htm

Circuitos Elèctricos

   Un Circuito Eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre si por los que puede circular una corriente eléctrica.

  La corriente eléctrica es un movimiento de electrones, por lo tanto cualquier circuito debe permitir el paso de los electrones por su elementos. Si quieres saber más sobre qué es, como se genera y los fundamentos de la corriente eléctrica.



   Solo habrá paso de electrones por el circuito si el circuito es un circuito cerrado. Los circuitos eléctricos son circuitos cerrados, aunque podemos abrir el circuito en algún momento para interrumpir el paso de la corriente, mediante un interruptor, pulsador u otro elemento del circuito.

   Vamos a estudiar los elementos que forman un circuito eléctrico y los tipos de circuitos que hay.

   PARTES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO

   Los elemento básicos de un circuito eléctrico son:


   Generador: producen y mantienen la corriente eléctrica. Hay 2 tipos de corrientes alterna y continua (pincha en el enlace subrayado si quieres saber más sobre c.c. y c.a.)

       Pilas y Baterías : son generadores de corriente continua (c.c.)
      
       Alternadores : son generadores de corriente alterna (c.a.)

   Conductores : es por donde se mueve la corriente eléctrica de un elemento a otro del circuito. Son de cobre o aluminio, materiales buenos conductores de la electricidad, o lo que es lo mismo que ofrecen muy poca resistencia a que pase la corriente por ellos.

   Receptores : son los elementos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía, por ejemplo las bombillas transforma la energía eléctrica en luz, los radiadores en calor, los motores en movimiento, etc.

   Elementos de mando o control: permiten dirigir o cortar a voluntad el paso de la corriente eléctrica. Tenemos interruptores, pulsadores, conmutadores, etc.

   Elementos de protección : protegen los circuitos y a las personas cuando hay peligro o la corriente es muy elevada, con riesgo de quemar los elementos del circuito. Tenemos fusibles, magnetotérmicos, diferenciales, etc.

   Para simplificar el dibujo de los circuitos eléctricos se utilizan esquemas con símbolos. Los símbolos representan los elementos del circuito de forma simplificada y fácil de dibujar.

   Veamos los símbolos de los elementos más comunes que se usan en  los circuitos eléctricos. 




   TIPOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

   Dependiendo de como se conecten los receptores tenemos:

   Circuitos de 1 Receptor

   Son aquellos en los que solo se conecta al circuito un solo receptor, lámpara, motor, timbre, etc. Veamos un ejemplo de un circuito con una lámpara:



   Características Circuito Un Receptor

   El receptor quedará conectado a la misma tensión que el generador, por el receptor circulará una intensidad de corriente igual a la del circuito total y la única resistencia del circuito será la del receptor.

   It = I1; Vt = V1; Rt = R1

 
   Circuitos en Serie

   Los receptores se conectan una a continuación del otro, el final del primero con el principio del segundo y así sucesivamente. Veamos un ejemplo de dos lámparas en serie:


   Características Circuitos en Serie

   Este tipo d circuitos tiene la característica de que la intensidad que atraviesa todos los receptores es la misma, igual a la total del circuito. It= I1 = I2.

   La resistencia total del circuito es la suma de todas las resistencias de los receptores conectados en serie. Rt = R1 + R2.

   La tensión total es igual a la suma de las tensiones en cada uno de los receptores conectados en serie. Vt = V1 + V2.

   Podemos conectar 2, 3 o los receptores que queramos en serie.

   Si desconectamos un receptor, todos los demás receptores en serie con el, dejaran de funcionar (no puede pasar la corriente).

   
   Circuitos en Paralelo

   Son los circuitos en los que los receptores se conectan todas las entradas de los receptores unidas y todas las salidas también se unen por otro lado. Veamos el ejemplo de 2 lámparas en paralelo.




   Característica de los Circuitos en Paralelo

   Las tensiones de todos los receptores son iguales a la tensión total del circuito. Vt = V1 = V2.

   Las suma de cada intensidad que atraviesa cada receptor es la intensidad total del circuito. It = I1 + I2.

   La resistencia total del circuito se calcula aplicando la siguiente fórmula: 1/Rt = 1/R1 + 1/R2; si despejamos la Rt quedaría:

   Rt = 1/(1/R1+1/R2)

   Todos los receptores conectados en paralelo quedarán trabajando a la misma tensión que tenga el generador.

   Si quitamos un receptor del circuito los otros seguirán funcionando.


   Aquí te dejamos un ejemplo de conexión real en serie y en paralelo de 2 bombillas con cables. Fíjate sobre todo en el circuito paralelo que no hace falta hacer ningún empalme en los cables, se unen en los bornes (contactos) de las propias lámparas.



   Circuito Mixtos

   Son aquellos circuitos eléctricos que combinan serie y paralelo. Lógicamente estos circuitos tendrán más de 2 receptores, ya que si tuvieran 2 estarían en serie o en paralelo. Veamos un ejemplo de un circuito mixto.



   En este tipo de circuitos hay que combinar los receptores en serie y en paralelo para calcularlos.

Recuperado de: http://www.areatecnologia.com/electricidad/circuitos-electricos.html

Energía Potencial Elèctrica

 La energía es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar cambios o trabajo. Por ejemplo en un velero el aire mueve el velero golpeando las velas. Luego el aire tiene energía por que es capaz de realizar cambios a su alrededor. Esos cambios que realiza se llaman Trabajo. El aire se convierte en movimiento del velero por lo tanto la energía del aire se ha transformado en energía de movimiento, el aire pierde su energía y la cede al velero. Ese cambio es lo que significa que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. El aire realiza trabajo cuando mueve el velero.

   La energía potencial es la que poseen los cuerpos por estar en una determinada posición. La energía potencial más famosa es la energía potencial gravitatoria, es la energía que poseen los cuerpo por estar a una determinada altura. La gravedad de la tierra hace una fuerza sobre todos los cuerpos que están situados sobre ella, "Tira" de los cuerpo hacia abajo, por eso una piedra que esté a 10m de altura, si la soltamos la fuerza de gravedad tira de ella hasta que llega al suelo. Luego la piedra a 10m tiene una energía, esta energía se transformará en trabajo cuando la soltemos, ya que se moverá hasta llegar al suelo. Este trabajo se produce cuando la fuerza de la gravedad actúa sobre la piedra y la mueve una distancia, recuerda Trabajo = Fuerza x distancia. Cuando está quieta a una altura solo tiene energía, capacidad de realizar trabajo, pero no realiza ningún trabajo.

   Bueno, pues cuando la piedra esta quieta, sin moverse a una cierta altura, tiene una energía, y como esta energía depende de la posición de la piedra (a más altura mayor energía) resulta que la piedra posee una energía potencial, energía potencial gravitatoria, por que es producida por la gravedad. ¿Lo tenemos claro? Pues ahora pasemos a explicar la energía potencial gravitatoria.

   Energia Potencial Electrica

   Los cuerpos que poseen carga eléctrica pueden tener carga positiva o negativa, por ejemplo un electrón tiene carga eléctrica negativa y un protón positiva.

   Resulta que cuando un cuerpo tiene carga eléctrica genera una región de espacio a su alrededor (campo eléctrico) donde si introducimos otra carga eléctrica, esta se verá afectada por la primera.



   Fíjate en la figura, hemos puesto con un circulo la región del espacio donde si introducimos otra carga, se vería afectada por la carga eléctrica de la positiva de la figura. Esa región es lo que se llama el campo eléctrico de la carga +.

   Cualquier carga que introduzcamos en el campo de la + se verá sometido a una fuerza debida al campo eléctrico de la carga +. Esta fuerza será mayor cuanto más cerca esta una carga de la otra, es decir depende de la posición dentro del campo eléctrico ¿Te suena....? Pues claro, eso pasa con la energía potencial, depende de la posición.

   La dirección de esa fuerza a la que se va a ver sometida la carga que pongamos dentro del campo va a depender del tipo de carga que sea. ¿Te suena los polos contrarios se atraen? Pues bien, si las cargas son iguales la fuerza que tendrá hará que se repelan (se separen) y si son distintas, por ejemplo una + y la otra -, la fuerza será tal que hará que se atraigan ( se junten).

   Conclusión: El tamaño de la fuerza depende de la posición dentro del campo, pero la dirección de la fuerza dependerá del tipo que sean, cargas iguales o diferentes. Recuerda que las fuerzas se representan por medio de vectores.



   Si somos capaces de dejar quieta la carga que introducimos en el campo, esta no generará trabajo, pero si tendrá energía, ya que al soltarla se moverá por la acción de la fuerza a la que se ve sometida, igual que la piedra de la que hablamos al principio. En el caso de la piedra la fuerza era producida por la gravedad de la tierra. En el caso de una carga eléctrica la fuerza será producida por estar dentro de un campo eléctrico. Es por eso que la energía que tendrá la carga dentro del campo se llamará energía potencial y eléctrica, ya que es producida por el campo eléctrico.

   Tienes que darte cuenta que al introducir una nueva carga dentro del campo de la +, la carga que introducimos nueva también tiene su propio campo, lo que hace que también sobre la carga + inicial, se genere una fuerza por causa del campo de la nueva carga que entra en su campo. Es decir 2 cargas tienen dos campos y si las dos cargas están dentro de cada uno de los campos producidos por cada una de ellas, las dos cargas tendrán una fuerza. Las dos cargas o se separan o se juntan.



    En la imagen de arriba hemos representado los dos casos posibles con las llamadas líneas de campo, que simplemente son unas líneas que representan las fuerzas dentro de los campos eléctricos. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro dentro del campo.

   Todas estas cantidades de fuerza y de energía se pueden calcular matemáticamente mediante una fórmula.

   ¿Con qué fuerza se atraen o repelen las cargas? Coulomb, físico e ingeniero francés, nos dio la solución con su ley. Aquí tienes la fórmula:



   Dentro de la fórmula tenemos:

   F = Fuerza de atracción o repulsión medida en Newtons (N).

   K = una constante llamada constante de proporcionalidad o de coulomb que depende del medio en el que estén las cargas y de las unidades en las que se expresen el resto de elementos que hay dentro de la fórmula. Expresando todo en el Sistema Internacional de Unidades de Medida y en el vacío vale 9x10⁹ Nm²/C². (9 por 10 elevado a 9)

   q1 = carga eléctrica de 1 expresada en culombios (C).

   q2 = carga eléctrica de 2 expresada en culombios (C).

   r = distancia que separa las dos cargas en metros (m).

   Si te fijas bien, te darás cuenta que si incluyes el signo en los valores de las cargas, el valor de la fuerza eléctrica en esta expresión puede venir acompañada de un signo. Este signo será:

   - Fuerza positiva. cuando la fuerza sea de repulsión

   - Fuerza negativa. cuando la fuerza sea de atracción.

   ¿Y la energía potencial eléctrica?

   La energía potencial eléctrica que posee una carga puntual q1 en presencia de otra carga puntual q2 que se encuentran separadas cierta distancia es:

   

   - Ep es la energía potencial eléctrica. En el S.I. se mide en Julios (J).

   - q1 y q2 son los valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios (C).

   - r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m).

   - K es la constante de la ley de Coulomb. Para el vacío su valor es aproximadamente 9x10⁹ N·m²/C² utilizando unidades en el S.I.

   Esta energía potencial será positiva si las cargas poseen el mismo signo y negativa si tienen signos distintos.

    OJO si la carga está fuera del campo eléctrico de la otra carga su energía potencial eléctrica será de 0, ya que no se verá afectada.

   Recuerda esa energía potencial eléctrica será la capacidad que tendrá para realizar trabajo la carga eléctrica, en este caso para moverse cuando la soltemos dentro del campo eléctrico.

    El trabajo que realiza una fuerza eléctrica para desplazar una carga desde un punto A hasta otro B puede expresarse de la siguiente forma:

   

   Si te fijas en la fórmula podríamos decir que el trabajo es igual al incremento de la energía potencial eléctrica. We, es el trabajo para desplazarse de A hasta B.

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