Dominar la Electricidad Básica en Chile: Fórmulas y Conceptos | ORBITECH

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Carga eléctrica y ley de Coulomb

Fórmulas para calcular fuerzas entre cargas eléctricas y su interacción en el vacío o aire.

Ley de Coulomb law

F = k_{e} \frac{| q_{1} q_{2} |}{r^{2}}

Symbole	Signification	Unité
`F`	fuerza eléctrica Positiva si es repulsiva, negativa si es atractiva. Dirección según línea que une las cargas.	N
`k_e`	constante de Coulomb $k_{e}$ = 9 × 10^9 N·m²/C² (valor aproximado en aire/vacío)
`q_1, q_2`	cargas eléctricas 1 μC = 10^{-6} C. Cargas positivas o negativas.	C
`r`	distancia entre cargas Distancia en metros entre los centros de las cargas puntuales.	m

Dimensions : $[M] [L] [T^{- 2}]$

Exemple : En una feria de Antofagasta, dos esferas cargadas con +1.5 μC y -2.5 μC están separadas 20 cm. La fuerza eléctrica entre ellas es 0.84 N (atractiva).

Campo eléctrico de una carga puntual law

E = k_{e} \frac{| q |}{r^{2}}

Formes alternatives

$E = \frac{F}{q_{0}}$ — Definición general del campo eléctrico usando una carga de prueba $q_{0}$ .

Symbole	Signification	Unité
`E`	campo eléctrico Intensidad del campo eléctrico creado por la carga q en el punto considerado.	N/C
`k_e`	constante de Coulomb Mismo valor que en la ley de Coulomb.
`q`	carga eléctrica Carga que crea el campo eléctrico.	C
`r`	distancia a la carga Distancia desde la carga puntual hasta el punto donde se mide el campo.	m

Dimensions : $[M] [L] [T^{- 3}] [I^{- 1}]$

Exemple : Una carga de +5 μC en un terminal de computador en Santiago crea un campo de 1.12 × 10^6 N/C a 20 cm de distancia.

Fuerza sobre una carga en un campo eléctrico law

F = q E

Symbole	Signification	Unité
`F`	fuerza eléctrica Fuerza neta sobre la carga q debido al campo E.	N
`q`	carga eléctrica Carga puntual en movimiento o en reposo dentro del campo.	C
`E`	campo eléctrico Campo eléctrico en la posición de la carga q.	N/C

Dimensions : $[M] [L] [T^{- 2}]$

Exemple : Un electrón (q = -1.6 × 10^{-19} C) en un campo de 1000 N/C experimenta una fuerza de 1.6 × 10^{-16} N en dirección opuesta al campo.

Potencial eléctrico y diferencia de potencial

Fórmulas para calcular energía potencial eléctrica y voltaje en puntos del espacio.

Potencial eléctrico de una carga puntual definition

V = k_{e} \frac{q}{r}

Symbole	Signification	Unité
`V`	potencial eléctrico Potencial en un punto a distancia r de la carga q. Referencia: V = 0 en el infinito.	V
`k_e`	constante de Coulomb Mismo valor que en la ley de Coulomb.
`q`	carga eléctrica Carga que crea el potencial eléctrico.	C
`r`	distancia a la carga Distancia desde la carga puntual hasta el punto donde se calcula V.	m

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 1}]$

Exemple : El potencial eléctrico a 30 cm de una carga de +2 μC en un laboratorio de Concepción es 60 000 V.

Diferencia de potencial (voltaje) definition

V_{A B} = V_{A} - V_{B} = - \int_{B}^{A} \vec{E} \cdot d \vec{l}

Formes alternatives

$V_{A B} = \frac{W_{A B}}{q}$ — Definición usando el trabajo $W_{A B}$ realizado para mover la carga q de B a A.

Symbole	Signification	Unité
`V_{AB}`	diferencia de potencial entre A y B Trabajo por unidad de carga para mover una carga positiva de B a A.	V
`V_A, V_B`	potenciales eléctricos en A y B Potenciales en los puntos A y B respectivamente.	V

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 1}]$

Exemple : Para mover una carga de 0.5 C desde el suelo (0 V) hasta una nube a 10 000 V en el Desierto de Atacama, se requiere un trabajo de 5000 J.

Energía potencial eléctrica definition

U = q V

Symbole	Signification	Unité
`U`	energía potencial eléctrica Energía almacenada por la carga q en el punto de potencial V.	J
`q`	carga eléctrica Carga puntual en el sistema.	C
`V`	potencial eléctrico Potencial en la posición de la carga q.	V

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 2}]$

Exemple : Un protón (q = +1.6 × 10^{-19} C) en un potencial de 12 V tiene una energía potencial de 1.92 × 10^{-18} J.

Corriente eléctrica y resistencia

Fórmulas para describir el flujo de carga y la oposición al paso de corriente en conductores.

Definición de corriente eléctrica definition

I = \frac{d q}{d t}

Formes alternatives

$I = n q v_{d} A$ — Expresión microscópica usando densidad de portadores n, velocidad de deriva $v_{d}$ y área A.

Symbole	Signification	Unité
`I`	corriente eléctrica 1 A = 1 C/s. Sentido convencional: de positivo a negativo.	A
`dq`	carga que fluye Cantidad infinitesimal de carga que atraviesa una sección transversal.	C
`dt`	intervalo de tiempo Tiempo durante el cual fluye la carga.	s

Dimensions : $[I]$

Exemple : Por un cable en una casa de Santiago pasan 0.2 C cada 0.5 s. La corriente es 0.4 A.

Resistencia de un conductor definition

R = ρ \frac{L}{A}

Symbole	Signification	Unité
`R`	resistencia eléctrica Oposición al paso de corriente. Depende del material y geometría.	Ω
`ρ`	resistividad del material Resistividad del cobre: 1.68 × 10^{-8} Ω·m a 20°C. Aumenta con la temperatura.	Ω·m
`L`	longitud del conductor Longitud total del conductor en metros.	m
`A`	área transversal Área de la sección transversal del conductor.	m²

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 2}]$

Exemple : Un cable de cobre de 50 m de largo y 1 mm² de área en una instalación de Valparaíso tiene una resistencia de 0.84 Ω.

Resistividad y temperatura approximation

ρ = ρ_{0} [1 + α (T - T_{0})]

Symbole	Signification	Unité
`ρ`	resistividad a temperatura T Resistividad del material a la temperatura T.	Ω·m
`ρ_0`	resistividad a temperatura de referencia Generalmente ρ_0 a 20°C.	Ω·m
`α`	coeficiente de temperatura Para cobre: α = 0.0039 ° $C^{- 1}$ . Para semiconductores, α puede ser negativo.	°C^{-1}
`T, T_0`	temperaturas Temperatura final e inicial respectivamente.	°C

Dimensions : $[M] {[L]}^{3} [T^{- 3}] [I^{- 2}] [Θ^{- 1}]$

Exemple : La resistividad del cobre a 50°C aumenta un 11.7% respecto a su valor a 20°C.

Ley de Ohm y circuitos simples

Relación fundamental entre voltaje, corriente y resistencia en conductores óhmicos.

Ley de Ohm law

V = R I

Formes alternatives

$I = \frac{V}{R}$ — Expresión para calcular corriente.
$R = \frac{V}{I}$ — Expresión para calcular resistencia.

Symbole	Signification	Unité
`V`	voltaje o diferencia de potencial Diferencia de potencial aplicada al conductor o resistor.	V
`R`	resistencia eléctrica Resistencia del conductor o componente.	Ω
`I`	corriente eléctrica Corriente que circula por el conductor.	A

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 2}]$

Exemple : Un calefactor eléctrico de 50 Ω conectado a 220 V en Concepción consume una corriente de 4.4 A.

Potencia en un circuito eléctrico law

P = V I

Formes alternatives

$P = I^{2} R$ — Expresión usando corriente y resistencia.
$P = \frac{V^{2}}{R}$ — Expresión usando voltaje y resistencia.

Symbole	Signification	Unité
`P`	potencia eléctrica Potencia disipada o entregada por el dispositivo.	W
`V`	voltaje aplicado Diferencia de potencial en el dispositivo.	V
`I`	corriente que circula Corriente a través del dispositivo.	A

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}]$

Exemple : Un televisor de 100 W en Valparaíso conectado a 220 V tiene una resistencia de 484 Ω.

Efecto Joule (calor disipado) law

Q = I^{2} R t

Formes alternatives

$Q = P t$ — Expresión usando potencia y tiempo.

Symbole	Signification	Unité
`Q`	energía térmica disipada Calor generado por el paso de corriente en un resistor.	J
`I`	corriente eléctrica Corriente que circula por el resistor.	A
`R`	resistencia Resistencia del componente.	Ω
`t`	tiempo Duración del flujo de corriente.	s

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 2}]$

Exemple : Un resistor de 100 Ω por el que circula 0.5 A durante 10 minutos disipa 15 000 J de calor.

Circuitos en serie y paralelo

Fórmulas para calcular resistencias equivalentes y distribución de voltaje/corriente en configuraciones básicas.

Resistencia equivalente en serie law

R_{e q} = R_{1} + R_{2} + \dots + R_{n}

Symbole	Signification	Unité
`R_{eq}`	resistencia equivalente Resistencia total del circuito en serie.	Ω
`R_1, R_2, ..., R_n`	resistencias individuales Resistencias conectadas en serie.	Ω

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 2}]$

Exemple : Tres luces navideñas de 10 Ω, 20 Ω y 30 Ω en serie en una casa de Santiago tienen una resistencia total de 60 Ω.

Resistencia equivalente en paralelo law

\frac{1}{R_{e q}} = \frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \dots + \frac{1}{R_{n}}

Formes alternatives

$R_{e q} = {(\sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{R_{i}})}^{- 1}$ — Forma compacta usando notación de sumatoria.

Symbole	Signification	Unité
`R_{eq}`	resistencia equivalente Resistencia total del circuito en paralelo.	Ω
`R_1, R_2, ..., R_n`	resistencias individuales Resistencias conectadas en paralelo.	Ω

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 2}]$

Exemple : Dos resistencias de 100 Ω y 200 Ω en paralelo en un circuito de Concepción tienen una resistencia equivalente de 66.7 Ω.

Divisor de voltaje law

V_{1} = \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}} V

Symbole	Signification	Unité
`V_1`	voltaje en $R_{1}$ Voltaje medido en la resistencia $R_{1}$ .	V
`R_1, R_2`	resistencias en serie Resistencias conectadas en serie con voltaje total V.	Ω
`V`	voltaje total aplicado Diferencia de potencial en el circuito serie.	V

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 3}] [I^{- 1}]$

Exemple : En un circuito con dos resistencias de 1 kΩ y 2 kΩ conectadas a 9 V en Santiago, el voltaje en la de 1 kΩ es 3 V.

Divisor de corriente law

I_{1} = \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} I

Formes alternatives

$I_{1} = \frac{R_{e q}}{R_{1}} I$ — Expresión usando resistencia equivalente.

Symbole	Signification	Unité
`I_1`	corriente en $R_{1}$ Corriente que circula por la resistencia $R_{1}$ en paralelo.	A
`R_1, R_2`	resistencias en paralelo Resistencias conectadas en paralelo con corriente total I.	Ω
`I`	corriente total Corriente total que entra al paralelo.	A

Dimensions : $[I]$

Exemple : En un paralelo de 100 Ω y 300 Ω con corriente total de 0.4 A, la corriente en la de 100 Ω es 0.3 A.

Energía y potencia en circuitos

Cálculo de energía consumida y costos asociados al uso de dispositivos eléctricos en el hogar chileno.

Energía eléctrica consumida definition

E = P t

Formes alternatives

$E = V I t$ — Expresión usando voltaje y corriente.
$E = I^{2} R t$ — Expresión usando corriente y resistencia.

Symbole	Signification	Unité
`E`	energía eléctrica Energía total consumida por el dispositivo.	J
`P`	potencia del dispositivo Potencia nominal del aparato eléctrico.	W
`t`	tiempo de uso Duración del funcionamiento del dispositivo.	s

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 2}]$

Exemple : Un horno eléctrico de 2000 W funciona 2 horas en una panadería de Concepción. La energía consumida es 14.4 MJ (4 kWh).

Costo de energía eléctrica law

C o s t o = E \times t a r i f a

Symbole	Signification	Unité
`Costo`	costo monetario Costo en pesos chilenos por el consumo de energía.	CLP
`E`	energía consumida Energía en kilovatio-hora. 1 kWh = 3.6 MJ.	kWh
`tarifa`	precio por kWh Tarifa residencial promedio en Chile: ~120 CLP/kWh (2023).	CLP/kWh

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} [T^{- 2}]$

Exemple : El consumo de 4 kWh en Concepción a 120 CLP/kWh tiene un costo de 480 CLP.

Eficiencia energética definition

η = \frac{P_{u t i l}}{P_{t o t a l}} \times 100 %

Symbole	Signification	Unité
`\eta`	eficiencia Porcentaje de la potencia total convertida en energía útil.	%
`P_{util}`	potencia útil Potencia que realiza el trabajo deseado (ej: luz en un foco).	W
`P_{total}`	potencia total consumida Potencia total entregada al dispositivo.	W

Exemple : Un foco LED de 10 W que produce 9 W de luz tiene una eficiencia del 90%.

Carga eléctrica y ley de Coulomb

Potencial eléctrico y diferencia de potencial

Corriente eléctrica y resistencia

Ley de Ohm y circuitos simples

Circuitos en serie y paralelo

Energía y potencia en circuitos

Fuentes