Presione un interruptor y una lámpara se enciende. Detrás de ese instante hay una cadena: carga impulsada por una diferencia de potencial, a través de cables y componentes, transfiriendo energía de la central eléctrica al bulbo. Esta referencia cubre Física AQA GCSE 8463, tema 4.2 Electricidad.
Comience con una pregunta sencilla: una celda, un interruptor y una lámpara forman un circuito en serie. ¿Por qué abrir el interruptor detiene la corriente sostenida? Cuando está cerrado, ¿la lámpara consume carga?
El interruptor debe completar un camino conductor, y la pila proporciona una diferencia de potencial. En un bucle serie en estado estable, la corriente es la misma antes y después de la lámpara. La lámpara transfiere energía; la carga no se consume. Cálculos posteriores vinculan $Q=It$, $E=QV$, $P=VI$ y $E=Pt$.
Esta referencia utiliza símbolos estándar de circuitos y la Hoja de Ecuaciones de Física cuando se suministra para el examen. Utilice la hoja emitida para su serie de exámenes; practique elegir y reordenar ecuaciones en lugar de asumir que cada futuro papel tendrá el mismo apoyo. AQA usa "diferencia de potencial" en preguntas y acepta el uso correcto de "tensión". La electricidad estática y los campos eléctricos son contenido exclusivo de física.
2.1
Diagramas de circuitos, carga y corriente
Syllabus
Símbolos de circuito, carga eléctrica y corriente (AQA 8463 afirmaciones 4.2.1.1-4.2.1.2).
Dibujar e interpretar diagramas de circuitos utilizando símbolos estándar.
Indicar que la carga eléctrica fluye únicamente cuando un circuito está cerrado y incluye una fuente de diferencia de potencial.
Utilizar flujo de carga = corriente × tiempo (Q = It), con el tiempo en segundos.
Recordar que la corriente eléctrica es un flujo de carga y que la corriente es la misma en todos los puntos de un bucle cerrado simple.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Un diagrama de circuito utiliza símbolos estándar. Conozca estos: pila, batería, interruptor (abierto, cerrado), lámpara, resistor, resistor variable, amperímetro, voltímetro, diodo, LED, termistor, LDR y fusible. Los amperímetros se colocan en serie; los voltímetros se colocan en paralelo a través del componente.
Utilice pares repetidos de placas largas/cortas para una batería; flechas de luz entran en un LDR y salen de un LED.
Para que fluya la carga, el circuito debe estar cerrado e incluir una fuente de diferencia de potencial. La corriente eléctrica es un flujo de carga eléctrica, y su magnitud es la velocidad de flujo:
$$Q = It$$
$Q$ flujo de carga en coulombs, C; $I$ corriente en amperios, A; $t$ tiempo en segundos, s.
La corriente tiene el mismo valor en cada punto de una sola trayectoria en serie.
La corriente convencional fluye de + a −; los electrones fluyen en dirección opuesta.
Razonamiento resuelto: la carga no es corriente
Escrito por el profesor: 4.0 C pasan por un punto en 2.0 s en un circuito serie estable. La corriente es el flujo de carga por segundo:
Un amperio significa un coulomb por segundo. El mismo 4.0 C pasa por otro punto de ese bucle estable en el mismo 2.0 s. Si la misma carga tarda 4.0 s en lugar de eso:
Duplicar el tiempo para la misma carga reduce a la mitad la corriente.
Práctica de flujo de carga: intente antes de verificar
Escrito por el profesor: un cargador suministra una constante 0.90 A durante 25 minutos. Calcule la carga en coulombs, luego prediga el efecto de duplicar el tiempo a la misma corriente.
Verifique: use segundos, porque los amperios miden coulombs por segundo.
El doble de tiempo da como resultado el doble de carga, a la misma corriente.
Cálculo real del examen: corriente a partir del flujo de carga
AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q10.3 muestra un alambre de fusible fundiéndose cuando fluyen 2.0 C en 400 ms. Calcule la corriente antes de verificar.
Verifique: carga y tiempo conocidos significan usar $Q=It$, reorganizado para la corriente.
Esto coincide con el esquema oficial. Extensión del profesor: tratar 400 ms como 400 s haría que el denominador fuera 1000 veces demasiado grande y la corriente 1000 veces demasiado pequeña. Verifique la unidad de tiempo antes de sustituir.
Corriente, resistencia y diferencia de potencial (AQA 8463 afirmación 4.2.1.3).
Indicar que la corriente a través de un componente depende de su resistencia y de la diferencia de potencial en sus extremos.
Utilizar diferencia de potencial = corriente × resistencia (V = IR) en todas las direcciones.
Recordar que, para una diferencia de potencial dada, cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente.
Práctica requerida 3: investigar cómo depende la resistencia de un alambre de su longitud a temperatura constante, incluyendo la colocación de instrumentos, R = V/I, la gráfica proporcional, el error cero y mantener el alambre frío.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
La corriente que pasa por un componente depende tanto de la diferencia de potencial en sus terminales como de su resistencia:
$$V = IR$$
$V$ diferencia de potencial en voltios, V; $I$ corriente en amperios, A; $R$ resistencia en ohmios, Ω.
Cuanto mayor sea la resistencia, menor será la corriente para una diferencia de potencial dada.
Ejemplo resuelto. Una diferencia de potencial de 0.45 V produce una corriente de 0.0075 A a través de una moneda. Calcule la resistencia de la moneda.
Datos conocidos: $V$ y $I$; reorganice antes de sustituir.
Práctica requerida 3: resistencia de una combinación de alambres y resistores
Fije un alambre de resistencia (nicanicromo o constantán) a lo largo de una regla métrica. Mida la longitud seleccionada entre los puntos de contacto reales de un clip fijo y un clip móvil. El amperímetro está en serie con esa longitud; el voltímetro está conectado a través de esos mismos dos puntos de contacto.
A y V miden la corriente seleccionada entre sus dos clips.
Utilice una baja diferencia de potencial y apague entre lecturas para limitar el calentamiento. Cambie solo la longitud: mantenga el material del alambre, el área transversal y la temperatura constantes. Para cada longitud, registre la diferencia de potencial medida y la corriente, luego calcule $R = V/I$. Repita lecturas e investigue resultados inconsistentes.
Por ejemplo, estos datos ideales escritos por el profesor ilustran el cálculo; no son mediciones experimentales:
Longitud / cm
Diferencia de potencial / V
Corriente / A
Resistencia / Ω
20
0.60
0.30
2.0
40
0.80
0.20
4.0
60
0.90
0.15
6.0
A temperatura constante, para el mismo material y área transversal, la resistencia es directamente proporcional a la longitud del alambre. Grafique la resistencia calculada frente a la longitud; una línea recta que pasa por el origen apoya esta relación. La diferencia de potencial medida no necesita ser idéntica en cada longitud, por lo que calcule cada resistencia a partir de sus lecturas pareadas correspondientes.
Una intersección distinta de cero requiere investigación. Verifique que la longitud se midió entre los puntos de contacto; la resistencia de contacto y de los cables también puede afectar los resultados. No fuerce la gráfica a pasar por el origen ni reste toda la intersección como un error cero sin identificar su causa.
En la segunda parte de esta práctica, conecte dos resistencias iguales en serie y luego en paralelo. Con el amperímetro midiendo la corriente total y el voltímetro conectado a través de toda la combinación, mida la diferencia de potencial total y la corriente, y calcule la resistencia total. Compare con una sola resistencia: la serie tiene mayor resistencia total; el paralelo tiene menor resistencia total. Para dos resistencias idénticas de 10 Ω, los totales ideales son 20 Ω en serie y 5 Ω en paralelo. El resultado del paralelo puede explicarse mediante el aumento de la corriente total a la misma diferencia de potencial, sin necesidad de usar una fórmula de resistencia recíproca.
Explorar
One operating point: voltage, current and resistance
$I=\frac{V}{R};\quad P=VI$
At the worked operating point, 6 V across 20 ohms produces 0.30 A and 1.8 W.
Resistencias y características I-V (AQA 8463 afirmación 4.2.1.4).
Explica que para algunos resistores la resistencia permanece constante mientras que en otros cambia según varía la corriente.
Describir la gráfica I-V de un conductor óhmico a temperatura constante, una lámpara de filamento y un diodo.
Explicar la gráfica de la lámpara de filamento: la corriente calienta el filamento y aumenta su resistencia.
Indicar que la resistencia del termistor disminuye al aumentar la temperatura y mencionar su aplicación en termostatos.
Indicar que la resistencia del LDR disminuye al aumentar la intensidad de luz y mencionar su aplicación en encendido automático de luces.
Práctica requerida 4: investigar las características I-V de elementos de circuito, incluyendo variar la diferencia de potencial, invertir la polaridad de la fuente y proteger el diodo.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Práctica requerida 4 mide la corriente a través de una resistencia, una lámpara incandescente y un diodo a una gama de diferencias de potencial medidas a través de cada componente. Conecte un amperímetro en serie y un voltímetro en paralelo con el componente. Varíe la dp usando una fuente de cd variable o un resistor variable en serie. Comience en cero y manténgase dentro de las clasificaciones del componente. Registre lecturas pareadas en un rango adecuado; repita e investigue lecturas inconsistentes. Apague antes de invertir las conexiones de la fuente para obtener valores negativos, utilizando instrumentos que puedan leer la polaridad invertida. Grafique la corriente verticalmente frente a la diferencia de potencial horizontalmente.
A y V miden la corriente que pasa por y la diferencia de potencial en la lámpara.
Para la investigación de la lámpara en AQA junio 2023 8463/1H P06.1, la Figura 6 abarca desde −6 V hasta +6 V con lecturas a intervalos de 1 V. Recopile valores positivos, luego invierta la fuente para obtener los valores negativos; estos ajustes pertenecen a esa investigación específica de lámpara, no a todos los componentes posibles.
Para un diodo, use un resistor protector adecuado en serie para limitar la corriente y un miliamperímetro para medir la pequeña corriente. El resistor protector, no el miliamperímetro, protege el diodo. Mida la dp solo a través del diodo, excluyendo el resistor protector. Mantenga el resistor óhmico cerca de una temperatura constante; el cambio de temperatura del filamento de la lámpara es parte del efecto que se investiga.
Formas cualitativas, no gráficos de medición numérica. La corriente es el eje vertical en los tres paneles.
Conductor óhmico (resistencia fija a temperatura constante): la corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial; la resistencia es constante. Línea recta que pasa por el origen.
Lámpara incandescente: la resistencia aumenta conforme sube la temperatura de su filamento. La corriente aumenta menos que proporcionalmente con la dp, por lo que la curva I–V se aplanalejos del origen en ambas direcciones.
Diodo: conduce en dirección directa; la corriente inversa es despreciable en este modelo, por lo que la resistencia inversa es muy alta. No asuma que todos los diodos tienen exactamente el mismo voltaje directo.
En un punto de operación elegido, calcule la resistencia usando $R=V/I$. En un gráfico de corriente frente a voltaje, la resistencia no es la pendiente. Para una línea recta que pasa por el origen, la pendiente es $I/V=1/R$; para una característica curva utilice las coordenadas del punto elegido, en lugar de la pendiente de una tangente.
Ejemplo resuelto, adaptado de AQA junio 2023 8463/1H Pregunta06.2. A +3.0 V, la gráfica oficial de la lámpara da aproximadamente 0.16 A:
La mayor resistencia es consistente con un filamento más caliente: las vibraciones de la red cristalina aumentadas dificultan el movimiento de los electrones. La corriente aún aumenta, pero en una proporción menor que la dp.
Termistor: en el tipo requerido aquí, la resistencia disminuye conforme aumenta la temperatura — usado como sensor de temperatura en un termostato.
Fotorresistencia (LDR): la resistencia disminuye conforme aumenta la intensidad de luz — usada como sensor de luz en un circuito de iluminación automática.
Estos son gráficos de resistencia frente al entorno, no características I–V.
Un sensor no especifica por sí solo cuándo se enciende un electrodoméstico. Por ejemplo, un controlador configurado para encender una lámpara cuando la resistencia del LDR es alta lo hará en la oscuridad. Un controlador de enfriamiento puede programarse para activarse cuando la resistencia del termistor disminuye con el aumento de temperatura. Enuncie la regla dada del controlador y rastree el cambio a través de él. Solo si hay la misma diferencia de potencial (dp) en el sensor, una resistencia decreciente implica una corriente creciente según $I=V/R$; una fuente fija no garantiza una dp constante en el sensor dentro de un circuito en serie.
2.4
Circuitos en serie y en paralelo
Syllabus
Circuitos en serie y paralelo (AQA 8463 afirmación 4.2.2).
Para componentes en serie: indicar que la corriente es la misma, la diferencia de potencial de la fuente se reparte y la resistencia total es la suma de las resistencias individuales.
Para componentes en paralelo: indicar que la diferencia de potencial es la misma en cada rama, la corriente total es la suma de las corrientes de rama y la resistencia total de dos resistores es menor que la resistencia individual más pequeña.
Explicar cualitativamente por qué añadir resistores en serie aumenta la resistencia total, mientras que añadirlos en paralelo la disminuye.
Calcular corrientes, diferencias de potencial y resistencias en circuitos serie de corriente continua, usando la resistencia equivalente.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
En serie, los componentes comparten un único bucle sin derivaciones. En paralelo, los componentes están conectados en ramas separadas entre los mismos dos nodos. Rastree estas trayectorias en el diagrama antes de aplicar las reglas de corriente y diferencia de potencial.
Mismos componentes, reglas muy distintas.
Para componentes en serie:
la corriente es la misma en cada componente;
la diferencia de potencial del suministro se comparte entre los componentes;
la resistencia total es la suma: $R_{total} = R_1 + R_2$.
Para componentes en paralelo:
la diferencia de potencial en cada componente es la misma;
la corriente total es la suma de las corrientes de rama;
la resistencia total de dos resistencias es menor que la menor individual.
Debe explicar ambos sentidos: añadir resistencias en serie coloca una oposición adicional en la misma trayectoria conductora sin derivaciones, por lo que la resistencia total aumenta; en paralelo, cada resistencia abre una trayectoria adicional para la carga, por lo que fluye más corriente para la misma diferencia de potencial y la resistencia total disminuye.
No se requiere calcular la resistencia combinada de dos resistencias en paralelo —solo comparar y explicar—.
Ejemplo resuelto. Una batería de 6.0 V impulsa una lámpara en serie con una resistencia variable ajustada a 6.0 Ω. La lámpara tiene una resistencia de 12 Ω en este punto de operación.
Datos conocidos: dp de alimentación y ambas resistencias en este punto de operación. Mantenga la corriente sin redondear al calcular las reparticiones de voltaje.
Las reparticiones suman 6.0 V. Las reparticiones iguales ocurren únicamente para resistencias iguales en el punto de operación; los componentes en serie no siempre comparten el voltaje equitativamente.
Comparación escrita por el docente con resistencias fijas. Dos resistencias de 8.0 Ω están conectadas a una fuente ideal de 12 V. En serie, $R_{total}=R_1+R_2=16\ \Omega$ y $I=V/R_{total}=0.75\ \text{A}$; cada resistencia tiene $V=IR=6.0\ \text{V}$. En paralelo, cada rama tiene 12 V, por lo que la corriente en cada rama es $I=V/R=1.5\ \text{A}$ y $I_{total}=I_1+I_2=3.0\ \text{A}$. Añadir otra resistencia en paralelo proporciona otra trayectoria de corriente e incrementa la corriente total a la misma dp de alimentación. No se necesita la fórmula de resistencia recíproca aquí.
Para ramas paralelas independientes sobre una fuente ideal de dp fija, abrir una rama detiene la corriente en esa rama; la otra rama mantiene la misma dp. Abrir la única trayectoria en serie detiene la corriente a través de ambos componentes. Si la dp de la fuente cambia bajo carga, no asuma que la corriente de la otra rama permanece inalterada.
Ejemplo resuelto integrado, adaptado de AQA junio 2024 8463/1H Pregunta05.5. A 20 °C, la gráfica del termistor de la pregunta da aproximadamente 80 Ω. Está en serie con una resistencia de 400 Ω conectada a 12 V. Encuentre la diferencia de potencial en el termistor.
La resistencia fija tiene el resto de 10 V. Este ejemplo utiliza la lectura de la gráfica proporcionada anteriormente; la pregunta completa del examen también requiere leer esa resistencia en la gráfica. Una diferencia de potencial de suministro fija no hace que la diferencia de potencial del termistor sea igual a la del suministro.
Usos domésticos y seguridad (AQA 8463 enunciado 4.2.3).
Indica que la electricidad de red es un suministro de ca con frecuencia de 50 Hz y diferencia de potencial de aproximadamente 230 V en el Reino Unido.
Explicar la diferencia entre diferencia de potencial directa y alterna.
Identificar los cables fase, neutro y tierra por su color de aislamiento y describir la función de cada uno.
Explicar por qué un cable fase puede ser peligroso incluso cuando un interruptor del circuito de red está abierto.
Explicar los peligros de establecer cualquier conexión entre el cable fase y la tierra.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
El suministro eléctrico del Reino Unido es alternante (ca): la diferencia de potencial cambia de polaridad repetidamente. Su frecuencia es de 50 Hz, lo que significa 50 ciclos completos por segundo, y su diferencia de potencial nominal es de aproximadamente 230 V. Las baterías proporcionan una diferencia de potencial directa (cc) con una sola polaridad. Una diferencia de potencial directa no necesita ser perfectamente constante en magnitud; su dirección no se invierte.
Escala de voltaje cualitativa: la curva no representa 230 V como su pico. Un ciclo completo de 50 Hz dura 20 ms.
Recuerdo de examen real: AQA Junio 2024 8463/1H P05.1 solicita la frecuencia y la diferencia de potencial (dp) de la red eléctrica del Reino Unido: 50 Hz y 230 V respectivamente. Cincuenta ciclos por segundo no significa solo cincuenta cambios de dirección por segundo; un ciclo sinusoidal incluye una semiciclo positivo y uno negativo.
Los colores de aislamiento están nombrados en las flechas.
Cable
Color de aislamiento
Función normal y potencial
vivo
marrón
Suministra dp alterna; aproximadamente 230 V respecto a tierra.
neutro
azul
Completa el circuito normal; está a o cerca del potencial de tierra, aproximadamente 0 V.
tierra
franjas verdes y amarillas
Conexión de protección a una carcasa metálica expuesta; cercano a 0 V en el modelo normal, sin transportar corriente de carga normal.
El neutro y la tierra tienen funciones distintas a pesar de que ambos suelen estar cerca del potencial de tierra. El neutro transporta la corriente de carga normal; la tierra de protección proporciona un camino para la corriente de falla.
Por qué un interruptor abierto no hace que todo el cableado vivo sea inofensivo
Interruptor vivo abierto con puntos etiquetados del lado del suministro y del lado de la carga.
El interruptor abierto detiene la corriente de la lámpara en este circuito ideal. El punto A permanece conectado al suministro vivo, a unos 230 V respecto a tierra. Una persona que establezca una conexión conductora desde ese punto vivo hacia la tierra puede recibir una descarga eléctrica. No infiera de un electrodoméstico apagado que todas las partes del circuito estén aisladas. Esto no implica que el punto B después de un interruptor vivo abierto correctamente cableado deba permanecer también vivo.
El peligro depende de la corriente a través del cuerpo, su trayectoria y la duración. El cuerpo humano no es un alambre de resistencia cero, pero una corriente mucho menor que la clasificación típica de un fusible de electrodoméstico aún puede causar lesiones graves. Un fusible de electrodoméstico no garantiza protección contra tocar cableado vivo.
Tierra de protección y fusible en una falla de carcasa metálica
Para el modelo de falla de aula, suponga que el cable vivo toca una carcasa metálica expuesta que tiene una conexión a tierra de protección sólida. El conductor de tierra suministra un camino de falla de baja resistencia; la gran corriente resultante calienta y funde un fusible adecuadamente clasificado en el cable vivo, interrumpiendo la alimentación viva. Sin esa conexión a tierra, la carcasa puede volverse viva sin suficiente corriente para accionar el fusible. La protección de un fusible contra corrientes excesivas es diferente a la afirmación de que cualquier corriente de choque posible lo fundirá.
Evaluar una falla de neutro roto
Modelo ideal escrito por el profesor: una lámpara está conectada a una alimentación monofásica viva y neutra. La conexión del neutro se rompe entre la lámpara y la alimentación. El terminal neutro aguas abajo permanece conectado a la fase viva a través de la lámpara; no hay otro camino de retorno. No fluye corriente de carga normal, pero ese terminal aguas abajo puede estar a potencial vivo.
Condición
Diferencia de potencial vivo-tierra
Diferencia de potencial neutro-carga a tierra
Diferencia de potencial en la lámpara
normal
aproximadamente 230 V
aproximadamente 0 V
aproximadamente 230 V
retorno de neutro roto
aproximadamente 230 V
aproximadamente 230 V
aproximadamente 0 V
Este modelo ideal explica una lámpara apagada con un terminal peligroso aguas abajo. Ambos terminales de la lámpara están aproximadamente al mismo potencial, por lo que la diferencia de potencial en la lámpara es cercana a cero; cualquiera de ellos aún puede tener una gran diferencia de potencial respecto a tierra. Es inconsistente asignar 230 V tanto a través de esta lámpara ideal apagada como desde cada uno de sus terminales a tierra en el modelo monofásico enunciado.
2.6
Transferencia de energía: potencia y aparatos eléctricos
Syllabus
Transferencias de potencia y energía en electrodomésticos (AQA 8463 enunciados 4.2.4.1-4.2.4.2).
Utilice potencia = diferencia de potencial × corriente (P = VI) y potencia = corriente al cuadrado × resistencia (P = I^2 R).
Explicar cómo la transferencia de potencia en un dispositivo se relaciona con la diferencia de potencial a través de él, la corriente que lo atraviesa y la energía transferida en un tiempo dado.
Usar energía transferida = potencia × tiempo (E = Pt) y energía transferida = flujo de carga × diferencia de potencial (E = QV), con el tiempo en segundos.
Describir cómo los aparatos domésticos transfieren energía a energía cinética, calor o luz, y relacionar las potencias nominales con los cambios en la energía almacenada durante su uso.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Los aparatos eléctricos transfieren energía de baterías o de la red. Un motor transfiere energía mecánicamente a objetos móviles; un calentador transfiere energía al depósito térmico de su entorno. La potencia es la tasa de transferencia de energía: 1 W significa 1 J cada segundo. Una clasificación indica esta tasa a la diferencia de potencial de funcionamiento especificada; no es la energía total utilizada.
Cantidades conocidas
Ecuación
Objetivo
dp y corriente
$P=VI$
potencia en W
corriente y resistencia
$P=I^2R$
potencia resistiva en W
potencia y tiempo
$E=Pt$
energía en J
carga y d.p.
$E=QV$
energía en J
Use segundos con vatios para obtener julios. Use amperios, voltios, ohmios y culombios con estas ecuaciones. Para un modelo resistivo, sustituir $V=IR$ en $P=VI$ da como resultado $P=(IR)I=I^2R$. Si la corriente es desconocida, reorganice $I^2=P/R$ y tome la raíz cuadrada: $I=\sqrt{P/R}$, no $P/R$.
Ejemplo resuelto — AQA Junio 2023 8463/1H P06.3. Una lámpara transporta 0.21 A a 6.0 V durante 30 minutos. Calcule la energía transferida. La corriente y la p.d. dan la potencia; la potencia y el tiempo dan la energía.
Convierta el tiempo: $30\ \text{min}=30\times60\ \text{s}=1800\ \text{s}$.
Ambas rutas coinciden y son aceptadas en el esquema oficial. Retenga los valores intermedios hasta la respuesta final; escriba J para la energía, no W.
Ejemplo resuelto — AQA Junio 2025 8463/1H P09.2. La pregunta da la potencia del motor-bomba 4.86 W y resistencia 6.0 Ω y pide el flujo de carga en 30 minutos. Use el modelo $P=I^2R$ prescrito por la pregunta; esto no es una afirmación general de que toda la entrada eléctrica a un motor real en funcionamiento sea calentamiento por resistencia. Potencia y resistencia dan la corriente; corriente y tiempo dan la carga.
Compare calidades de potencia — escrito por profesor. Dos dispositivos transfieren la misma 120 kJ de energía de entrada a potencias constantes 1.0 kW y 2.0 kW. Convierta 120 kJ a 120 000 J y kW a W antes de usar $t=E/P$.
La línea más empinada transfiere energía más rápido. Los puntos extremos muestran igual energía, con tiempos diferentes.
En el mismo tiempo de funcionamiento, el dispositivo de 2.0 kW transfiere el doble de energía. Para la energía de entrada igual especificada, requiere la mitad del tiempo. Una mayor calidad por sí sola no demuestra un mayor uso total de energía ni costo total para un trabajo: la duración y, para la salida útil, la eficiencia importan. Para el mismo material y cantidad de agua, una mayor potencia de calentamiento útil eleva la temperatura más rápido cuando las pérdidas son comparables.
2.7
La Red Nacional
Syllabus
La Red Nacional (AQA 8463 enunciado 4.2.4.3).
Describir la Red Nacional como un sistema de cables y transformadores que conecta las centrales eléctricas con los consumidores.
Indicar que los transformadores elevadores aumentan la diferencia de potencial de transmisión y los reductores la disminuyen para uso doméstico.
Explique por qué la red eléctrica nacional es una forma eficiente de transferir energía, utilizando P = VI y la pérdida de potencia en el cable P = I^2 R.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
La Red Nacional transfiere energía eléctrica desde centrales generadoras a consumidores mediante cables y transformadores.
Las flechas muestran la ruta de transferencia de energía del sistema, no los alambres individuales del circuito.
Un transformador elevador aumenta la p.d. antes de la transmisión. Para la misma potencia que entra a la línea, una p.d. de envío más alta significa una corriente menor: $I=P_{\text{in}}/V$. Con la misma resistencia de cable, la pérdida por calentamiento $P_{\text{loss}}=I^2R$ es menor. Más de la energía de entrada llega a los consumidores, por lo que aumenta la eficiencia. La pérdida se reduce, no se elimina.
Un transformador reductor disminuye la p.d. de transmisión para los consumidores; los electrodomésticos domésticos del Reino Unido usan aproximadamente 230 V. Este es un valor más bajo y adecuado que la p.d. de transmisión; aún puede causar una descarga eléctrica peligrosa. La construcción y operación del transformador se enseñan en el tema 4.7; esta sección explica sus roles a nivel de sistema.
Explicación de examen real — AQA Junio 2022 8463/1H P06.1–06.2. El papel coloca el transformador X antes de los cables de transmisión aéreos y Y antes de los consumidores. X aumenta la p.d., reduce la corriente, reduce la transferencia de calor al entorno y aumenta la eficiencia de la transmisión. Y reduce la p.d. a un valor más seguro para los consumidores. No reemplace la explicación de X solo con “es más eficiente”: exponga la cadena física.
Compare dos diferencias de potencial de envío
Comparación simplificada escrita por profesor. Mantenga la potencia de entrada en el extremo de envío en 500 kW y la resistencia total del cable en 2.0 Ω. Compare la p.d. de envío 10 kV con 20 kV. Use un modelo simplificado de línea única resistiva y transformadores ideales; esto no es un cálculo de la red trifásica real del Reino Unido. Convierta kW y kV a W y V.
El doble de la p.d. de envío da la mitad de la corriente y un cuarto de la pérdida en el cable. La potencia de entrada permanece sin cambios; la potencia de salida aumenta porque se pierde menos. Un cálculo de corriente y resistencia da la pérdida, pero no puede dar la eficiencia por sí solo: también se necesita la potencia o energía de entrada total.
Hoja 2.7 comparación. A 2000 A través de 40 Ω, $P_{\text{loss}}=I^2R=(2000\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.6\times10^8\ \text{W}$. A 500 A a través de la misma resistencia, $P_{\text{loss}}=I^2R=(500\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.0\times10^7\ \text{W}$. La corriente es un cuarto, por lo que la pérdida es una dieciseisava. Sin una entrada especificada, no afirme que estas pérdidas son un pequeño porcentaje del total.
Cálculo de eficiencia real — AQA Junio2023 8463/1H P01.5. La energía de entrada es 34.2 GJ y la eficiencia es 0.992. Utilice $\eta=E_{\text{useful}}/E_{\text{in}}$ y reordénela antes de sustituir. Dado que ambas energías están en GJ aquí, la proporción no necesita conversión a J.
Electricidad estática, solo física (AQA 8463 enunciado 4.2.5).
Explicar que frotar materiales aislantes transfiere electrones, dejando cargas iguales y opuestas.
Describir las fuerzas entre objetos cargados: cargas similares se repelen, cargas opuestas se atraen, como fuerza de acción a distancia.
Describir la producción de electricidad estática y chispas mediante el frotamiento de superficies.
Dibuja el patrón del campo eléctrico para una esfera cargada aislada.
Explica el concepto de campo eléctrico y cómo explica la fuerza sin contacto entre cargas y las chispas eléctricas.
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Cuando dos materiales aislantes se frotan entre sí, los electrones — cargas negativas — se frotan fuera de uno y sobre el otro:
el material que gana electrones queda cargado negativamente;
el material que pierde electrones queda con una carga positiva igual.
Los objetos cargados ejercen fuerzas sin contacto: las cargas iguales se repelen; las cargas opuestas se atraen — una fuerza de acción a distancia. Una gran diferencia de potencial puede crear un fuerte campo eléctrico a través de un pequeño espacio de aire. Si el campo es suficientemente intenso, el aire se vuelve conductor (ruptura dieléctrica), y la carga fluye brevemente a través del espacio como una chispa. Un conductor puesto a tierra puede recibir una chispa; poner a tierra no elimina una fuente de alto voltaje cercana.
Un objeto cargado crea un campo eléctrico a su alrededor: una región donde otra carga siente una fuerza.
Los electrones se mueven; el campo indica la fuerza. El campo es más fuerte cerca del objeto y más débil a mayor distancia.
Debe dibujar el patrón de campo para una esfera aislada cargada: líneas radiales rectas apuntando hacia afuera de una carga positiva (o hacia adentro de una negativa), espaciadas más ampliamente conforme se alejan de la esfera.
Vincule la explicación con preguntas reales de examen
AQA Junio 2022 8463/1H P05.1: los electrones se mueven del paño a la varilla; los electrones son negativos, por lo que el paño queda con exceso de carga positiva. No describa la transferencia de carga positiva. P05.4: la gran dp puede causar la ruptura del aire; los electrones fluyen a través del aire desde la varilla negativa hacia el conductor puesto a tierra.
AQA Junio 2024 8463/1H P04.1–04.3: los electrones se transfieren a la estudiante, sus cabellos ganan la misma carga negativa, y las cargas iguales se repelen. El campo eléctrico es una región donde otro objeto cargado experimenta una fuerza; su intensidad disminuye con la distancia.
P04.4: una chispa transfiere 0.60 J con 2.0 microcoulombs de carga. Convierta $Q=2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C}$. Elija $E=QV$ y reordénela:
Extensión de objeto neutro para hoja 2.8. Una varilla cargada puede atraer papel neutro porque separa ligeramente las cargas positivas y negativas dentro del papel. Las cargas opuestas más cercanas sienten una atracción más fuerte que la repulsión de las cargas similares más lejanas. En una pared aislante, las cargas ligadas se desplazan ligeramente; no asuma que los electrones fluyan libremente a través de ella. La atracción sola no prueba cargas netas opuestas. En la pregunta sobre varillas de la hoja, se indica que todas están cargadas, por lo que aplica la regla de cargas opuestas.
2.8
Lista de verificación antes de considerar este tema completado
Dibuje los símbolos estándar; coloque amperímetros en serie, voltímetros en paralelo.
Use $Q = It$, $V = IR$, $P = VI$, $P = I^2R$, $E = Pt$, $E = QV$ — elegidos de las palabras de la pregunta.
Describa RP3: $R \propto L$, controles, interceptación y verificaciones de calentamiento; RP4: circuitos y formas I–V.
Enuncie las reglas de corriente, diferencia de potencial y resistencia en serie/paralelo; explique las tendencias de resistencia.
Recuerde la red eléctrica: 230 V, 50 Hz, ca; colores y funciones de los cables; explique los peligros del cable activo.
Explique la eficiencia de la Red Nacional con $P = I^2R$.
(solo física) Explique la carga por fricción con electrones, y dibuje el campo radial de una esfera cargada.