BLOQUE III COMPRENDES LAS LEYES DE LA ELECTRICIDAD
3.1
ELECTRICIDAD
ANTECENDENTES HISTORICOS
Desde la antigüedad los griegos habían
observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar (conocido como
elektron), podían atraer objetos pequeños, de hecho la palabra electricidad
proviene del vocablo griego êlektron que
significa ámbar.
Los primeros fenómenos eléctricos fueron
descubiertos par Tales de Mileto el cual decía que al frotar el ámbar con
una piel de gato, esta podía atraer algunos cuerpos ligeros como el polvo,
cabello o paja.
El alemán Otto de Guericke construyo la primer
maquina eléctrica, cuyo funcionamiento se basaba en el frotamiento de una bola
de azufre que al girar producía chispas eléctricas.
El holandés Pieter Van Musschenbroek
descubrió la manera de almacenar carga eléctrica al usar la llamada botella de Leyden.
El estadounidense Benjamín Franklin observo
que cuando un conductor con carga negativa ( - ), terminaba en punta, los
e- se acumulaban en esa región y por
repulsión ocasionalmente abandonan dicho extremo. Aplicando esta propiedad
invento el pararrayos. A él se debe los términos electricidad + y -, conductor
eléctrico y batería.
El francés Charles Coulomb estudio las
leyes de atracción y repulsión eléctricas inventando un dispositivo llamado
balanza de torsión.
El italiano Alessandro Volta elaboro la primera
pila eléctrica. El alemán George Ohm descubrió las resistencias eléctricas y
estableció la “Ley fundamental de las corrientes eléctricas”
El ingles Michael Faraday demostró que en
un cuerpo electrizado que se encuentre aislado las cargas siempre se acumulan
en su superficie.
James Joule estudio los fenómenos
producidos por las corrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos
eléctricos.
Joseph Henry, construyó el primer electro imán.
Heinrich Lenz Enunciola relativa al sentido
de la corriente inducido
James Maxwell propuso la teoría
electromagnética de la luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético.
CONCEPTOS BASICOS
Carga Eléctrica:
Es una propiedad intrínseca que presentan algunas partículas sub’atómicas, se
representa con la letra “q”, en
el Sistema Internacional de Unidades (SI) la unidad de carga
eléctrica es el coulomb ó coulombio, y su símbolo es “C“ de acuerdo a la Ley de Coulomb que
le dio el nombre. La carga eléctrica se presenta en dos tipos: positivas (+) y negativas (–).
Cuando las cargas son del mismo tipo se repelen y cuando son diferentes
se atraen.
Las cargas
eléctricas están rodeadas por campos de fuerzas eléctricas. La atracción mutua de las
cargas, que tienen distinto signo, o la repulsión de las cargas de igual signo
se determina por la interacción de estos campos. Las fuerzas, que actúan en el espacio
alrededor de una carga, se representan convencionalmente con flechas.
La carga más pequeña que se conoce
es la que posee un electrón: e = –1.602 x 10-19 C ó un protón e = 1.602 x 10-19 C y es la unidad mínima de medida utilizada para realizar operaciones; en
síntesis la carga de un electrón es de igual valor a la de un protón aunque de polaridad
opuesta; los neutrones no poseen carga.
Todos los cuerpos que nos rodean están
compuestos de electrones, protones y
neutrones, en muchos casos la cantidad de protones y electrones no es la
misma (el cuerpo no está equilibrado eléctricamente); en el caso de que un
cuerpo tenga más electrones que protones se dice que está cargado
negativamente y si tiene más protones que electrones se dice que
está cargado positivamente, cuando la cantidad de protones y electrones es la misma, la carga
es nula o neutra (el cuerpo no está cargado).
Conservación de la carga:
Los
electrones no se crean ni se destruyen, sino que simplemente se transfieren
de un material a otro. Cuando un
cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de
los cuerpos es igual a la que cede el otro. La carga se conserva en todo proceso, ya sea en gran escala o en el nivel atómico y
nuclear se aplica el concepto de conservación de la carga. Jamás se ha observado caso alguno de creación
o destrucción de carga neta. La conservación de la carga es una de las piedras
angulares de la Física, al igual que la conservación de la energía. Cuando un cuerpo es frotado contra otro, no
se crea carga en el proceso, sino que existe una transferencia de cargas entre
uno y otro.
Además de las fuerzas de atracción ó repulsión entre electrones y protones, que dependen únicamente de las distancias de las partículas en el átomo, existen otras fuerzas entre ellas que dependen de su movimiento relativo y que dan lugar a los fenómenos magnéticos.
Por consiguiente todos los
efectos magnéticos son consecuencia del movimiento relativo de las cargas
eléctricas (de los electrones con relación a los protones) por lo tanto, el
magnetismo y la electricidad son dos fenómenos afines que se originan
como consecuencia de las propiedades de las cargas eléctricas.
Conductores y Aisladores.
La Electricidad
es una forma de energía que se puede transmitir de un punto a otro, todos los
cuerpos presentan esta característica que es propia de las partículas que lo
forman, pero algunos la transmiten mejor que otros.
Todas las instalaciones eléctricas, están
compuestos por materiales conductores y materiales aislantes. Desde el
descubrimiento de la electricidad hasta nuestros días, son los materiales más
utilizados, ya que sin ellos no se podría transportar con seguridad la
electricidad.
Materiales Conductores
Los conductores de la
electricidad son aquellos materiales que dejan pasar fácilmente la corriente
eléctrica, entre ellos están los metales en general, tales como: oro, cobre,
agua, aluminio, plata, etc.
Materiales Aislantes
Los aislantes son materiales que resisten el flujo de
la electricidad, por lo que ésta no pasa fácilmente. Los electrones no pueden
circular libremente. Los materiales aislantes se emplean en electricidad para
evitar fugas y accidentes eléctricos. Ejemplos de estos materiales son el
plástico, madera, caucho, tela, aire y vidrio. Algunos materiales son mejores
aislantes de la electricidad que otros.
3.-
Formas de electrizar un cuerpo.- Los cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones
y puede ser mediante:
Contacto: Se
puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado, en este
caso ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo
neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga
positiva.
Frotamiento: Al
frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de
protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga
negativa.
Inducción: Es un
efecto de las fuerzas eléctricas, debido a que éstas se ejercen a distancia,
un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá
hacia sí a las cargas negativas, con lo cual la región próxima queda cargada
negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión
sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos,
la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y
desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.
3.2 ELECTROESTATICA
Es la parte de la Electricidad que
estudia este tipo de comportamiento de la materia, se ocupa de la medida de la
carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en
general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo.
Los
conocimientos de fluido eléctrico de
Benjamín Franklin (1706-1790) para explicar la electricidad fueron precisados a
principios de siglo, al descubrirse que la materia está compuesta íntimamente
de átomos y éstos a su vez por partículas que tienen propiedades eléctricas.
Como sucede con otros capítulos de la Física, el interés de la electrostática reside no sólo en que describe las características de unas fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino también en que facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas. Desde el pararrayos hasta la televisión y una amplia variedad de dispositivos científicos y técnicos están relacionados con los fenómenos electrostáticos
Ley de Coulomb
El físico francés Charles-Agustín de Coulomb realizó una
serie de experimentos utilizando una balanza de torsión, con la que percibió
que entre dos cuerpos cargados eléctricamente se ejercía una fuerza , misma que
podía ser de atracción o de repulsión, y que estaban en relación con la
distancia a la que se encontraban dichos cuerpos. A raíz de este experimento se
dedujo lo que hoy conocemos como la “Ley de Coulomb” que dice:
“Cuando se consideran dos cuerpos cargados, la
intensidad de la fuerza de atracción ó repulsión que se genera es directamente
proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que los separa”
Dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que les
rodea, es decir se verá afectada por una constante de proporcionalidad (k) que
dependerá del medio en que se encuentren.
EJEMPLO:
Dos objetos con cargas de +1 y -1 coulomb
están separados una distancia de dos metros. Determina el valor de la fuerza de
atracción que existe entre ellos.
Campo eléctrico:
El campo
eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella
región del espacio en donde se sienten sus efectos; la comprobación experimental de un campo
eléctrico cualquiera, consiste simplemente en colocar una pequeña carga de
prueba en el mismo y se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es
decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella; el modelo matemático
utilizado es:
3.1 Electrodinámica
Es la parte de
la electricidad que se encarga de estudiar las cargas eléctricas en movimiento.
La Ley de Ohm afirma que la corriente que circula por un conductor
eléctrico es directamente proporcional a la tensión ó voltaje e inversamente proporcional a la Resistencia siempre y cuando su temperatura se mantenga
constante, la ecuación matemática que
describe esta relación es:
La intensidad
de corriente eléctrica se expresa en amperios ó amperes (Amp) que por
definición, es el número de coulombios por segundo ó C/seg
También se
define a la intensidad de corriente eléctrica como la cantidad de carga que
circula por un conductor en la unidad de tiempo (segundo). y se expresa:
Resistencia.- Resistencia eléctrica es toda
oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico
cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas
o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito
eléctrico representa en sí una resistencia u obstáculo para la circulación de
la corriente eléctrica (ejem: foco). Se mide en ohms ú ohmios y se representa con la letra omega (Ω).
Corriente eléctrica.- Es la circulación ó el movimiento de cargas
eléctricas o electrones a través de un conductor y es originada por la
diferencia de potencial. Las únicas partículas que pueden desplazarse a lo
largo de los conductores debido a su pequeño tamaño son los electrones,
entonces la corriente eléctrica se mueve desde el polo negativo hacia el
positivo.
Una corriente
eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán.
Existen dos tipos de corrientes:
Continua: Es aquella en donde los electrones
circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma
dirección.
Alterna: Es aquella que circula durante
un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el
mismo proceso en forma constante.
El instrumento
usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica se llama amperímetro y se coloca en serie con el
conductor cuya intensidad se desea medir.
Fuerza Electromotriz (FEM).-
Se denomina
así a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que
suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una
diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro
positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas
eléctricas a través de un circuito cerrado.
Voltaje (V).-
El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce
una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o
electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de
una corriente eléctrica. A mayor
diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las
cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el
voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese
conductor.
Sus unidades
son los voltios y la diferencia de potencial o voltaje
entre dos puntos de un circuito se mide directamente con un aparato llamado voltímetro
que se coloca en paralelo
entre los puntos del circuito cuya diferencia de potencial se desea medir, se
representa mediante el símbolo:
Energía Potencial Eléctrica.-
Un objeto con
carga puede tener energía
potencial en virtud de su posición en un campo eléctrico; del mismo modo que se
requiere trabajo para alzar un objeto contra el campo gravitacional de la
Tierra, se necesita trabajo para empujar una partícula con carga contra el
campo eléctrico de un cuerpo cargado. La energía potencial eléctrica de una
partícula con carga aumenta cuando
se realiza trabajo para empujarla contra el campo eléctrico de algún otro
objeto cargado.
Imaginemos una carga positiva pequeña ubicada a cierta distancia de una esfera positivamente cargada. Si acercamos la carga pequeña a la esfera invertiremos energía en vencer la repulsión eléctrica. Del mismo modo que se realiza trabajo al comprimir un resorte se hace trabajo al empujar la carga contra el campo - -
eléctrico de la
esfera. Este trabajo es equivalente a la energía que adquiere la carga. La
energía que ahora posee la carga en virtud de su posición se llama energía
potencial eléctrica. Si soltamos la esfera, se acelerará alejándose y su
energía potencial se transformará en energía cinética.
Potencial Eléctrico.- Es el trabajo realizado para
trasladar una carga positiva unitaria “q” de un punto a otro, y además es equivalente al creado por una
carga puntual que se encuentra a una determinada distancia, su unidad de medida
es el “volt”, matemáticamente se expresa:
Diferencia de Potencial
(d.d.p.).- Es la diferencia entre los potenciales de dos
puntos entre los cuales se mueve la carga es decir:
VAB = VA –
VB
Efecto Joule.- Es el
fenómeno por el cual al circular una corriente eléctrica por un conductor,
parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor,
ésto debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por
el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Para calcular la cantidad
de calor liberada se utiliza el siguiente modelo matemático.
Potencia Eléctrica.- Es la velocidad a la que se consume la energía, ó la velocidad con la que se realiza un trabajo. También se puede definir Potencia como la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo.
Se representa
con la letra “P”, se mide en Joules/segundo y un J/seg equivale a 1 watt que
es la unidad de medida de la potencia. Es igual al producto de la
intensidad de corriente por el voltaje, ó al trabajo desarrollado entre el
tiempo ó a la Resistencia multiplicada por la intensidad de corriente.
Además si la
intensidad de corriente se expresa en amperes y el voltaje en volts, entonces
la potencia es (ampere x Volt = Watts), los modelos matemáticos son:
Circuito Eléctrico.- Es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones, es decir es un sistema en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria cerrada al aplicarle una diferencia de potencial.
Con el fin de
lograr un flujo sostenido de carga, debe contarse con algo que mantenga una
diferencia de potencial, mientras que la carga fluye de uno de los extremos
hacia el otro. Existen varios dispositivos conocidos como fuentes de voltaje ó
bancos de fuerza electromotriz como las baterías químicas (pilas), generadores,
transformador, etc.
Los circuitos
eléctricos pueden estar conectados en Serie,
Paralelo ó en forma Mixta
Para que una corriente
eléctrica circule por un circuito es necesario que se disponga de tres factores
fundamentales:
1.- Fuente de voltaje (un
generador = pila, batería o alternador), que produce la corriente eléctrica.
2.- Un conductor (cable)
que transportan la corriente eléctrica.
3.- Resistencia, ó
receptores (un foco, televisor, ventilador, timbre etc) que reciben y utilizan
la corriente eléctrica.
Además también
suele haber elemento de maniobra (interruptor), que corta ó enciende la
corriente eléctrica.
Aunque en la realidad los electrones circulan desde el polo negativo de la
pila, al positivo, por conveniencia se ha establecido el sentido contrario es
decir del polo positivo al negativo.
Circuito en Serie.- En este tipo de circuito los
elementos están conectados uno a continuación de otro y por ellos circula
siempre la misma Intensidad de corriente; al interrumpirse el circuito en algún
punto, deja de circular la corriente.
Para encontrar la Resistencia total equivalente en un circuito en serie se
utiliza la siguiente ecuación:
Circuito en Paralelo.-
En éste los elementos se encuentran en varios ramales paralelos, en los
cuales la corriente se divide en cada uno de ellos, de tal manera que si se
interrumpe un ramal, la corriente sigue circulando por los demás. La Resistencia equivalente que circula la
podemos obtener con el siguiente modelo matemático:
Circuito Mixto.- En éste los elementos se
conectan tanto en Serie como en Paralelo, y se puede encontrar la resistencia
equivalente utilizando los dos modelos matemáticos presentados según sea el
caso.
Un método práctico para la resolución de circuitos es el siguiente:
- Se inicia por la parte más alejada de la fuente
- Se reducen todos los paralelos del circuito aplicando la fórmula
correspondiente.
- Se reducen las resistencias que han quedado en serie.
- Se vuelven a reducir los nuevos paralelos que se han formado..... y
así sucesivamente.
VIDEOS DE APOYO
BUENA INFORMACION
ResponderEliminarme encato esta muy bien explicado todo fue el mejor que encontre en toda mi busqueda -.-
ResponderEliminarme encato esta muy bien explicado todo fue el mejor que encontre en toda mi busqueda -.-
ResponderEliminar