Apuntes de Física - Colegio AntilMawida

Colegio Antil Mawida
Depto de Ciencias Básicas
Profesor: Gina Tello.
Apuntes de Física
ELECTROSTÁTICA
La electrostática es un área de la física que estudia las cargas eléctricas en reposo, las fuerzas que
se ejercen entre ellas y su comportamiento en los materiales. Es importante señalar que la
electrostática como su nombre lo dice se ocupa de los fenómenos eléctricos estáticos.
Cargas eléctricas
Todos los cuerpos están formados por átomos, que contienen partículas elementales con carga
eléctrica, como los protones, electrones y neutrones. La carga eléctrica es una propiedad intrínseca
de estas partículas.
Los electrones poseen carga eléctrica negativa, los protones carga eléctrica positiva y los
neutrones son partículas eléctricamente neutras. En la naturaleza todos los cuerpos se encuentran
en un estado eléctricamente neutro, ya que poseen igual número de protones y electrones. (Ver
figura 6.0)
Figura 6.0. El átomo se encuentra eléctricamente neutro, ya que posee igual número de electrones
como de protones.
Cuando algún fenómeno hace que los átomos que conforman un cuerpo, pierdan o ganen
electrones, este cuerpo queda electrizado. Diremos que un cuerpo posee carga eléctrica
negativa, si adquiere electrones, por el contrario si el cuerpo cede electrones diremos que posee
carga eléctrica positiva. (Ver figura 6.1)
Figura 6.1. El cuerpo cargado negativamente posee mayor número de electrones, a diferencia del
cuerpo cargado positivamente.
Carga neta
Cuando hablamos de la carga eléctrica en los cuerpos, es común referirse a la carga neta o total
que este posee, esto se refiere a que si un cuerpo tiene igual cantidad de protones y electrones
diremos que su carga neta es neutra (o cero), por otra parte, si un cuerpo posee mayor cantidad
de electrones que protones, entonces diremos que su carga neta es negativa.
Cargas positivas y negativas
En la interacción entre dos cuerpos cargados se manifiesta la fuerza eléctrica. Si tenemos dos
cuerpos con igual carga se generará entre ellos una fuerza de repulsión, al contrario si los cuerpos
tienen distinta carga se manifestará una fuerza de atracción. (Ver figura 6.2)
Figura 6.2. Cargas de igual signo se repelen y cargas de diferente signo se atraen.
Métodos para cargar eléctricamente un cuerpo
La electrización consiste en la generación de un desequilibrio eléctrico de un cuerpo. Existen varias
formas de electrizar un cuerpo, estas son: por frotamiento, contacto e inducción, entre otras.
Electrización por Frotamiento
Cuando frotamos entre sí dos cuerpos eléctricamente neutros, se produce una transferencia de
electrones entre ellos, el cuerpo que cede electrones queda cargado positivamente y el cuerpo que
gana electrones queda cargado negativamente. (Ver figura 6.3)
Figura 6.3. Electrización por frotamiento.
Electrización por contacto
Consiste en cargar un cuerpo inicialmente en estado neutro, poniéndolo en contacto con otro
cuerpo previamente electrizado. En este caso, ambos quedarán con cargas del mismo signo.
Esto se debe a que habrá transferencia de electrones desde el cuerpo que los posea en mayor
cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la
magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos. (Ver figura 6.4)
Figura 6.4. Electrización por contacto.
Electrización por Inducción
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.
Un cuerpo cargado eléctricamente (inductor) puede atraer a otro cuerpo que está neutro (inducido).
Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica
entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro.
Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca
un reordenamiento (polarización) de las cargas del cuerpo neutro. (Ver figura 6.5)
Figura 6.5. Polarización del cuerpo inducido.
En este proceso de reordenamiento de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo
neutro, sólo se han separado las cargas positivas hacia un extremo y las negativas hacia el otro.
Para que el cuerpo neutro adquiera carga, es necesario generar un contacto a tierra, que permitirá
que los electrones del cuerpo neutro fluyan hacia o desde el objeto hasta la tierra, dependiendo de
la carga eléctrica del objeto inductor, obteniendo así que el cuerpo inicialmente neutro adquiera
una carga determinada, que será contraria a la del inductor. (Ver figura 6.6)
Figura 6.6
Conservación de la carga eléctrica
Cuando un cuerpo en estado neutro, es electrizado por otro, la carga neta entre ambos cuerpos se
mantiene constante, es decir, la carga eléctrica no se crea ni se destruye sólo se transfiere de un
cuerpo a otro.En todo proceso, ya sea en gran escala o en el nivel atómico y nuclear, se aplica el
concepto de conservación de la carga.
Conductores y aislantes
Debido a que los materiales varían en su estructura, no todos permiten el movimiento de electrones
con la misma facilidad.
A los que presentan menor dificultad a este movimiento, se les denomina conductores eléctricos,
como por ejemplo el oro, la plata, el cobre entre otros.
A los materiales que presentan mayor dificultad al movimiento de electrones, se les denomina
aislantes eléctricos, como por ejemplo la madera, el plástico, el papel, la porcelana, entre otros.
Figura 6.9. Cable conductor de electricidad, recubierto por un material aislante.
Cuadro resumen
1. La electrostática es un área de la física que estudia las cargas
eléctricas en reposo.
2. La carga eléctrica no se crea ni se destruye sólo se transfiere de un
cuerpo a otro.
3. La fuerza eléctrica es la interacción entre dos cuerpos cargados.
4. La electrización consiste en la generación de un desequilibrio eléctrico
de un cuerpo.
5. Las formas de electrizar un cuerpo son por frotamiento, contacto e
inducción, entre otras.
6. A los materiales que son buenos conductores de electricidad se les
llama conductores y a los malos conductores se les llama aislantes o
dieléctricos.
ELECTRODINÁMICA
La electrodinámica es un área de la física que estudia el movimiento de los electrones a través de
un conductor. En términos generales a este flujo se le denomina corriente eléctrica, que es la que
permite el funcionamiento de los aparatos eléctricos. (Ver figura 7.0)
Figura 7.0. El movimiento de electrones a través de un conductor, se denomina corriente eléctrica.
Corriente eléctrica
Cuando el movimiento de electrones se realiza en un solo sentido, entonces la corriente eléctrica
se denomina corriente continua o directa, este tipo de corriente es la que nos proporcionan las
pilas y baterías.(Ver figura 7.1)
Figura 7.1
En cambio, si el movimiento de los electrones cambia de sentido a medida que transcurre el
tiempo, se denomina corriente alterna o variable, que es la que usamos para hacer funcionar,
generalmente, nuestros artefactos en el hogar.(Ver figura 7.2)
Figura 7.2
Intensidad de Corriente eléctrica
Corresponde a la cantidad de carga eléctrica total que circula por un conductor en un cierto
intervalo de tiempo. Esta relación se puede escribir de la siguiente manera:
Intensidad
Cantidadde Carga
tiempo
I
Q
t
En el sistema internacional de unidades la carga eléctrica se mide en Coulomb (C) y el tiempo en
segundos (s), entonces la Intensidad de corriente se mide en Ampere (A). En honor al físico y
matemático francés André-Marie Ampère.
Diferencia potencial
La diferencia de potencial, conocida comúnmente como voltaje, proporciona el trabajo necesario
para desplazar los electrones entre las terminales de un circuito cerrado. El voltaje se mide en Volt,
(en honor al físico italiano Alessandro Volta.) en nuestros hogares el voltaje es de 220 V.
Resistencia eléctrica en un conductor
No todos los conductores permiten el flujo dela corriente eléctrica con igual facilidad. A esta
dificultad se le denomina resistencia eléctrica y depende de varios factores: de su longitud o
largo, área de sección transversal (grosor), de la resistividad (ρ) propia de cada material (ver tabla)
o sea de su estructura atómica.
La resistencia eléctrica aumenta mientras mayor sea la longitud del conductor, mientras que si su
área es mayor, entonces la resistencia disminuye. La relación matemática entre los factores
mencionados es:
Re sistencia 
Re sistividad  Longitud
Área
R
L
A
La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el Ohm y se simboliza con la letra griega Ω
(omega).
Otro factor que influye en la resistencia eléctrica de los materiales, es la temperatura; a mayor
temperatura la resistencia aumenta. En los materiales aislantes y semiconductores, un aumento de
la temperatura disminuye la resistencia eléctrica. Existen materiales llamados superconductores
que a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (menos 273 ºC) presentan una
resistencia nula.
Tabla de resistividad de algunos materiales
Material
ρ (resistividad en Ω x m)
a 0 º Celsius
Aluminio
2.8 x 10-8
Carbón
3500 x 10-8
Cobre
1.8 x 10-8
Hierro
12.0 x 10-8
Mercurio
94 x 10-8
Plata
1.6 x 10-8
Plomo
22 x 10-8
Wolframio o tungsteno
5.3 x 10-8
Oro
2.44 x 10-8
Circuito Eléctrico
Un circuito eléctrico está formado por la asociación de elementos conductores que permiten el flujo
de corriente eléctrica en su interior y están compuestos básicamente por dos tipos de elementos:
los generadores y los receptores.
Generadores: aportan al circuito la energía necesaria para mantener la corriente eléctrica. Por
ejemplo una batería. (Ver figura 7.3)
Figura 7.3
Receptores: Es el artefacto o dispositivo eléctrico que queremos hacer funcionar, en el se
transforma la energía eléctrica en algún otro tipo de energía. Un receptor se denomina también
resistor eléctrico. Como por ejemplo una ampolleta, ésta transforma la energía eléctrica
proporcionada a través del circuito, en energía lumínica y calórica principalmente. (Ver figura 7.4)
Figura 7.4
En los circuitos eléctricos los receptores o resistores se pueden conectar básicamente de dos
formas:
Resistencias en Serie: Si los elementos de un circuito eléctrico se conectan uno a continuación de
otro, de modo que la corriente eléctrica circule por cada uno de ellos se habla de conexión en serie.
Un ejemplo es el caso de las luces que adornan un árbol de navidad (ver figura 7.5)
Figura 7.5
Resistencia en Paralelo: Si los elementos de un circuito eléctrico se conectan como se muestra
en la figura, se dice que el circuito está en paralelo, donde la suma de las corrientes que circula por
cada uno de los receptores, es igual a la que entrega el generador. En nuestras casas la mayoría
los artefactos eléctrico que se conectan a la red domiciliaria por medio de enchufes están
conectados en paralelo. (Ver figura7.6)
Figura 7.6
La simbología más utilizada en la representación de un circuito eléctrico es la siguiente:
Potencia Eléctrica
Corresponde a la cantidad de energía eléctrica que un objeto consume o genera en un intervalo de
tiempo. Por ejemplo si tenemos dos equipos de música de distinta potencia eléctrica, el de mayor
potencia es capaz de trasformar más energía eléctrica, en el mismo tiempo, por lo que el sonido
que trasmite es más intenso. La potencia se mide en watt (w).
Otro ejemplo cotidiano es el caso de las ampolletas,
una de 25 watt de potencia, tiene menor
capacidad de transformar energía eléctrica en energía lumínica, comparada con una ampolleta de
100 watt. (Ver figura 7.7)
Figura 7.7
Generación de Energía Eléctrica
La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación
y transporte se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía.
Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes
cantidades.
Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica obtienen principalmente
corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de
transformadores.
Existen diferentes formas de generar energía eléctrica, las más comunes son mediante las
centrales eléctricas.
Centrales Eléctricas
Una central eléctrica utiliza una fuerza motora para hacer girar un generador eléctrico. Se pueden
clasificar las centrales eléctricas según la energía utilizada para ser transformada en energía
eléctrica:
Central hidroeléctrica: utiliza la energía que produce una corriente de agua, que puede ser de
cause natural o artificial, moviendo un generador eléctrico que transforma la energía mecánica del
movimiento del agua en energía eléctrica. (Ver figura 7.8)
Figura 7.8
Central termoeléctrica: transforma el calor en electricidad a través de la combustión de carbón,
gas natural, petróleo, leña o petcoke (residuo del proceso de refinación del petróleo de gran
rendimiento pero altamente contaminante).(Ver figura 7.9)
Figura 7.9
Central nuclear: utiliza la energía obtenida mediante reactores nucleares.(Ver figura 7.10)
Figura 7.10.
Centrales de recursos renovables: Utiliza energía de recursos renovables: energía solar, eólica,
mareomotriz, geotérmica, entre otras.(Ver figura 7.11)
Figura 7.11
La Red Eléctrica
La energía eléctrica no se puede almacenar tan fácilmente como el carbón o los barriles de
petróleo. Una vez producida en las centrales, debe comenzar su viaje a través de líneas de alta
tensión hacia los centros de consumo.
El transporte de energía eléctrica a largas distancias implica una tecnología particular. Debe
hacerse con el mayor voltaje posible (alta tensión), para reducir al mínimo las pérdidas que crea la
resistencia del cable. (Resistencia = voltaje / intensidad). Los transformadores son los aparatos
encargados de modificar el voltaje de la corriente. (ver figura 7.12)
Figura 7.12
Habitualmente, la tensión eléctrica (voltaje) se eleva entre 100.000 y 400.000 volt (100 - 400kV) en
las grandes estaciones de transformación que reciben energía de las centrales. A partir de ahí,
inicia su viaje por los gruesos cables de las líneas de alta tensión, soportados por altas estructuras
metálicas.
Cuando se aproxima al lugar de consumo, otros transformadores cambian la tensión a cifras más
bajas, en torno a los 5.000V (5kV), lo que se llama media tensión. Más adelante, otros
transformadores reducen la tensión a los niveles que necesita la industria o los hogares, 220V en
este último caso. Por fin, cuando conectamos un aparato a un enchufe y cerramos el circuito,
obtenemos trabajo útil de la corriente eléctrica (luz, calor, movimiento, etc). De lo anterior podemos
deducir que mientras menor sea el voltaje, mayor será la intensidad de corriente.
Todo este viaje tiene lugar en una red enormemente compleja que llamamos la red eléctrica, que
conecta todos los centros de producción con todos los puntos de consumo.
Instalaciones Eléctricas Domiciliarias
A diario podemos observar aparatos que funcionan gracias a la electricidad, en las calles, en el
colegio, en los hospitales y por supuesto en nuestro hogar. Es más todos, a diario utilizamos una
gran cantidad de artefactos que necesitan electricidad para funcionar, como los televisores, radios,
computadores, lámparas, refrigeradores, etc.
En la actualidad la electricidad es una de las necesidades básicas para el hombre ya que la
mayoría de las labores que realizamos a diario dependen de ella. Algunos de los instrumentos que
se necesitan en la red domiciliaria son:
Medidor de Energía Eléctrica: Artefacto que mide el consumo de energía. Generalmente
funcionan en base a un disco que gira a una rapidez que aumenta mientras más grande es el
consumo de energía. (Ver figura 7.13)
Figura 7.13
Interruptor Automático: Funciona como un dispositivo de seguridad activándose cuando por el
circulan más de 10A. También hay algunos que permiten la circulación de 15A u otros valores. El
tiempo de reacción frente a un alza de corriente es del orden de los milisegundos. (Ver figura 7.14)
Figura 7.14
Enchufes: Entre los orificios de los extremos de un enchufe existe una diferencia de potencial
efectivo de 220V necesarios para el funcionamiento de los artefactos que en ellos se conectan.
(Ver figura 7.15)
Figura 7.15
Cables: Su función es transportar la corriente eléctrica para el funcionamiento de los artefactos.
Las secciones transversales de los cables usados en las instalaciones domiciliarias son de 1,5 a
2mm. (Ver figura 7.16)
Figura 7.16
Interruptores: Es un elemento que permite abrir o cerrar un circuito, cortando o permitiendo el
paso de la corriente. Habitualmente están formados por una caja cerrada en cuyo interior están los
bornes metálicos que reciben los terminales de los cables conductores. (Ver figura 7.17)
Figura 7.17
Circuito básico en una habitación
La figura muestra una instalación eléctrica básica en una habitación, en ella se muestra una
ampolleta, un interruptor y un enchufe, todos conectados a una caja de distribución. (Ver figura
7.18)
Figura 7.18
En las instalaciones eléctricas se utilizan cables de distintos colores, para identificar sus funciones.
El color de cada uno está establecido por normas, para evitar accidentes al momento de
manipularlos.
Código de Colores
Rojo o negro es cable FASE
Blanco o azul es cable NEUTRO
Verde o amarillo son TIERRA
El Fase es el encargado de conducir la energía eléctrica para que el equipo pueda funcionar. La
tierra es un conductor de seguridad, el cual es conectado a las partes metálicas expuestas del
equipo en cuestión. De esta manera todas las partes metálicas de los equipos quedan conectadas
a tierra, lo cual brinda una efectiva medida de seguridad, frente a cualquier riesgo eléctrico.
El Neutro básicamente es empleado para cerrar el circuito eléctrico.
Consumo Eléctrico en el hogar
Para calcular en forma eficiente el consumo eléctrico del hogar, se deben sumar los consumos
individuales de los artefactos a los que se somete el circuito y dividirlos por el voltaje. Esto dará
como resultado la corriente que se está consumiendo y a la cual esta sometido el circuito.
Por ejemplo:
El televisor tiene un consumo de 50 watt, la lavadora consume 800 watt, el microondas 1.200 watt,
una secadora 1.800 watt, más 10 ampolletas de 100 watt cada una, que equivalen a 1.000 watt.
(en los catálogos y en las placas de los artefactos está descrito su consumo).
La suma anterior (50 + 800 + 1.200 + 1.800 + 1.000) da un consumo total de 4.850 watt, lo que
dividido por el voltaje de la casa (220 volt) da un consumo de 22A, si todos estos artefactos
funcionan al mismo tiempo nos encontramos ante un posible incendio. Si el automático de la casa
es de 15A y el cable de 1,5mm está sobrepasado en un 50% el consumo para lo cual está
diseñado el circuito.
Cuadro resumen
1. La electrodinámica es un área de la física que estudia el movimiento de los
electrones a través de un conductor.
2. La corriente eléctrica es el movimiento de los electrones a través de un conductor.
3. La corriente eléctrica puede ser de dos tipos continua y alterna.
4. La diferencia de potencial o voltaje, proporciona el trabajo necesario para
desplazar los electrones entre las terminales de un circuito cerrado.
5. La resistencia eléctrica es la oposición al paso de la corriente eléctrica.
6. En un circuito las resistencias eléctricas se pueden conectar en serie o en
paralelo.
7. La potencia eléctrica corresponde a la cantidad de energía eléctrica que un objeto
consume o genera en un intervalo de tiempo.
8. Existen diferentes formas de generar energía eléctrica, las más comunes son
mediante las centrales eléctricas.