Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso ELECTRICIDAD Introducción. Iniciamos ahora el estudio de una nueva rama de la física que se ocupa de los fenómenos eléctricos, llamado electricidad. Las leyes de la electricidad desempeñan papeles centrales en la operación de muchos aparatos como radios, televisores, motores eléctricos, computadoras y una multitud de dispositivos que se utilizan en la medicina. Los antiguos griegos ya observaban fenómenos eléctricos en épocas tan antiguas como en el año 700 A.C. Los griegos encontraron que, al frotar un trozo de ámbar, este se electrifica y atraía pedazos de paja o plumas. En 1600 William Gilbert descubrió que la electrización no se limitaba en el ámbar, sino que es un fenómeno de carácter general. Los estudios de esta rama evolucionaron cuando Otto von Guericke en 1660 observó la repulsión entre cargas eléctricas, pero fue Charles Du Fay quien en 1730 demostró claramente la existencia de dos cargas eléctricas: positivas y negativas. Benjamín Franklin, famoso científico americano, a mediados del siglo XVII, admitió la transferencia de electricidad de un cuerpo a otro cuando son frotados. A fines de ese mismo siglo (1776), Charles Agustín de Coulomb, ha podido medir con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas, permitiendo tener más conocimientos sobre ellas. A medida que avanzaba el tiempo más científicos como Gauss, Laplace y Poisson han aportado a esta rama mediante sus teoremas referentes a otros fenómenos como el campo, el potencial o la capacitancia eléctrica. El descubrimiento de la pila en 1800 por Alexandre Volta, ha permitido el descubrimiento de la corriente y la resistencia eléctrica. Volviéndose necesario medir esas magnitudes y otras, situación que intereso a Ampere, Ohm, Joule, cuyos trabajos permitieron la construcción de equipos como el amperímetro y voltímetro. Todos estos descubrimientos y conocimientos han y producen una gran revolución económica e industrial, proporcionando de esta manera el bienestar que se disfruta hoy. Divisiones de la electricidad. La electricidad es la parte de la física que tiene por objetivo el estudio de las propiedades de las cargas eléctricas, es decir, de cómo ella es producida, propagada, detectada y medida. Con fines de estudio, la electricidad es dividida en dos ramas que son: a. Electrostática: estudia a las cargas eléctricas en reposo, o sea, se refiere al estudio de los fundamentos de la electricidad, la fuerza eléctrica que se ejercen entre ellas y su comportamiento en el interior de los materiales. b. Electrodinámica: estudia a las cargas eléctricas en movimiento. Su fundamento está en el movimiento de las cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse. Fundamentos de la electrostática. La materia está formada de pequeñas partículas, los átomos. Cada átomo, a su vez, está constituido de partículas más pequeñas, los protones, los electrones y los neutrones. Los protones y los neutrones se localizan en la parte central del átomo y forman el núcleo. Los electrones giran alrededor del núcleo en la región llamada electrósfera. Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Los protones y los electrones presentan una importante propiedad física, la carga eléctrica. Carga eléctrica. Es una propiedad fundamental e inherente de la materia y está íntimamente asociada a las partículas del interior de los átomos: los electrones y protones. En otras palabras, la carga eléctrica nos indica la cantidad de electricidad que tiene un cuerpo. En un átomo no existe predominancia de cargas eléctricas: el número de protones es igual al número de electrones, por ellos se lo considera eléctricamente neutro. Ley de interacción entre cargas eléctricas. En 1730, Charles Du Fay encontró un principio sobre los primeros conceptos de la electricidad; que hay dos cargas eléctricas distintas, una denominada positiva (asociada a los protones del átomo) y otra denominada negativa (asociada a los electrones del átomo). La interacción entre estos dos tipos de carga se enuncia de la siguiente manera: “Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signos contrario se atraen” Conductores y aislantes Se denomina conductores a las sustancias en las cuales los electrones se pueden mover con facilidad por estar débilmente unido a los átomos. Son ejemplos de ellos los metales en general, el carbón, el suelo, el cuerpo humano, el agua impura. Son aislantes o dieléctricos las sustancias en las cuales los electrones no tienen libertad de movimiento., pues están fuertemente unidos con el núcleo del átomo. Es el caso de la goma, el plástico, el vidrio, el agua pura, lana, madera seca, papel. Cabe destacar que no existe aislador o conductor perfecto, solamente buenos aisladores y buenos conductores. Procesos de electrización Decimos que una sustancia o material está electrizada cuando perdió o ganó cierta cantidad de electrones. Un cuerpo se encuentra en estado neutro cuando el número de cargas positivas (protones) y el número de cargas negativas (electrones) son iguales, pero si son diferentes decimos que está electrizado. Cuando un conductor está electrizado las cargas eléctricas se encuentran en toda la superficie del mismo. Pero cuando un aislante está electrizado, las cargas se localizan solo en ciertas zonas del mismo. Existen tres procesos fundamentales para obtener la electrización de un cuerpo y son: 1. Por frotamiento: los cuerpos quedan cargados con cargas iguales pero de signos contrarios. Pero la carga total neta del sistema permanece constante, por lo tanto se dice que hay una conservación de cargas, es decir, todo lo que perdió uno lo ganó el otro. 2. Por contacto: los cuerpos quedan cargados con cargas del mismo signo, permaneciendo la carga total del sistema constante. 3. Por inducción: existe una separación de las cargas, pero no hay una transferencia de cargas de un cuerpo al otro. Es decir, al separar nuevamente los cuerpos a la distancia inicial, el cuerpo neutro recupera su forma inicial. Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso La siguiente gráfica ilustra los tres procesos analizados más arriba. Contacto a Tierra Electroscopio Aparato que se destina a indicar la existencia de cargas eléctricas, es decir, identificar si un cuerpo está electrizado. Los más comunes son: 1. Péndulo electrostático: se halla compuesto de una esfera liviana y pequeña, en general, de corcho o isopor, suspendida por un hilo flexible y aislante que se halla fijo a un soporte. Si se quiere conocer el signo de la carga de un cuerpo electrizado, se debe, primeramente, electrizar la esfera con una carga de signo conocido. Por ejemplo, suponiéndose que la esfera del péndulo haya sido electrizada con carga negativa, al aproximarla al cuerpo en prueba, que se sabe que está electrizado, pueden ocurrir dos casos: Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Si la esfera es atraída, el cuerpo está electrizado con carga de signo contrario, que en este caso, es positiva (Fig. A). Si la esfera es repelida, el cuerpo está electrizado con carga del mismo signo, que en este caso, es negativa (Fig. B). *************************** Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Fuerza eléctrica – ley de Coulomb Esta ley se refiere a la intensidad de las fuerzas de atracción o de repulsión que actúan entre dos cargas eléctricas puntiformes (cargas de dimensiones despreciables), cuando se colocan una en presencia de otra. Charles Coulomb verificó experimentalmente que: las fuerzas de atracción o de repulsión entre dos cargas eléctricas puntiformes son directamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa. La expresión matemática de dicha fuerza es: F=K Q1Q 2 d2 Donde: F= fuerza eléctrica; medida en N (Newton) K= Constante electrostática, que depende del medio en que se encuentran las cargas, para todos los problemas de este curso será el vacío cuyo valor es Nm 2 9 K o = 9.10 C2 Q1 y Q2 = cargas eléctricas; medidas en Coulomb (C) d= distancia; medida en metros (m) En la mayoría de los problemas a ser resueltos en este curso son empleados cargas menores que 1C, por lo tanto es importante mencionar que se puede utilizar: 1mC=1.10-3C 1nC=1.10-9C 1μC=1.10-6C 1pC=1.10-12C Campo Eléctrico Es la región del espacio donde actúa una fuerza eléctrica sobre una carga de prueba experimental. Para entender mejor la definición de campo eléctrico, imaginemos que estamos parados en la cama, si hay otros objetos en ella nos daremos cuenta que se forma una depresión hacia donde es atraída todo objeto que se encuentra en su proximidad. Algo parecido ocurre con las cargas eléctricas que generan una alteración a su alrededor. Q F La expresión matemática esta dada por: E =K d2 E= Donde: E= campo eléctrico; medido en N.C-1 (Newton sobre Coulomb) F= fuerza eléctrica; medida en N (Newton) K= Constante electrostática Q = carga eléctrica; medida en Coulomb (C) q= carga de prueba; medida en Coulomb (C) d= distancia; medida en metros (m) q Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Vector Campo Eléctrico Es una magnitud física relacionada con el campo eléctrico generado por una carga a una distancia, cuyas características son: Módulo: E =K Q d2 E= F q Dirección: igual a la de la fuerza eléctrica Sentido: *Si la Q o q es +, el campo eléctrico será saliente *Si la Q o q es -, el campo eléctrico será entrante. Potencial Eléctrico Para comprender la teoría referente a los circuitos eléctricos, es primordial conocer el concepto de potencial eléctrico. Se define como potencial eléctrico que adquiere una carga eléctrica en un campo eléctrico como la relación entre la energía potencial y la carga respectiva, mediante la expresión: V= Ep q V =K Q d Donde: V= potencial eléctrico; medido en Voltios (volt) Ep= energía potencial; medido en Joule (J) q= carga de prueba; medida en Coulomb (C) d= distancia; medida en metros (m) Diferencia de potencial (ddp) También llamada voltaje o tensión, es una de las magnitudes más importantes de la electricidad. Se utiliza para explicar el movimiento de las cargas eléctricas (electrodinámica). Matemáticamente esta dada por U = VA VB Donde: U= diferencia de potencial; medido en Voltios (volt) V= potencial eléctrico; medido en Voltios (volt) Entre los termianles de una batería existe una ddp de 12 volts; entre los terminales de una pila la ddp vale 1,5 volt; en el caso del tomacorriente, la ddp es de 220 volt. Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Condensadores: Se denomina condensador o capacitor al conjunto de conductores y dieléctricos agrupados de tal forma que se consiga almacenar la máxima cantidad de cargas eléctricas. Los condensadores más comunes, son dos placas metálicas planas y paralelas (llamadas armaduras) separadas por un dieléctrico como se ilustra en la figura.Se utiliza en las radios para sintonizar las estaciones. Cada condensador o capacitor posee cierta capacidad de almacenar una mayor o menor cantidad de cargas. Dicha capacidad se puede determinar conociendo la cantidad de carga almacenada y la diferencia de potencial aplicada al condensador, mediante la relación: Q C= U Donde: Q es la carga de una de las armaduras, pues la suma de las dos es nula. U es la diferencia de potencial entre las armaduras. La unidad de la capacidad en el S.I. es el FARADIO (F), pero generalmente se utilizan los submúltiplos del mismo, como: -Milifaradio (1mF = 10-3 F) -Microfaradio (1μF = 10-6F) -Nanofardio (1nF = 10-9F) -Picofaradio (1pF = 10-12 F) OBS: se necesita un condensador muy grande para tener la capacidad de 1 Faradio. Simbólicamente se representa un condensador por el siguiente esquema: Asociación de condensadores Los condensadores se pueden asociar entre sí a fin de atender las necesidades de ciertos tipos de circuitos. Por ejemplo: los circuitos electrónicos. Hay tres tipos de asociación de condensadores: Asociación en serie: En una asociación en serie, la armadura negativa de un condensador es ligada a la armadura positiva del siguiente. Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Las cargas almacenadas en todos los condensadores son iguales, siempre que todos se carguen por inducción. Esta asociación puede ser sustituida por un único condensador, el cuál, sometido a la misma ddp de la asociación, almacena la misma cantidad de carga. Ese condensador, denominado condensador equivalente, posee las siguientes características: a. La carga Q es igual a la de los demás condensadores. Q1= Q2=Q3=Q b. La diferencia de potencial o voltaje es igual a la suma de las ddp de cada condensador. U = U1 + U2 + U3 c. La capacidad del condensador equivalente es: Asociación en paralelo: En una asociación en paralelo todas las armaduras positivas están unidas a un mismo punto, así como todas las negativas están unidas a otro punto común. La diferencia de potencial es la misma en todos los condensadores, una vez que todos están ligados a los mismos dos puntos. En esta asociación también puede ser sustituida por un único condensador equivalente, con las siguientes características: a. La ddp es igual a la de los demás condensadores. U1 = U2 = U3=U b. La carga almacenada es igual a la suma de las cargas de cada condensador. Q = Q1 + Q2 + Q 3 c. La capacidad del condensador equivalente es. C = C1 + C2 + C3 Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Asociación mixta: Es aquella en la cual encontramos, al mismo tiempo, condensadores asociados en serie y en paralelo, como en la figura: La determinación del condensador equivalente final se hace mediante el cálculo de los condensadores de cada una de las asociaciones, respecto a las cuales se tiene certeza de si están en serie o en paralelo. Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso Material recopilado y elaborado por el Prof. Blas Moraiz – Física Plan Común 3º Curso
