ELECTROSTATICA.-
Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban
enérgicamente un trozo de ámbar, podía atraer objetos
pequeños.
El primero en realizar una observación científica de ese fenómeno fue el sabio
y matemático griego Thales de Mileto, allá por el año 600 A.C., cuando se
percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco,
aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.
No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el
efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el
fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas
eléctricas estáticas o carente de movimiento de diferentes signos, es decir,
una positiva (+) y la otra negativa (–). A ese
fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”,
nombre que en griego significa ámbar.
En realidad lo que ocurre es que al frotar con un paño el ámbar, este último se
electriza debido a que una parte de los electrones de los átomos que forman sus
moléculas pasan a integrarse a los átomos del paño con el cual se frota. De esa
forma los átomos del
ámbar se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones
y los del
paño en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones.
Para que los átomos del cuerpo frotado puedan
restablecer su equilibrio atómico, deben captar de nuevo los electrones
perdidos. Para eso es necesario que atraigan otros cuerpos u objetos que le cedan
esoselectrones. En electrostática, al igual que ocurre con los polos de un imán, las cargas de signo diferente se atraen y las del mismo signo se
repelen.
CONCEPTO Y UNIDADES DE CARGA ELECTRICA
En la Naturaleza existen dos tipos de cargas: positiva y negativa, y que la
cantidad más pequeña de carga es la del electrón (misma carga que el
protón, pero de signo contrario). También se conoce que
existe una fuerza entre las cargas.
Pues bien, teniendo en cuenta esto, se puede definir la unidad de carga
eléctrica en dos sentidos: el natural y el práctico.
La unidad natural de carga eléctrica es el electrón, que es: La
menor cantidad de carga eléctrica que puede existir.
Como esta unidad es extremadamente pequeña para aplicaciones prácticas y para
evitar el tener que hablar de cargas del orden de billones o trillones de
unidades de carga, se ha definido en el Sistema Internacional de Unidades el
culombio:
Un Culombio es la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre
otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9 x 109 Nw.*
* Recordar que la fuerza de 1 Kg es igual a 9,8 N.
Así pues de esta definición resulta ser que:
1 Culombio = 6,23 x 1018 electrones
Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser
demasiado grande, se utilizan también sus divisores:
1 miliculombio = la milésima parte del culombio por lo que:
1 Cul = 1.000 mCul
1 microculombio = la millonésima parte del culombio por lo que:
1 Cul = 1.000.000uCul
| Cul | mCul | uCul |
1 Cul = | 1 | 103 | 106 |
1 mCul = | 10-3 | 1 | 103 |
1 uCul = | 10-6 | 10-3 | 1 |
MATERIA.-
Todo lo que existe y que ocupa un lugar en el espacio y que se puede ver y
tocar, e incluso aquellas que no se pueden ver, pero que se saben existe, están
formadas por materia.
Los cuerpos están formados por la unión de un gran
número de partículas pequeñísimas y dependiendo del grado de unión que exista, se tienen los
estados:
* SOLIDO: Cuando el contacto entre las partículas es muy fuerte. Tienen forma y volumen definido.
* LIQUIDO: Cuando el contacto entre las partículas es débil; la materia cambia
constantemente de forma y pude adaptarse a recipientes que la contienen.
* GASEOSO: Cuando las partículas están totalmente libres, no existe contacto
entre ellas. Se Caracteriza porque
pueden cambiar su volumen y forma adaptándose a cualquier espacio.
COMPOSICION DE LA MATERIA.-
En un recipiente de agua, si se desea averiguar
cuantas gotas de agua se tiene, se podría decir que millones. Si se tratase de
dividir una gota en otras más, se llegaría a un
momento en que no se podría dividirla más, porque pierde ya sus propiedades y
para poder observarla se debe utilizar el Microscopio.
MOLECULA: La parte más pequeña de la materia que conserva todas las
características de ella: Los cuerpos están formados
por millones de moléculas.
Las moléculas se pueden dividir en partículas más péquelas
llamadas ATOMOS.
Si a la gota de agua a través de un proceso se la
divide, se determina que está formada portres elementos:
* 2 partes de Hidrógeno
* 1 parte de Oxígeno.
ESTRUCTURA ATOMICA DEL ATOMO.-
El hombre quiso conocer más del
interior del átomo y descubrió que en el
interior del
mismo se encontraba una serie de partículas que poseen energía propia y que son
los responsables directos de los fenómenos eléctricos.
Los átomos se componen, fundamentalmente, de dos partes: núcleo y corteza. En el núcleo se encuentra carga eléctrica denominada positiva (+),
compuesta por unas partículas llamadas protones, junto con otras partículas que
se conocen por neutrones.
La carga positiva es debida a los protones; se puede decir que un protón es la mínima expresión de una carga eléctrica
positiva. Los neutrones son partículas, que como su nombre indica, son neutras; no poseen
carga eléctrica, pero su masa es del mismo
orden que la del
protón.
La corteza se compone de cargas eléctricas denominadas negativas (-), compuesta
por las partículas llamadas electrones; son las partículas más importantes
desde el punto de vista eléctrico-electrónico.
Para el estudio de las partículas del
átomo se utiliza la teoría electrónica y el modelo de BHOR; semejante al
sistema solar en miniatura; a manera de ejemplo se puede observar el átomo de
oxígeno
.
NUCLEO parte central del átomo y tiene dos tipos de partículas.
a) Protones: carga positiva
b) Neutrones: neutro
Alrededor del NULCEO y en diferentes órbitas giran a extraordinarias
velocidades los electrones ( e-).
En el estudio de la ELECTROSTATICA interesan solamente los electrones y
protones,porque son los responsables de los fenómenos
eléctricos.
ELECTRONES.-
* Giran en órbitas alrededor del núcleo.
* Se identifican por e- (carga negativa)
* Son muy livianos
* Participan activamente en la transmisión de energía.
NEUTRONES.-
* Se encuentran en el núcleo
* Se identifican por el signo ± porque no poseen carga
* No participan activamente en la transmisión de nergía.
PROTONES.-
* Se encuentran en el núcleo
* Se identifican por e+ (carga positiva)
* No participan activamente en el proceso de transmisión de energía.
En resumen
Protón: Partícula elemental, mínima expresión de carga eléctrica positiva (+)
Electrón: Partícula elemental, mínima expresión de carga eléctrica negativa (-)
La cantidad de carga eléctrica de ambas partículas es la misma, y en todos los
átomos en estado normal existe un número de protones igual al de electrones.
Por ello, los átomos en su estado normal, eléctricamente, son neutros; pues
tienen la misma cantidad de carga positiva como de negativa.
Los protones y neutrones, situados en el núcleo, no están
sujetos a ningún tipo de orden, mientras que los electrones se encuentran
completamente organizados. Algo similar como ocurre con el
sistema solar.
Los electrones se encuentran distribuidos en capas concéntricas alrededor del
núcleo. A medida que las capas se van alejando del núcleo, estas
se van haciendo cada vez mayores, de forma que cada vez cabe un mayor número de
electrones en cada una de ellas. Así, en la primera capa
caben 2 electrones, en la segunda capa caben8 electrones y así sucesivamente.
Por ejemplo, el aluminio tiene 13 electrones distribuidos en
tres capas según está representado en la figura.
Cuando a un átomo de cualquier materia le falta un
electrón o más se le llama: Ión positivo.
Cuando a un átomo de cualquier materia le sobra un
electrón o más se le llama: Ión negativo.
El número de electrones en cada capa desde el interior hacia afuera se
determina por
Ne=2n2
n= 1,2,3…………..
Las capas se denominan desde el interior hacia afuera como: K,L,M,N,O,P,Q
K=2(1)2=2e-
L =2(2)2=8e-
M=2(3)2=18e-
----- ----- ------------
O=2(5)2=50e-
Los electrones tienen carga negativa y giran alrededor del núcleo que posee
carga positiva, los electrones se encuentran sometidos a una fuerza de
atracción del núcleo, la que es compensada por otra fuerza dependiente del
movimiento orbital del electrón. Debido a su movimiento el electrón genera tres
tipos de energía:
a) Energía requerida para separar el electrón del núcleo, de modo que pueda
girar alrededor del centro atómico con un radio fijo;
b) Aquella energía que representa su movimiento alrededor del núcleo;
c) y la energía que resulta de la rotación del electrón sobre su propio eje
(spin).
A los electrones de la última capa, seles llama electrones de VALENCIA y son
los responsables de los fenómenos eléctricos; desde el punto de vista eléctrico
solo interesa el estudio de estos electrones y el número de estos electrones de
valencia son los que caracterizan a los:
* conductores
* aislantes y,
* semiconductores
CONDUCTORES.-
Aquellos elementos que permiten fácilmente el flujo de electrones. Pertenecen a
este grupo los elementos cuyos átomos tienen menos de
cuatro electrones de valencia;
a estos comúnmente se les llama METALES.
Número de electrones de valencia < 4 ………. METALES
Estos materiales tienen tendencia a ceder electrones (electrones libres), que
serán atraídos por cargas eléctricas exteriores. Son ejemplos de
elementos conductores: el cobre, el oro, la plata, etc.
Los átomos con un solo electrón de valencia los
hace buenos conductores: Cobre, Plata, Oro
El cobre es el tipo de material normalmente utilizado para fabricar los
conductores eléctricos (hilos, cables), debido a su buena conductividad
eléctrica y relativo bajo precio.
AISLANTES.-
Elementos que no permiten fácilmente el flujo de electrones. Son aquellos elementos que no tienen electrones libres. Son
materiales aislantes el plástico, la madera, el cristal, etc.
Estos elementos tienen más de cuatro electrones de valencia y
tienden a ganar electrones para lograr su equilibrio químico. A estos elementos comúnmente se les llama METALOIDES.
Número de electrones de valencia > 4 ……….
METALOIDES
SEMICONDUCTORES.-
Son los elementos quehan revolucionado el mundo de la electrónica. Dejan pasar la electricidad en determinadas condiciones.
Estos materiales son la base de la electrónica. Son ejemplos de materiales
semiconductores: el silicio y el germanio.
Los átomos de estos elementos poseen cuatro electrones de valencia
y se encuentran en el punto medio de los conductores y aislantes.
Número de electrones de valencia = 4 ……….
SEMICONDUCTORES
CARGA ELECTRICA.-
La ELECTROSTATICA o electricidad estática, se refiere a los electrones
estáticos (reposo) y se produce por la acumulación de cargas en un punto material.
La carga eléctrica es una propiedad de la materia que caracteriza el estado de
electrización de un cuerpo.
Como se sabe, la mínima expresión de carga eléctrica lo constituye el
electrón y protón. Al ser de una magnitud tan pequeña, se establece como
unidad de carga eléctrica el culombio (C), que equivale a la carga de,
aproximadamente, 6.230.000.000.000.000.000 electrones = 6,23 ×1018
Unidad de carga eléctrica: Culombio:
1 Culombio = 6,23 × 1018 electrones
Por tanto, la cantidad de carga eléctrica del electrón (y del protón) es:
Carga del electrón (-e) = 1,602 × 10-19 C
Carga del protón (+e) = 1,602 × 10-19 C
Aunque las cargas eléctricas del protón y electrón son las mismas, no ocurre lo
mismo con sus masas. La masa del protón es
mucho mayor que la del electrón
Masa del electrón: 9,11 × 10-31Kg
Masa del protón: 1,67 × 10-27Kg
Así, la masa del protón es unas 1830 veces
mayor que la del
electrón. Por otraparte, como
se sabe, en el núcleo también se encuentran las partículas denominadas
neutrones, eléctricamente neutras, pero su masa es similar a la del protón. Así, pues,
se deduce que en el núcleo del átomo es donde se concentra
casi toda su masa.
Aparecen cargas eléctricas, materiales cargados
eléctricamente, cuando por algún tipo de circunstancia los átomos pierden algún
electrón. Cuando esto ocurre, los electrones que dejan de formar parte
de un átomo se mueven hacia otro átomo. Se dice
entonces que los átomos que pierden electrones adquieren carga eléctrica
positiva, y dejan de ser neutros, al tener más cantidad de protones que de
electrones; lo cual les da la propiedad de poder atraer otros electrones de su
entorno
En su estado normal, átomo neutro, los electrones libres no son atraídos porque
la fuerza de atracción del núcleo es compensada por la fuerza de repulsión por
parte de la corteza (electrones).
Si los átomos reciben electrones, también dejan de ser
neutros, ya que adquieren carga negativa, puesto que pasan a tener más
electrones que protones.
En general, también se denominan iones a los átomos que dejan
de ser neutros, bien porque pierden o ganan electrones. Así, se denomina
ion positivo a los átomos con carga + (han perdido
electrones), y ion negativo a los átomos con carga negativa (han ganado
electrones).
INTERACCION ELECTRICA.-
Los cuerpos ganan o pierden electrones y quedan con cargas positivas o
negativas.
El átomo que pierde electrones, pierde carga negativa y deja de estar en
equilibrio; en este caso queda cargadopositivamente.
Al tener dos cargas de distintos signos, se produce entre ellas
una Interacción y esta se pone de manifiesto por la atracción o repulsión que
experimenta.
La ley que regula la atracción de cargas en reposo dice
“Cuerpos cargados con cargas eléctricas iguales se repelen y cuerpos cargados
con cargas eléctricas diferentes se atraen“.
LA MOL.-
La mol representa un número tal como el termino docena se refiere al número
doce (12).
El mol representa a
MOL =6,023*1023 elementos
1 docena de naranja=12 elementos
1 mol de naranja=6,023*1023 elementos
El MOL se utiliza cuando se habla de átomos y moléculas que son elementos muy
pequeños.
A la cantidad de 6,023*1023 se le llama NUMERO DE AVOGADRO y se ha determinado
que en una masa definida de un elemento (peso atómico)
hay un número de 6,023*1023 atomos.
El PESO ATOMICO de un elemento identifica la masa de
un MOL de esa sustancia.
1 MOL DE HIDROGENO=1 GRAMOS.
Cuando una persona sube con otra a una balanza, se registra el peso combinado
de ambas personas. Cuando los átomos forman moléculas, los
átomos se unen y el peso de la molécula es el peso combinado de todas sus
partes.
Agua ----- ----- ------ H2O
2 átomos de hidrógeno
1 átomo de oxígeno
1 mol de molécula de agua=2 moles Hidrógeno+1 mol de Oxígeno
2 moles Hidrógeno+1 mol de Oxígeno=1 mol de H2O
2*1 gr+16 gr.=18,02 gr18,02 gr.=6,023*1023
moléculas de agua
FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO.-
Cuando un trozo de material eléctricamente neutro gana o pierde electrones,
quedará cargado eléctricamente. Hay varias maneras de producir este cambio en los átomos, como:
* Fricción o frotamiento
* Contacto
* Inducción
FROTAMIENTO.-
Es la fuente principal de la electricidad estática, ya que si se frotan entre
sí dos cuerpos distintos se arrancarán electrones de sus órbitas en uno de
ellos, los que serán atrapados por el otro. El que atrapa
electrones quedará cargado acumulará carga negativa, mientras que el que ha
perdido electrones quedará cargado positivamente. Si
los cuerpos son conductores, los electrones se desplazarán libremente por ellos
y las cargas quedarán neutralizadas rápidamente, si los cuerpos son aisladores
las cargas permanecen separadas entre los dos cuerpos.
Algunos cuerpos que acumulan fácilmente electricidad estática son: vidrio, goma
dura, cera, la franela, la seda, el rayón y nylon
CONTACTO.-
Si un objeto tiene una carga estática, tendrá
influencia sobro otros cercanos y puede transferirse carga por contacto.
Recuerde que cargas positivas implican falta de electrones y siempre atraen a estos, mientras que cargas negativas significan exceso de
electrones y siempre rechazan a los electrones.
Si se toca con una varilla cargada positivamente una barra de metal sostenida
por un aislador, la varilla atraerá electrones de la barra en el punto de
contacto y algunos de estos saldrán de la barra y entrarán a la varilla,esto
hace que la barra se cargue positivamente y que disminuya la carga positiva de
la varilla. Cuando un objeto cargado toca a otro
descargado, pierde parte de su carga.
INDUCCION.-
Se produce la transferencia de carga de un cuerpo a
otro sin que exista contacto entre ellos
CONSERVACION DE LA CARGA.-
Las Cargas eléctricas se deben sumar algebraicamente en cualquier proceso, de
forma que el cambio neto en la cantidad de carga sea cero (0).
Si se frotara una regla de plástico con un papel, el
plástico adquiere carga negativa y el papel una carga positiva. Las cargas se separan, pero la suma algebraica de las dos, es cero.
Lo indicado se establece con la ley de la Conservación de la carga eléctrica,
que dice
“La cantidad neta de carga eléctrica en cualquier proceso es igual a cero”.
En conclusión
La carga eléctrica se conserva:
a)
b) En contacto:
c) Después del contacto:
q1+q2= q1`+ q2´
q1´= q2´ --- si tienen la misma forma y tamaño
LEY DE COULOMB.-
La Ley de Coulomb viene a decir que la fuerza (F) ejercida entre dos cargas
eléctricas, q1 y q2, es directamente proporcional a su producto e inversamente
proporcional a su distancia de separación. Matemáticamente se expresa por
siendo:
K: constante de proporcionalidad
q1 y q2: cargas eléctricas, culombios (C).
d: distancia de separación, metros (m).
Como se comprende, es similar a la fuerza de gravitación universal de
Newton. A mayor distancia de separación, menos
influenciaexiste entre las cargas y menor es la fuerza (de atracción o
repulsión). Asimismo, a mayor cantidad de cargas,
mayor será la fuerza que se ejerce.
K = 9*109 N.m2C2 ……..> Si el medio es aire o vacio.
Debe tener presente que la fuerza es una magnitud vectorial, por tanto:
F=Kq1q2r2er
er……vector unitario en la dirección de la fuerza
Para otros medios se pueden tomar los valores de la tabla siguiente:
Si hay varias cargas, la fuerza neta sobre cualquiera de ellas será la suma
vectorial de las fuerzas debido a cada una de las otras.
FR=F21+F23 …… Suma vectorial
CAMPO ELECTRICO.-
Como orígenes de la fuerza, se tienen los campos:
* ELECTRICO
* MAGNETICO
* GRAVITATORIO
Las fuerzas eléctricas y las gravitacionales actúan a distancia, manifestándose
sin la necesidad de que los objetos estén en contacto.
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un
conjunto de cargas es aquella región del
espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un
punto cualquiera del
espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba
o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de
atracciones o de repulsiones sobre ella.
La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la
carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de
intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de
una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que
viene definida por sumódulo E y por su dirección y sentido. En lo que sigue se
considerarán por separado ambos aspectos del
campo E
El campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acción sobre un cuerpo
cargado y por tanto es fácil detectarlo. Un Campo ELECTRICO rodea a cualquier
tipo de carga: positiva o negativa.
El concepto de campo fue desarrollado por FARADAY y es útil
para el estudio y explicación de las fuerzas eléctricas.
FARADAY señaló que un campo eléctrico puede ser
representado por líneas rectas que salen o llegan radialmente de la carga y se
dirigen a cualquier región del
espacio; a estas líneas se las llama LINEAS DE FUERZA.
Las LINEAS DE
FUERZA: son las trayectorias que sigue una carga de prueba qo abandonada a la
influencia del
campo eléctrico.
q0 -------→carga de prueba que no modifica al campo y es positiva
a) carga positiva
Al colocarse la carga de prueba q0 dentro del campo se ejerce
sobre ella una fuerza de atracción o repulsión.
El Campo ELECTRICO en un punto P de una región se define como la fuerza
eléctrica presente sobre la carga de prueba dividido para la magnitud de la
carga de prueba.
E= Fqo (N/C
F=Kq1qor2er
Fqo=K q1q0r2 er
E=Kq1r2 er (N/C)
El módulo del campo eléctrico es:
E=K q1r2
Como:
K = 14πϵor NC
E= q14πϵor NC
Para una carga positiva y negativa, la dirección de las fuerzas sobre una carga
de prueba, es:
Una carga puntual q =-8.0 nC está situada en el origen. Encuentre el vector de
campo eléctrico en el punto de campo x = 1.2 m. y = -1.6 m
CONFIGURACION DE CAMPOS ELECTRICOS.-
* Cargas de signos contrarios
La configuración de las líneas es:
En este otro dibujo podemos ver como
se forman las líneas de campo eléctrico en un dipolo. Como las dos cargas tienen el mismo valor, el número de líneas de campo
que salen de la carga positiva es igual al número de líneas que llegan a la
carga negativa.
* Cargas de signos iguales
Las propiedades de las líneas de fuerza o de campo eléctrico son:
* Las líneas de fuerza son continuas, siendo tangentes a ellas en la dirección del campo eléctrico E.
* Las líneas de campo eléctrico comienzan en las cargas positivas y terminan en
las cargas negativas.
* El número de líneas de campo eléctrico que comienzan o terminan es
proporcional a la magnitud de las cargas.
q1q2=N1N2
* Líneas de fuerzas paralelas indican que el campo eléctrico E es uniforme.
* Las líneas de campo eléctrico no se cruzan entre sí.
* Las líneas de campo eléctrico siempre cortan perpendicularmente a las
superficies de los conductores.
* La intensidad del
campo eléctrico E es mayor donde las líneas de fuerza están más cercanas que en
donde están más distantes.
CAMPOS ELECTRICOS DEBIDO A CARGAS PUNTIALES.-
El campo eléctrico en un determinado punto del espacio, debido a varias cargas
puntuales, se obtiene a través de la suma vectorial de cada una de los campos
producidos por cada una de las cargas.
En el casode cargas puntuales:
El modulo de cada campo será:
Para varias cargas:
E=k*i=1nqiri2eri
Donde:
eri…………..vector unitario de la carga al punto P
qi-------carga con su signo propio
CONDUCTOR ELECTRIZADO.-
Si a un metal se le frota en una región, adquiere carga (negativa).
Estas cargas son exceso de electrones y se repelen mutuamente actuando como “electrones libres” del conductor, llegando
a distribuirse en rodo él y en reposo.
Lo mismo sucede si el material conductor tuviese exceso de cargas positivas.
Lo indicado no sucede con los aislantes, ya que la carga no se redistribuye
“todo conductor electrizado esta en equilibrio
electrostático: cuando las cargas se hallan distribuidas en su superficie”
Cuando las cargas del
conductor están en equilibrio electrostático, el campo eléctrico E en su interior
es nulo.
En la Superficie del conductor: En un punto de la
superficie es posible la existencia del campo
eléctrico E, pero este será perpendicular a la superficie externa del conductor.
CAMPO ELECTRICO UNIFORME.-
Un par de placas con cargas iguales y de signos opuestos ( q)
producen en su interior un campo eléctrico uniforme.
El campo UNIFORME en una región del espacio presenta el mismo
valor y sentido en toda la región.
Una carga de prueba en el interior del campo uniforme, experimenta
una fuerza F.
F =qo*E (N
La partícula qo seguirá una trayectoria con una determinada aceleración a.
F = m*am*a=qom*E
a = qom*E (
m/s^2)
POTENCIAL ELECTRICO.-
Como la fuerza eléctrica es conservativa, se puede describir los fenómenos
eléctricos en función de una nuevo concepto llamado POTENCIAL ELECTRICO, y este
es una magnitud escalar.
El cambio de energía potencia U será igual al trabajo realizado por la fuerza
al mover la carga desde A hasta B.
Toda carga eléctrica positiva o negativa posee una energía
potencia eléctrica debido a su capacidad de realizar trabajo sobre estas
cargas.
Es conveniente la utilización del
concepto de DIFERENCIA DE POTENCIAL en lugar del
potencial eléctrico, definido como
el cambio de energía potencial por unidad de carga.
VB-VA=UB-UAqo= -ABE*dr
De donde
qoaˆ†V= aˆ†U
V= voltios
V= J/C
La diferencia de potencial existen entre dos puntos colocados en el interior de
un campo eléctrico y s una fuerza o presión que obliga a una carga a moverse.
En ocasiones es conveniente que el potencia sea cero en un
punto conveniente, para ello se toma como
potencial cero a un punto colocado en el infinito (bastante alejado de la
carga).
EJERCICIOS
DIFERENCIA DE POTENCIAL EN UN CAMPO ELECTRICO UNIFORME.-
Por ser E conservativo, la diferencia de potencia es independiente de la
trayectoria seguida por la partícula.
aˆ†V=-E*d V
El signo menos (-), significa que el potencial de B está más bajo que el
potencial del
punto A.
Si la carga es:
* Positiva : aˆ†U es negativo y la carga pierde
energíapotencial cuando se mueve en la dirección del campo.
* Negativa: aˆ†U es positivo y la carga gana energía cuando se mueve en la
dirección del
campo eléctrico.
DIFERENCIA DE POTENCIAL DEBIDO A CARGAS PUNTUALES.-
VB-VA= -abE*dl
VB-VA= -abE*dl*cosθ
dl*cosθ=dr
VB-VA= -abE*dr
Como: E=K*qr2
VB-VA= -Kabqr2*dr
VB-VA=Kq(1rB-1rA) ----------(a)
(a) : depende de la distancia radial entre la carga y los puntos A y B.
Si:
rA----→ ∞ ----→ VA=0
VB=K*qrB (V)
Por tanto: La diferencia de potencial a una distancia “r” de la carga q viene
expresada por:
V=K*qr
VP=V1+V2+V3+V4
VP=K*i=1nqiri
qi ------ carga puntual con su respectivo signo
V
EJERCICIOS.-
CORRIENTE ELECTRICA.-
Recuerde que una carga eléctrica estática en la mayoría de las veces no resulta
útil, por lo que es necesario que las cargas se pongan en movimiento y está se
produce cuando los electrones de un conductor se mueven en una misma dirección.
Los conductores tienen átomos que fácilmente pueden ser desprendidos de sus
órbitas (electrones de valencia) y están próximos unos de otros, de modo que
las órbitas externas se sobreponen; los electrones están libres para moverse al
azar
Para establecer una corriente los electrones de los átomos de los conductores
tienen que moverse en una dirección y no al azar, esto se pudelograr aplicando
a los extremos del conductor cargas eléctricas, una carga negativa en un
extremo y una positiva en el otro. Como el electrón
es negativo, la carga negativa los repele y los atrae la positiva,
desplazándose de órbita en órbita hacia la carga positiva y estableciendo una
dirección para la corriente eléctrica.
Los electrones en realidad no se mueven en línea recta, pero en los extremos en
donde las cargas son más intensas, estás ejercen mayor control sobre cada
electrón y se mueven con mayor rapidez a través del conductor.
La velocidad del
electrón puede variar de acuerdo a los materiales y el número de cargas
eléctricas en movimiento, pero la velocidad de la corriente siempre será la
misma. Un electrón libre que se mueva al azar lo hace
con rapidez relativa, debido a que está influenciado únicamente por las fuerzas
atómicas orbitales; su velocidad en comparación a la luz es pequeña.
La corriente eléctrica es en realidad el impulso de energía eléctrica que
transmite un electrón a otro, al cambiar de órbita.
Cuando se aplica energía externa a un electrón y éste logra desprenderse de su
órbita, al salir de ella tiene que toparse con alguna órbita de otro átomo,
porque las órbitas se superponen y obstruyen el paso del electrón y cuando el
electrón liberado entra a la órbita de otro átomo, su carga negativa reacciona
con la carga negativa el electrón del átomo que estaba antes de él y lo repele
expulsándolo de la órbita y transmitiéndole su energía: el segundo electrón al
encontrarse en la órbita siguiente repite lo del primerelectrón, proceso que
continúa en todo el conductor. El impulso de energía, transferido de en
electrón al siguiente y así sucesivamente, se conoce como corriente
eléctrica.
Como los átomos están muy próximos uno del
otro y las órbitas se superponen, el electrón que se libera no tiene que ir muy
lejos para encontrar una órbita nueva y en el momento que entra en ella
transmite su energía al siguiente electrón, liberándolo en forma instantánea.
Lo manifestado ocurre con los demás electrones y aunque ellos se mueven con
relativa lentitud, el impulso de la energía eléctrica se transfiere a través de
la línea de átomos a una velocidad muy grande y cercana a la velocidad de la
luz 300.000 Km/s
Una buena analogía de la corriente eléctrica se muestra en una hilera de bolas
de billar, cuando la bola que juega choca con la que está en el extremo de una
fila, su fuerza se transmite de una bola a la siguiente hasta que sala
disparada la bola en el otro extremo. La última bola se separa de la fila casi
en el mismo instante que es tocada por la primera.
Para tener una corriente eléctrica los electrones libres deben mantenerse en
movimiento, ello se logra si se utiliza una fuente de energía externa para
aplicar cargas opuestas a los extremos del conductor (alambre), con lo cual la
carga negativa repelerá a los electrones del conductor y en el lado positivo
ellos serán atraídos por la carga positiva y el flujo de electrones se
mantendrá mientras se tenga aplicada la fuente de energía. Una
batería es una fuente de energía muy utilizada en los circuitos decorriente
continua.
Para que se mantenga el flujo de electrones el circuito debe mantenerse
siempre cerrado, es decir debe existir continuidad desde el extremo negativo de
la fuente al positivo de la misma.
La corriente I es igual a la razón de carga en un intervalo de tiempo:
I=aˆ†qaˆ†t Cs ; Cs=A
Si la carga varía en el tiempo, la corriente I también lo hace y se la define
como corriente instantánea:
I= dqdt
Para utilizar la energía eléctrica en forma productiva, se utiliza los
CONDUCTORES ELECTRICOS.
El Amperio representa el movimiento de 6 *1028 e en
un segundo a través de una sección del
conductor.
Para que los electrones libres de un conductor se muevan es necesario aplicar
al interior del conductor un campo eléctrico E y la fuerza necesaria para
impulsar un flujo de electrones a través del conductor, se llama FUERZA
ELECTROMOTRIZ ( f.e.m) y se mide en voltios.
f.e.m : Elementos que son capaces de mantener una
diferencia de potencial entre dos puntos, de manera que puedan impulsar a los
electrones a través de un circuito o conductor.
La fuerza que impulsa a la corriente a lo largo de un conductor es denominada
fuerza electromotriz (FEM), su unidad en el SI es el volt (V) y normalmente se
usa el término 'voltaje' en lugar de FEM. Se suele representar por la
letra V. Sin embargo, es sumamente útil tener en mente la expresión
'fuerza electromotriz', ya que ésta fortalece la idea de una fuerza
que empuja o jala las cargas alrededor del circuito para hacer que
fluyacorriente.
Esta fuerza eléctrica o voltaje, siempre aparece entre dos puntos, y se dice
que es la 'diferencia de potencial' entre dichos puntos
El voltaje suele expresarse mediante múltiplos, tales como el kilovolt (kV) y
el megavolt (MV), y también mediante submúltiplos como el milivolt (mV) y el
microvolt (μV), cuyas equivalencias son:
1 V = 1000 mV
1 kV = 103 V
1 MV = 106 V
1 mV = 10–3 V
1 μV = 10–6 V
f.e.m son:
* Pilas
* Baterías
* Dinamos
* Otros;
El conductor por el cual circula el flujo de electrones presenta una oposición
al paso de los mismos; esta oposición se llama resistencia y viene dada en
ohmios y se determina por:
R=ρ*lA
Entre los factores que controlan la resistencia de los materiales se tiene:
* Material
* Longitud del conductor
* Area de la sección transversal
* Temperatura.
La resistencia de un material considerando sin
considerar la variación de la temperatura se determina por medio de la
expresión
Donde:
* Ρ = a la resistividad del material (en
el caso del
cobre es 0,0172).
* L = es la longitud del cable expresada en metros.
* S = es la sección del
hilo conductor expresada en mm2
Para recordar la fórmula matemática, solo nos hace falta pensar que es lógico
que al aumentar la longitud del hilo conductor aumente su resistencia
(está multiplicando), mientras que al aumentar el grosor del cable esta disminuya (está dividiendo).
La resistividad es una propiedad de cada una de los materiales, por lo que se
da la siguiente tabla que contienealgunas resistividades de materiales a la
temperatura de 20 grados centígrados. (oC)
Aunque los efectos de la temperatura son pequeños comparados con las otras tres
condiciones que rigen a la resistencia,
puede tener importancia si se desea mantener un determinado valor de resistencia y la
temperatura sube considerablemente. La causa se debe a que la energía calórica
hace saltar ágilmente a los electrones libres por todas partes dentro del
material.
La variación de la resistencia por la temperatura, se determina por:
Rf=Ro(1+α.aˆ†t)
Ro= resistencia a la temperatura de 20 grados centígrados
α=coeficiente de temperatura del material = 10C
aˆ†t=variación de temperatura= tf-to
En los conductores existen electrones libres y cualquiera introducción de
energía térmica afectará a la cantidad de portadores libres; ésta energía
incrementa el movimiento aleatorio de los electrones dentro del material y hace
más difícil el movimiento de ellos en cualquier dirección.
Para los buenos conductores, un incremento en la
temperatura provoca un aumento de la resistencia;
el cobre y algunos conductores presentan una curva como
la figura, en donde la resistencia
se incrementa casi linealmente con el incremento de la temperatura.
Valiéndonos de la trigonometría se tiene:
xy=R1R2
En la tabla siguiente se dan algunos valores:
Por tanto se tiene:
Resolviendo la expresión anterior, se obtiene:
R2= R1(1+α*aˆ†t)
Algunos valores del coeficiente de temperatura son:
MATERIAL | α |
Plata |0,0038 |
Cobre | 0,00393 |
Oro | 0,0034 |
Aluminio | 0,00391 |
Niquel | 0,006 |
Acero | 0,0055 |
Los conductores eléctricos normalmente se manejan a través de la galga
americana (calibre) y se muestran en la tabla:
El calibre de los conductores tiene que estar sometido a ciertas condiciones de
uso como la cantidad de corriente que puedan transportar.
Para esto se tiene en cuenta la siguiente
tabla
CONDUCTORES ELECTRICOS.-
Son los materiales capaces de conducir o transmitir la electricidad. Los conductores eléctricos más utilizados son el cobre y aluminio.
Aunque ambos materiales poseen una alta conductividad
eléctrica, el cobre constituye el elemento principal den la fabricación de
conductores por sus ventajas mecánicas y eléctricas.
CONDUCTIVIDAD: facilidad que presenta un material al
paso de la corriente eléctrica.
RESISTIVIDAD: Es la pérdida de potencia que sufre una corriente de 1 A de
intensidad al atravesar un conductor de longitud y
sección unidad.
ρ=resistividad
σ=conductividad
ρ=1σ
El tipo de cobre utilizado en la fabricación de conductores es el cobre
electrolítico de alta pureza %). Dependiendo del
uso que se vaya a dar, el cobre presenta los
siguientes grados de dureza o temple:
* Duro
* Semiduro
* Blando o recocido
El conductor de cobre o aluminio está identificado en cuanto a su tamaño por un
calibre, que puede ser en milímetros y su área en mm^2 y expresarseen AWG o
MCM.
Un conductor eléctrico consta de:
a) El alma o elemento conductor
b) El aislamiento
c) Cubierta protectora
a) ALMA O ELEMENTO CONDUCTOR:-
Se fabrica en cobre y su objetivo es servir de camino a la energía eléctrica
desde las centrales a los centros de distribución. Los conductores dependiendo del alma se clasifican en:
* Alambre
* Cable
ALAMBRE.-
Conductor cuya alma conductora está formada por
un solo elemento o hilo
conductor.
CABLE.-
Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por
una serie de hilos conductores o alambres de baja sección, lo que le otorga una
gran flexibilidad.
b) AISLAMIENTO.-
El objetivo del
aislamiento es evitar que la corriente que circula por el conductor entre en contacto
con personas u objetos que son parte de una instalación eléctrica; el
aislamiento también evita que conductores de distinto voltaje puedan hacer
contacto entre sí.
Como materiales aislantes se usan sustancias
poliméricas, que en química se definen como un material formado por la
unión de muchas moléculas idénticas, para formar una nueva molécula más gruesa.
Los diferentes tipos de aislamiento están dados por su
comportamiento técnico y mecánico, considerando el medio ambiente y las
condiciones de canalización a que se verán sometidos los conductores que ellos
protegen.
Entre los materiales usados para el aislamiento, se tienen: PVC o cloruro de
polivinilo, el polietileno o PE, el caucho, la goma y el nylon.
c) CUBIERTA PROTECTORA.-
El objetivo principal de esta parte es proteger laintegridad del aislamiento y del alma conductora contra
daños mecánicos, tales como:
raspaduras, golpes, etc.
Como se habla
de Kcmil, es necesario se tenga pleno conocimiento de lo que indica un circular
mil ( CM):
CM= es el área de la sección transversal de un conductor que tiene un diámetro
de una milipulgada.
ACM = ( dmil)2
1 milipulgada= in/1000
Como el área de
los conductores en ocasiones viene dada en CM, se indica la forma en que puede
ser transformada a milímetros cuadrados.
A= π4d2=π4N2 mil2
A=π4N2*(4πCM)
ACM= N2CM
ACM dmil)2
Se ha mencionado que la corriente eléctrica es el flujo de electrones a través
de un conductor cuando a él se le ha aplicado una fuerza a través de una f.e.m.
Existe algo en los cuerpos que hace que los electrones libres no puedan moverse
fácilmente hasta que externamente se aplique una fuerza que los libere y
permitan que el flujo de electrones se establezca. La oposición al paso de los
electrones en todos los materiales conductores es la misma y esa oposición de
los cuerpos al paso de los electrones se llama RESISTENCIA.
La resistencia
eléctrica es la magnitud que mide la dificultad que opone un material a ser
atravesado o por una corriente eléctrica.
Se simboliza con
Y se representa por la letra R, siendo su unidad el ohmio (Ω).
La resistencia R de un conductor en particular
está relacionada con la resistividad ρ de su material como sigue
R=ρ*lA (Ω)
O:
