electrostatica
Electrostática
la electrostática es la rama de la electricidad que se
encarga de estudiar las cargar electrostáticas en reposo. Todos los cuerpos que
nos redean están compuestos por materia que a su vez esta conformada por
pequeñas partículas llamados atomos, que estos a su vez tienen protones
neutrones y electrones.
La carga eléctrica es una propiedad que tienen los
electrones y protones. De igual manera esta carga eléctrica se puede transmitir
y consiste en que un cuerpo gane o pierda electrones, a esto se le denomina
electrizar un cuerpo y existen tres maneras de lograrlo:
Frotamiento: se
presenta cuando dos cuerpos se frotan entre si o por la friccion entre estos.
Contacto:
consiste en simplemente el contacto entre dos cuerpos.
Inducción: se
presenta cuando un cuerpo que esta cargado se acerca a otro y transfiere esa
carga pero sin haber ningún tipo de contacto entre ellos. Un claro ejemplo de
esto es cuando pasas cerca de la televisión y sientes como fluye la corriente
al acercarte.
La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas se
denomina coulomb (C) y se refiere a la cantidad de electrones que posee en
exceso un cuerpo en comparación con su estado neutral. La equivalencia en
electrones es la siguiente:
1C=6.25x1018 electrones
Existen materiales en nuestro entorno que al estar formados por atomos poseen
electrones y protones pero aunque tengan esto en común no todos poseen la misma
capacidad para conducir electricidad por
lo tanto se puede clasificar de la siguiente manera:
Materiales
conductores: son aquellos que pueden electrizar toda su superficie al estar
libre los electrones se pueden mover por todos lados.
Materiales aislantes
o dieléctricos: son aquellos materiales que solo se electrifican en el
punto donde han contacto o son frotados esto es debido a que el movimiento de
sus electrones es nulo.
Materiales
semiconductores: son materiales que presentan ambas características, es
decir, tanto de los conductores como de los aislantes, son utilizados
principalmente en electrónica.
LEY DE COULOMB
La Ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.
Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.
Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos.
La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario".
Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:
a) cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática);
Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección y sentido.
b) las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, pero de sentido contrario:
Fq1 → q2 = −Fq2 → q1 ;
En términos matemáticos, esta ley se refiere a la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia r y se expresa en forma de ecuación como:
k es una constante conocida como constante Coulomb y las barras denotan valor absoluto.
F es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (en función de que las cargas sean positivas o negativas).
- Si las cargas son de signo opuesto (+ y –), la fuerza "F" será negativa, lo que indica atracción
- Si las cargas son del mismo signo (– y – ó + y +), la fuerza "F" será positiva, lo que indica repulsión.
En el gráfico vemos que, independiente del signo que ellas posean, las fuerzas se ejercen siempre en la misma dirección (paralela a la línea que representa r), tienen siempre igual módulo o valor (q1 x q2 = q2 x q1) y siempre se ejercen en sentido contrario entre ellas.
Recordemos que la unidad por carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Coulomb.
c) hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.
La unidad con la que se mide es:
N/C
La letra con la que se representa el campo eléctrico es la E.
CAMPO
ELÉCTRICO
El
campo eléctrico
se define como la fuerza eléctrica
por unidad de carga. El
campo eléctrico
existe cuando coexiste una carga y
representa el vínculo
entre ésta
y otra carga al momento de determinar la interacción entre ambas y las fuerzas ejercidas.
Tiene carácter
vectorial y se representa por medio de líneas de campo. Si la carga es positiva,
el campo eléctrico
es radial y saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y entrante.
La unidad con la que se mide es:
N/C
N=Newton
C=Coulomb
La letra con la que se representa el campo eléctrico es la E.
Para
calcular la intensidad del campo eléctrico
producido por una carga eléctrica,
se emplea una carga positiva llamada carga de prueba. Esta es colocada en
un punto de la región a investigar, si la carga de prueba
recibe una fuerza de origen eléctrico, se dice que en ese punto existe
un campo eléctrico, cuya intensidad es igual al cociente entre la fuerza
y el valor de dicha carga de prueba.
Se expresa de la
siguiente manera:
Ahora bien, si
deseamos calcular el campo eléctrico a una determinada distancia
utilizamos la siguiente expresión matemática:
Cuando tenemos varias
cargas eléctricas alrededor de un punto y se desea conocer la
intensidad del campo eléctrico en dicho punto, la resultante
será la suma vectorial de cada uno de los campos eléctricos producidos
individualmente por cada una de las cargas, como se puede observar en la
siguiente figura.
ELECTRODINÁMICA
La electrodinámica se caracteriza
por que las cargas eléctricas se encuentran en constante
movimiento. Se fundamenta precisamente en el movimiento de los electrones o
cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la
corriente eléctrica para desplazarse.
Todos los objetos están formados por átomos y estos están formados por
protones y electrones, ahora bien un átomo pude ganar o ceder electrones de
su última orbita y así convertirse en un
ion positivo o negativo.
Cuando el átomo cede o pierde
electrones la cantidad de protones con carga positiva supera a los electrones
con carga negativa. Si por el contrario en lugar de ceder electrones los capta
o gana en su última orbita se convierte en un ion negativo.es necesario
recordar que el número de electrones máximo que puede
contener en su última carga es de 8.
Las cargas eléctricas pasan por de
una molécula a otra utilizando como medio un material que sea
conductor. Para poner en movimiento a esas cargas eléctricas o electrones
se puede utilizar cualquier fuente de fuerza electromotriz (FEM) ya sea de
naturaleza química como una batería o magnética como un
generador de corriente.
Existen dos tipos de
corriente eléctrica: la continua (CC) que obtenemos de las pilas y baterías. El otro tipo de
corriente eléctrica es la corriente alterna (CA) que se obtiene a partir
de plantas generadoras de corriente eléctrica.
La intensidad de la
corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por
la sección de un conductor en un segundo.
La intensidad de
corriente eléctrica tiene por unidad en el SI al ampere (A).
Resistencia eléctrica
Como sabemos existen materiales que no son buenos
conductores de energía eléctrica pero también hay que si lo son, los que no son
buenos conductores obstruyen el paso de los electrones por lo que los
electrones encuentran cierta resistencia al circular por el material.
Pero ¿Qué es la
resistencia electrica?
Consiste en la
oposición que presencia un conductor al pasar la corriente o el flujo de
electrones por el.
A continuación se te presentan algunos factores
que influyen en la resistencia de los conductores:
La naturaleza del
conductor: un ejemplo la plata tiene menor resistencia que el hierro para
que circule la energía.
Longitud del
conductor: a mayor longitud mayor resistencia habrá
Sección o
transversal: se refiere al area del conductor ya que a mayor area menor
resistencia habrá.
Temperatura: en
el caso de los metales la resistencia aumenta conforme a la temperatura.
La unidad de la resistencia eléctrica en el SI es el ohm (W).
Para calcular al resistencia de un material se emplea la
sig. formula:
R=rL/A
R=resistencia del conductor (W)
r=resistividad
del material de que esta hecho a 0°C (Wm)
L=longitud del conductor
(m)
A=area transversal del
conductor (m2)
Para calcular la rsistencia de un material a cierta
temperatura se emplea otra formula:
Rt=RO(1+at)
Rt=
resistencia del conductor a una temperatura (W)
RO=resistencia
del conductor a 0°C (W)
a=coeficiente de
temperatura de la resistencia del material conductor (°C-1)
t=temperatura del
conductor (°C)
ejemplo:
determina la resistencia eléctrica de una línea
conductora fabricada con alambre de aluminio, la cual será tendida a lo largo
de 12km, cuya sección transversal es de 3.14cm2. hay que considerar
que la temperatura promedio del poblado en invierno es de 0°C y se desea
conocer la resistencia en ese periodo.
L=12km
A=3.14m2
r=3.21x10-8Wm
Se usa la formula
R=rL/A
R=(3.21x10-8Wm)
12000m/0.000314m2
R=38520x108Wm2/0.000314m2
R=1.22 W
Ahora se quieresaber cual será la resistencia de conductor
pero en el dia, normalmente la temperatura es 45°C
En este caso se utiliza la otra formula
Rt=RO(1+at)
RO=
1.22W
a (Aluminio) =3.9x10-3°C-1
t=45°C
Rt= (1.22W
)(1+3.9x10-3°C-1{45°C})
Rt= (1.22W
)(1.1755)
Rt= 1.43W
Ley de ohm
una ley importante es la ley de ohm, seguramente ya habras notado que en tu casa
existe un switch o centro de carga que
contiene dos o tres implementos que de seguro ya conoces que son los fusibles.
Pues estos implementos se basan en esta ley para controlar las altas y bajas de
la diferencia de voltaje.
El físico George simon ohm, al realizar sus experimentos,
utilizo instrumentos de medición muy confiables y pudo observar que al aumentar
la diferencia de potencial de un circuito mayor es la intensidad de la
corriente. También observo que al incrementar la resistencia del conductor
disminuye la intensidad de la corriente. Gracias a estos resultados, enuncio en
1827 la siguiente ley: “la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un
conductor en un circuito es directamente
proporcional a la resistencia del conductor”.
Matemáticamente se expresa:
I=V/R
I=intensidad de la
corriente que circula por el conductor (A)
V=diferencia de
potencial o voltaje aplicado a los extremos del conductor (V)
R= resistencia de
la corriente que circula por el conductor (A)
Ejemplo
Encuentra la intensidad de la corriente de un aparato eléctrico con una resistencia de 25W al estar conectado a una
fuente de 115V.
R= 25W
V=115V
I=?
I= V/R
I= 115V/25W
I= 4.6A
También se puede
calcular la resistencia con esta formula solo hay que despejarla
R=V/I
R=115V/4.6A
R=25W
CIRCUITOS
ELECTRICOS
El circuito eléctrico es un sistema por el cual fluye la
corriente a través de un conductor en una trayectoria completa debido a una
diferencia de potencial o voltaje. En cualquier circuito eléctrico
identificamos tres elementos: voltaje,
intensidad de corriente y la resistencia. Se dice que un circuito es cerrado
cuando la corriente circula por el y abierto cuando no lo hace.
a=cerrado
b=abierto
Existen tres tipos de circuitos, los de serie, los
paralelos y los mixtos.
Circuitos
eléctricos en serie: son aquellos que están conectados uno tras otro, de
esta forma la corriente tiene una misma trayectoria, por lo tanto la corriente
circula igual por todos los puntos.
En este tipo de circuito la resistencia se calcula de la
siguiente manera
Re=R1+R2+R3+………….
Re=resistencia
equivalente del circuito
R1,2,3,4,etc.=cada
una de las resistencias en el circuito
El voltaje total se calcula de la siguiente manera
Vt=V1+V2+V3+V3+V4+………
Como sabemos que V=IR entonces nos queda:
Vt=IR1+IR2+IR3+……..
Circuitos
eléctricos en paralelo: se conectan entre dos alambres que conducen hacia
la fuente de voltaje, la corriente se divide entre los elementos conectados.
En este circuito la resistencia se calcula de la
siguiente manera:
1/RT=1/R1+1/R2+1/R3+…….
La intensidad de
la corriente se calcula con la siguiente formula:
I=V/R1+V/R2+V/R3+…….
Circuitos
eléctricos mixtos: poseen caracteristicas de los dos circuitos anteriores
En este tipo de circuito se emplean las dos formulas
anteriores pero se tiene que ir agrupando las resistencias de acuerdo a si son
paralelas o seriales y con el + cercano
ejemplo
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