BLOQUE SEIS (ELECTRICIDAD)

FUERZAS ELÉCTRICAS Y CAMPOS ELÉCTRICOS

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende de el valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

 

CAMPO ELECTRICO 

 

Los campos eléctricos estáticos (también conocidos como campos electrostáticos) son campos eléctricos que no varían con el tiempo (frecuencia de 0 Hz). Los campos eléctricos estáticos se generan por cargas eléctricas fijas en el espacio, y son distintos de los campos que cambian con el tiempo, como los campos electromagnéticos generados por electrodomésticos, que utilizan corriente alterna (AC) o por teléfonos móviles, etc.

El campo eléctrico E creado por la carga puntual q₁ en un punto cualquiera P se define como:

 Si en vez de cargas puntuales se tiene de una distribución contínua de carga (un objeto macroscópico cargado), el campo creado se calcula sumando el campo creado por cada elemento diferencial de carga, es decir:

PROPIEDADES DE LAS CARGAS ELECTRICAS

Carga: es cualquier cuerpo que posea electricidad.

 

1ª Existen dos tipos de cargas :

• Positivas(+), protones.
  
• Negativas(-), electrones.
  

2ª Objetos que contienen el mismo signo, se repelen, y objetos de cargas contrarias se atraen.

3ª La carga se mantiene. En la electrificacion no se esta creando carga, solo se esta transportando, de un lugar a otro manteniendo la carga total.

• electrificacion: es la perdida o ganancia de electrones de un objeto.
  
• todos los cuerpos son neutros, contienen cargas iguales de los dos tipos.
  
• Cuando se frotan, la carga es transferida de un cuerpo a otro.

AISLANTES Y CONDUCTORES

El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material que resiste el paso de la corriente a través del elemento que alberga y lo mantiene en su desplazamiento a lo largo del semiconductor. Dicho material se denomina aislante eléctrico.

La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad.

En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor. 

A este movimiento de electrones es a lo que se llama corriente eléctrica. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir carga de un objeto a otro, estos son los antes mencionados conductores.

Los mejores conductores son los elementos metálicos, especialmente el oro, plata (es el más conductor),¹ el cobre, el aluminio, etc.

Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector).

LA LEY DE COULUMB

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 ;

Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

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.

LINEAS DEL CAMPO ELÉCTRICO

Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.

Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. 

Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza.

El concepto de líneas de campo (o líneas de fuerza) fue introducido por Michael Faraday (1791-1867). Son líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va variando la dirección del campo eléctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona libremente, por lo que las líneas de campo salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas:

Las líneas de campo creadas por una carga positiva están dirigidas hacia afuera; coincide con el sentido que tendría la fuerza electrostática sobre otra carga positiva.

POTENCIAL ELECTRICO Y ENERGIA POTENCIAL DEBIDO A CARGAS PUNTUALES

Consideramos un sistema formado por dos cargas puntuales, inicialmente en reposo y separadas por una cierta distancia, r. Para deducir la fórmula que calcula la energía potencial eléctrica de las dos cargas, vamos a considerar el caso en que ambas son del mismo signo positivo, y supondremos que una de ellas

Si se deja al sistema evolucionar libremente la fuerza de repulsión eléctrica entre las cargas hace que se vayan separando, con el consiguiente aumento de energía cinética a costa de disminuir la energía potencial eléctrica. Para un desplazamiento de la carga  (impulsada por la fuerza de repulsión eléctrica que le hace) desde un cierto punto A hacia otro punto , el trabajo que realiza la fuerza eléctrica es:

Este trabajo es igual a la disminución de energía potencial del sistema:
B W EpA = - (EpB - EpA) (2).

El potencial del campo eléctrico en un punto se define como una magnitud cuyo valor coincide con el de la energía potencial que tendría el sistema cuando en ese punto del campo se colocara una unidad de carga positiva. De acuerdo con esto, el procedimiento seguido para obtener el valor del potencial eléctrico en cualquier punto alrededor de una carga, , comienza colocando ahí una pequeña carga de prueba o carga testigo.Seguidamente se ha de dividir la energía potencial del sistema obtenido.

                                              CORRIENTE Y RESISTENCIA ELÉCTRICA

CORRIENTE ELÉCTRICA

	En un circuito eléctrico cerrado la.corriente circula siempre del polo.negativo al polo positivo de la.fuente de fuerza electromotriz.(FEM),

A la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente, como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativos, electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. En conclusión, el sentido convencional y el real son ciertos en tanto que los electrones como protones fluyen desde el polo negativo hasta llegar al positivo (sentido real), cosa que no contradice que dicho movimiento se inicia al lado del polo positivo donde el primer electrón se ve atraído por dicho polo creando un hueco para ser cubierto por otro electrón del siguiente átomo y así sucesivamente hasta llegar al polo negativo (sentido convencional) es decir la corriente eléctrica es el paso de electrones desde el polo negativo al positivo comenzando dicha progresión en el polo.

Cargas en movimiento a través de un área A. La tasa de flujo de carga en el tiempo a través del área se define como la corriente I. la dirección de a la cual la carga positiva fluiría si tuviera libertad de hacerlo. 

Si la tasa a la cual fluye la carga varía en el tiempo, la corriente también varía en el tiempo, y definimos a la corriente instantánea I como el límite diferencial de la ecuación:

La unidad de corriente del Sistema Internacional es el ampere (A).

Esto significa que 1ª de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el área de la superficie en 1s.

                                                      RESISTENCIAS Y LEY DE OHM

La ley de Ohm es la herramienta más importante con la que debe contar cualquier persona que se involucre con la electricidad. Y con herramienta no nos referimos a algo físico o manipulable, sino a conocimiento puro: todo aquel que trabaje o estudie la electricidad necesita la ley de Ohm.

Desde el punto de vista matemático el postulado anterior se puede representar por medio de la siguiente Fórmula General de la Ley de Ohm:

VARIANTE PRÁCTICA: Aquellas personas menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas pueden realizar también los cálculos de tensión, corriente y resistencia correspondientes a la Ley de Ohm, de una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico:

Con esta variante sólo será necesario tapar con un dedo la letra que representa el valor de la incógnita que queremos conocer y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras cuál es la operación matemática que será necesario realizar.

RESISTIVIDAD

La resistividad es la resistencia eléctrica específica de cada material para oponerse al paso de una corriente eléctrica. La resistividad es la inversa de la conductividad, por tanto . Se designa por la letra griega Rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios metro (Ω•m).¹

Resistencia de un Conductor: R = Resistencia (W)       r =  Resistividad   (W·mm2/m) L =  Longitud del conductor  (m)  S  = Sección transversal del conductor (mm2) Cálculo de la Resistencia para Otra Temperatura: Rt = R0[1+α(t-20)] Rt = Resistencia a temperatura t R0 = Resistencia a la temperatura de referencia de 20ºC α = Coeficiente de temperatura a 20 ºC Δt = t - 20 = Elevación de temperatura en ºC
Material	r20º (W.m)	r20ºC [W mm2/m]	Coeficiente a a 20 ºC (1/ºC)
Plata	1,6 x 10-8	0,016	3,8 x 10-3
Cobre	1,7 x 10-8	0,017	3,9 x 10-3
Aluminio	2,8 x 10-8	0,028	3,9 x 10-3
Hierro dulce	7,8 x 10-8	0,078	5,0 x 10-3
Plomo	22 x 10-8	0,220	4,3 x 10-3
Wolframio, Tungsteno	5,5 x 10-8	0,055	0,5 x 10-3

                                           CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA

                                                                  FUENTES FEM

QUÉ ES LA FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM)

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) 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.

A. Circuito eléctrico abierto (sin  carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería.

RESISTENCIAS EN SERIE PARALELO Y MIXTAS  Resistencia en serie Cuando dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie en un circuito y al aplicar un voltaje, todas las resistencias son recorridas por la misma corriente. Y para calcular la resistencia total en el circuito con resistencias en series se hace de la siguiente manera Resistencia total= Resistencia 1 + Resistencia 2 + Resistencia 3 +… Resistencia en paralelo Cuando dos o más resistencias se encuentran en paralelo al aplicar voltaje todas tienen la misma caída de tencion. Para calcular la resistencia total en un circuito con resistencias conectadas en paralelo se hace de la siguiente manera:                                                                       1 Resistencia total= _________________________________________                                          1                          1                               1                                ____________  +  ______________ +  _______________ +...                                Resistencia 1        Resistencia 2       Resistencia 3 Resistencia mixta Cuando un conjunto de resistencias en serie están conectadas con un conjunto de resistencias en paralelo se les llama que están conectadas de forma mixta. Para calcular la resistencia total del circuito  se tiene que simplificar las resistencias que están en serie y las que están en paralelo, asi que el conjunto de resistencias se resuelven por separado y el resultado cada vez será más sencillo y al final estas se suman, obteniendo asi la resistencia total. LEY DE KIRCHHOFF En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero: Esta fórmula es válida también para circuitos complejos: