Conceptos_Electricos_01

Electricidad

Introducción

COLEGIO LA GIROUETTECOLEGIO LA GIROUETTE

Rafael Cautivo Sánchez

¿Qué es la electricidad?

� Fenómeno de la Naturaleza.

� Conocido desde la antigüedad (Griegos: el

elektron)

� La materia, bajo ciertas condiciones,

adquiere propiedades especiales:

Atracciones y Repulsiones.

� Estudio Científico (B. Franklin)

� Propiedad general de la materia.

� Necesidad de una Teoría (Modelo)

El Ελεκτρον (Elektron)

l Piedra color ámbar que, al frotarla con seda o lana, adquiere una

propiedad nueva: la de atraer hilachas, pelusas y cuerpecitos

pequeños.

ElektronSeda

Atracción de pequeños cuerpos

Después de ser frotado

Modelo eléctrico de la materia.

� La materia estaría constituida

por dos tipos de partículas, que

denominaremos Cargas. (P)

� Cuando estas partículas se

encuentran en igual cantidad, el

cuerpo está Neutro. (D)

� Si ellas se encuentran en

distinta cantidad, el cuerpo está

electrizado. (D)

� Las cargas del mismo tipo se

repelen entre sí y las de distinto

tipo se atraen. (L)

� Al frotar dos cuerpos neutros, pero

de distinto material, pasa un tipo

de carga de uno al otro, quedando

ambos electrizados con diferente

tipo de carga. (P)

� Al frotar VIDRIO con SEDA, el

vidrio adquiere electricidad

POSITIVA y la SEDA, electricidad

NEGATIVA. (D)

� Las fuerzas eléctricas (de

atracción o repulsión dependen de

la distancia entre las cargas. A

mayor distancia menor fuerza. (L)

Cualitativo

¿Qué significan la (P), la (D) y la (L)

El Modelo Atómico

� Se trata de un Modelo para la materia que da cuenta de

muchas de sus propiedades, incluida las eléctricas; pero

es más reciente, más compleja y, la idea es, en lo posible

llegar a entender, por lo menos, sus orígenes.

Nube de

electrones (-)

Núcleo (+)

...De

momento

podemos

olvidarlo.

Modelo en imágenes.

Cuerponeutro

Cuerpo positivo

Cuerpo negativo

Cargas Representación

Cuerpo NEUTRO y Cuerpo ELECTRIZADO

Benjamín Franklin

Para

rayos

Repulsiones y atracciones

Electrización por frotación

Cuerpos

Neutros

Frotación

Cuerpos

Electrizados

Electrización por frotación

Frotación

con los

dedos

Experimento

con teflón

Cargas Positivas y Negativas

Cuerpos

Neutros

Frotación

Cuerpos

Electrizados

VIDRIO SEDA

Definición

VIDRIO SEDA

Fuerza eléctrica y la distancia.

r

F F

F

r

Conductores y Aisladores

Cuerpo al cual se le

colocan cargas en la

zona que se indica

+ + + + +

Posibles

comporta-

miento + + + + + +

+ + +

+ +

Las cargas permanecen

en el lugar en que se las

coloco

Las cargas se distribuyen

en la periferia de todo el

cuerpo.

Nombre: AISLADORAISLADOR CONDUCTORCONDUCTOR

Conductor electrizado

� Note que en los conductores, el exceso de carga

eléctrica se distribuye en los límites del cuerpo.

++++

++++ +

+ + + +

+ + ++ + +

++ + +

+ + +

++

+++ +

++

• En general, podemos decir que, bajo determinadas

condiciones, todos los materiales son, en alguna

medida, CONDUCTORES.

• Cuando veamos esto desde el punto de vista cuantitativo, podremos

asignarle a cada material un número que exprese su capacidad de

conducción.

• De momento digamos que los materiales, desde este punto de vista,

se distribuyen del modo siguiente:

Conductores y Aisladores(Conceptos Relativos)

Aisladores o malos

conductores

ConductoresSemi conductores

Gomas Al, Cu, AuCerámica, H2OSilicio, Selenio,

Germanio

� Ciertos objetos que comúnmente consideramos aisladores, en

ciertas condiciones son conductores.



+

H2O


+

H2O

NaCl

Electrización por contacto.

Cuerpos Conductores:

A, electrizado y B Neutro.

+ + + + + + + + + + + +

A B

Contacto y

separación

+ + + + + +

+ + + + + + A B

Parte de las cargas que posee inicialmente

A, pasan al cuerpo B durante el contacto.

� ¿Qué ocurre si

el cuerpo B es

más grande que

A?


Contacto y

separación

+ + + + + +

+ + + + + + A

B

� ¿Qué ocurre si el

cuerpo B es más

grande que A?

� ¿Qué ocurrirá si

B es infinitamente

grande en

relación a A?


Contacto y

separación

+ + + + + +

+ + + + + + A

B

+ + +

A

B

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + +

Conexión a Tierra

Sea un cuerpo A electrizado y B neutro e infinitamente

grande en relación al primero. Ambos conductores.

Antes del

contacto

Después del

contacto

+ + + + + +

A

A

B

B

Conexión a Tierra (Importancia)

Enchufe domiciliario La “Dirección General

de Servicios Eléctricos”

fiscaliza la conexión a

Tierra. (Es una Ley)

Seguridad para las personas

Rojo (Fase)

Verde

Blanco o negro

Conexión a Tierra (Propósito)

En los artefactos con caja

metálica, la conexión a tierra

debe estar conectada a la

caja.

� Necesidad en computadores e impresoras


Inducción y Polarización

1º Escena: Un cuerpo conductor Neutro

2º Escena: Se aproxima un cuerpo electrizado:

+ + +

(Inductor) (Inducido)

(Acción a distancia) (Separación de las cargas)

Sin llegar a tocarlo.

Atracción entre un cuerpo electrizado y uno neutro.

+ + + +

+ + + +

+ + + +

- - - - - -

+ + + + + +

Cuerpo

electrizado

(Inductor)

Cuerpo

Neutro

(polarizado)

A

Fuerza que A

aplica sobre

las cargas

negativas.

Fuerza que A

aplica sobre las

cargan positivas,

Fuerza

total sobre

el cuerpo

neutro

Electrifican por Inducción.

1º Escena. Hay un cuerpo

conductor neutro.

2º Escena. Se aproxima

por la izquierda un cuerpo

electrizado (inductor).El

cuerpo se polariza

3º Escena. Se conecta y

desconecta a Tierra el

cuerpo (por la derecha)

4º Escena. Se retira el

cuerpo inductor. El cuerpo

inicial queda electrizado.

Algunos Experimentos

l Balanza de torsión

Vidrio, plástico PVC, aluminio, etc

Hilo de

seda

Al acercar un objeto

electrizado se

produce una notoria

torsión en la varilla

que cuelga.

++++

+ +

++

++ +

+

El Electroscopio(En estado neutro)

Eje de Giro

Soporte

(metal)

Aislante

Tambor

(metal)

El Electroscopio(En estado electrizado)

Soporte

Aislante

El Electroscopio(Inducción)

El Electroscopio(Contacto)

Estudio cuantitativo de la Electricidad

� Esto implica:

� Definir carga eléctrica.

� Determinar los factores de los cuales

depende la fuerza eléctrica.

� Lo que, a su vez, significa:

� Algunas abstracciones matemáticas.

� Algunas observaciones experimentales.

1 Carga eléctrica (q, Q)

� Carga eléctrica puntual:

� es un cuerpo electrizado cuyas dimensiones resultan insignificantes en relación as la situación en que es considerado (es un concepto equivalente al de partícula)

� Las designaremos con las letras “q” o “Q”

� Pueden ser positivas o negativas.

2 Igualdad de carga eléctrica

� Diremos que dos cargas qA y qB son iguales; es decir:

q

q

qA

qB

FA

FB

Si FA = FB, entonces qA = qB. En general, Si FA = n FB,

entonces, qA = n qB.

qA = qB

Si ambas producen, en igualdad de condiciones, los mismos

efectos sobre una tercera carga q.

2 ¿De qué factores depende la fuerza entre dos cuerpos electrizados?

� De la cantidad de carga “q”

� De la distancia “r” entre ellas

� Del medio en que se encuentran

inmersas.

� Fue el Físico Charles Agustín Coulomb,

basado en los trabajos de Newton, quien

aclarara los puntos anteriores.

a) ¿Cómo depende de la cantidad de carga?

qA qB

2qA

3qA

mqA

qB

2qB

nqB

F

2F

6F

mnF

Es decir, lógicamente se deduce que, las fuerzas eléctricas son

directamente proporcionales al producto de las cargas; es decir

Fe = K1qAqB (K1 es una constante de proporcionalidad)

b) ¿Cómo depende de la distancia?

Para responder a esto la lógica no es suficiente: se

requiere de un experimento. Coulomb realizó algo como:

Fe

ángulo αααα

Fg

tg α =Fe

Fg

r

Como podemos conocer

Fg = mg y medir α ,

conocemos Fe

αααα

El Experimento de Coulomb

Al medir La fuerza eléctrica (Fe) entre las cargas cuando se

encuentran a distintas distancias (r), encontramos que ella es

inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia; es

decir:

Fe = K2 r21

K2 es una constante de proporcionalidad.

Nótese que, si la distancia entre dos cargas aumenta al

doble o al triple, entonces la fuerza eléctrica entre ellas se

reduce a la cuarta y a la novena parte respectivamente.

La Ley de Coulomb

� Considerando lo que tenemos:

Fe = K1 qAqB Fe = K2 r2

1

Se puede resumir en una sola expresión:

Fe = Ke

qAqB

r2

La cual es conocida como ley de Coulomb.

Ke es una constante (constante eléctrica) cuyo valor

depende del medio en que se encuentren las cargas qA y qB

Comparación entre las Fuerzas

Eléctricas y Gravitacionales.

� Las dos, junto con las fuerzas nucleares (Fuertes y débiles) son

básicas en nuestro universo. Sólo rigen a distinta escala.

� Hay una gran semejanza en la estructura matemática de la Ley de

Coulomb y la Ley de Gravitación Universal de Newton.

Fg = GmAmB

r2Fe = Ke

qAqB

r2

� Semejanzas en r2 semejanzas en los productos mAmB yqAqB� Diferencias en las constantes

� Diferencias en los signos.

Unidad de carga eléctrica (Cb)

� Diremos que una carga eléctrica es de 1Coulomb (1 Cb), si colocada a 1 metro de otra idéntica, se repele con ella con una fuerza de 9 x109 Newton cuando el medio en que se encuentran es el vacío.

Vacío

1 metro

1 Cb 1 Cb9x109 N 9x109 N

Problema histórico

Valor de la Constante Eléctrica

� Despejando Ke de la Ley de Coulomb:

Ke = Fe r

2

qA qBReemplazando en ella los datos anteriores (definición

de Cb), tenemos que, en el vacío:

Ke = 9x109

Nm2

Cb2

Algunos datos importantes:

� El electrón:

� Carga eléctrica e = - 1,6 x10-18Cb.

� Masa de electrón me = 9,1 x 10-31 Kg.

� Ke en distintos medios:

� Vacío Ke = 9x109 Nm2 /Cb2

� Aire Ke = 9x109 Nm2 /Cb2

� Agua Ke = 7,2x1011 Nm2 /Cb2

Algunos problemas:

� El alumno debe se capaz de resolver diferentes problemas en que interactuen hasta cuatro cargas eléctricas puntuales:

� Ejemplo 1. Una carga qA de 2x10-5Cb mantiene en

equilibrio un pequeño cuerpo de 4x10-12Kg, aquí en la superficie terrestre y en el aire ¿Qué carga posee este último cuerpo si la distancia entre sus centros es de 10 cm.?

Evidentemente la fuerza gravitacional y la

eléctrica que actúan sobre el cuerpo (que

designaremos por B), deben ser iguales

pero con sentidos opuestos; luego:

A

B

r

mg = Ke

qA qB

r2

� El concepto de El concepto de El concepto de El concepto de CampoCampoCampoCampo es de una gran importancia en Ciencias es de una gran importancia en Ciencias es de una gran importancia en Ciencias es de una gran importancia en Ciencias

y, particularmente en Fy, particularmente en Fy, particularmente en Fy, particularmente en Fíííísicasicasicasica.� La idea consiste en atribuirle propiedades al espacio en vez de

considerar a los verdaderos causantes de los fenómenos que ocurren en dicho espacio.

� Para comprender esto veamos un par de ejemplos:

4Un campo de temperaturas (Escalar)

4Un campo de velocidades (Vectorial)

4Campo gravitacional (Vectorial)– Homogéneo

– No homogéneo

Concepto de Campo Eléctrico

� Campo de Temperaturas (escalar)

Concepto de Campo

Sala de clases

Estufa Puerta

70º C60º C

50º C

40º C

30º C

20º C

Líneas de Campo de temperaturas

Termómetro

P

� La intensidad del Campo de Temperaturas en el

punto P corresponde a lo que mide el termómetro

que está en él.

� Es una magnitud escalar puesto que no posee

dirección asociada .

� La causa verdadera de que la temperatura de las

isotermas sea 40º C. se debe a la estufa, la

puerta, la temperatura exterior, las dimensiones

de la sala, etc.

� Evidentemente no depende del instrumento con

que se mide la Intensidad del Campo de

Temperaturas; es decir, no depende del

Termómetro.

Concepto de Campo

P

40ºC

� Campo de velocidades (vectorial)

Concepto de Campo

Río o corriente de agua

En cada punto el agua se mueve con una velocidad

específica (dirección y módulo)

� Campo gravitacional homogéneo (Es, en realidad un campo de aceleraciones gravitacionales)

Concepto de Campo

Todos los puntos

de la sala de clases

tienen la propiedad

de que masas

colocadas en ellos

experimentan la

misma aceleración;

es decir:

g = Cont.

Sala de clases

Este Campo gravitacional depende del planeta en que se encuentre la sala de clases.

� Si consideramos el planeta Tierra en su totalidad; entonces el Campo

gravitacional presenta otro aspecto.

Concepto de Campo

g =G M

r2

La intensidad

de campo; g,

depende de M

y r.

Tierra


� Sea un punto P del espacio.

� Para dicho punto se define la Intensidad del Campo

Eléctrico, que designaremos por E, del modo siguiente.

� Coloquemos en dicho punto una carga de prueba carga de prueba q0+.

� Si Fe es la fuerza eléctrica que actúa sobre ella (Debido a las otras cargas eléctricas que existen en el espacio y que

desconocemos), entonces:

E =Fq0+

� Como se puede ver, el Campo ElComo se puede ver, el Campo ElComo se puede ver, el Campo ElComo se puede ver, el Campo Elééééctrico es un campo ctrico es un campo ctrico es un campo ctrico es un campo

vectorial.vectorial.vectorial.vectorial.

� Posee, en cada punto, la direcciPosee, en cada punto, la direcciPosee, en cada punto, la direcciPosee, en cada punto, la direccióóóón y sentido de n y sentido de n y sentido de n y sentido de FFFFeeee

� Posee la direcciPosee la direcciPosee la direcciPosee la direccióóóón en que actn en que actn en que actn en que actúúúúa la fuerza ela la fuerza ela la fuerza ela la fuerza elééééctrica.ctrica.ctrica.ctrica.

� Su unidad (M.K.S.) es el Newton /Su unidad (M.K.S.) es el Newton /Su unidad (M.K.S.) es el Newton /Su unidad (M.K.S.) es el Newton / CoulombCoulombCoulombCoulomb....

� No depende ni del valor de la fuerza que se mida (No depende ni del valor de la fuerza que se mida (No depende ni del valor de la fuerza que se mida (No depende ni del valor de la fuerza que se mida (FFFF) ni ) ni ) ni ) ni

del valor de la carga de prueba que se use (del valor de la carga de prueba que se use (del valor de la carga de prueba que se use (del valor de la carga de prueba que se use (qqqq0000++++) (Del ) (Del ) (Del ) (Del

mismo modo que en el campo de temperaturas no mismo modo que en el campo de temperaturas no mismo modo que en el campo de temperaturas no mismo modo que en el campo de temperaturas no

depende del termdepende del termdepende del termdepende del termóóóómetro).metro).metro).metro).



� Ejemplo: Sea el punto P del espacio.

� ¿Cuál será la intensidad de Campo Eléctrico en dicho punto?

P


� Coloquemos en P una carga q0+ = 0.1 Cb.

� Supongamos que sobre ella actúa una fuerza eléctrica igual a

Fe = 120 N. en la dirección...

P

q0+ = 0.1 Cb


� Tenemos que E = 120 N / 0,1 Cb = 1200 N/Cb.

� En la misma dirección y sentido de Fe; es decir...

P

F e= 120 N

q0+ = 0.1 Cb

E =Fq0+


� Hemos calculado la intensidad de Campo Eléctrico (E); pero ¿qué significa?

P

q0+ = 0.1 Cb

E= 1200 N/Cb

� Significa que en el espacio existen otras cargas eléctricas que generan un campo Eléctrico en él.

� Puede existir, por ejemplo una carga positiva Q, o bien....


PE= 1200 N/Cb

+Q

� Una carga negativa, o una positiva y una negativa.

� muchas cargas que producen el mismo efecto.


PE= 1200 N/Cb

+Q

-Q

� Una carga negativa, o una positiva y una negativa.

� muchas cargas que producen el mismo efecto.


PE= 1200 N/Cb

+Q

-Q

+Q

Líneas de Campo Eléctrico

� En un espacio, en que existe un campo eléctrico, tiene sentido

imaginar líneas por donde acelerarían cargas eléctricas

puntuales q0+ que fueran colocados en ellos.

� Estas cargas de pruebas son imaginarias, y su valor no

interesa.

� Si en cierto experimento fueran reales, al dejarlas libres en un

espacio en que existe un Campo Eléctrico, las veríamos

acelerar siguiendo trayectorias que nos mostrarían la forma

de dicho campo

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q+)

� Se parecen mucho a las líneas del campo gravitacional de un planeta

Q+

q0+

� Se parecen mucho a las líneas del campo gravitacional de un planeta

Q-

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q-)

q0+

� A una Distancia r de una carga eléctrica Q, la intensidad

de Campo Eléctrico (E) es, según la Ley de Coulomb:

r

Q

q0+

q0

Fe

q0= Ke

Q

r2

E = Ke

Q

r2

Fe = Ke

Q q0

r2

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q)

� Las líneas de campo son, si ambas cargas son de signo contrario:

Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2)

Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2)

� Las líneas de campo son, si ambas cargas son del mismo signo:

¿Qué puede decirse de las cargas?

Potencial Eléctrico (V)

� Sea un punto P cualquiera de un espacio

en que existe un campo eléctrico

� Sea E la Energía que se requiere para

trasladar una carga de prueba (q0) desde

un punto definido como de potencial cero

hasta el punto P; entonces,

� el potencial de P es: V = E/q0� Como E se mide en Joules y q en Coulomb,

entonces:

� V se mide en

� Joules/Coulomb = J/C = Volts = V

V = 0

P

q0

Potencial Eléctrico (V)

� ¿Qué significa...

+

+

12 Volts 220 Volts 1,5 Volts

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