FISICA III: BLOQUE 1 ELECTRICIDAD

CARGA ELÉCTRICA

La electrostática es la rama de la física que se encarga de estudiar las cargas eléctricas en reposo.

Los cuerpos están formados por átomos que contienen partículas con cargas electricas:protones(+),electrones(-) y neutrones.

La carga eléctrica es la diferencia entre las cargas positivas de sus protones y las cargas negativas de sus electrones.

TIPOS DE CARGA ELÉCTRICA

Fue el filosofo y científico Benjamín Franklin quien nombro los dos tipos de carga eléctrica como positiva(+) y negativa(-).

Las combinaciones de los dos tipos de carga producen fuerzas eléctricas atractivas o repulsivas.Para esto se creo las leyes de carga:

Cargas iguales se repelen
Cargas diferentes se atraen

LEY DE LA CONSERVACION DE LA CARGA ELÉCTRICA

Esta ley se enuncia como "La carga eléctrica total en un sistema,es decir,la suma de la carga positiva y negativa presente,permanece constante" o también se enuncia como "La carga eléctrica no se crea ni se destruye solo se transfiere".

Un ejemplo claro de donde se cumple esta ley es cuando tenemos dos cuerpos inicialmente electricamente neutros ,por ejemplo una barra de plástico y una hoja de papel.Ahora supongamos que se frotan los cuerpos,por lo que se transfiere 1 electrón de un cuerpo a otro.El objeto con los electrones agregados tendrá ahora carga negativa y el otro cuerpo con menos electrones tendrá 1 carga eléctrica positiva.Tenemos por lo tanto que las cargas eléctricas están separadas pero la suma de las dos cargas es igual a cero,cumpliéndose esta ley.

METODOS DE ELECTRIZACION DE CUERPOS

Los cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones.La carga de un cuerpo es positiva si pierde electrones y es negativa cuando gana electrones.Los cuerpos se pueden electrizar por los siguientes métodos:

Contacto o Conducción:Este fenómeno se origina cuando un cuerpo con un exceso de electrones cede algunos electrones a otro cuerpo con el cual tiene contacto.

Por frotamiento(fricción):Es el proceso de frotar algunos materiales, estos resultan cargados electricamente mediante una transferencia de carga.Por ejemplo cuando uno fricciona los zapatos sobre una alfombra y posteriormente toca una pieza metálica,la alfombra adquiere carga negativa y como se acerca a una pieza metálica esta adquiere carga positiva por lo tanto atrae a los electrones de la mano.Los cuerpos electrizados por este método uno queda con una carga y el otro con otra diferente.

Inducción:En este método el cuerpo que se quiere cargar no se pone en contacto con el objeto con carga eléctrica,ni se frota con otro objeto.Se presenta cuando un cuerpo se carga electricamente al acercarse a otro ya electrizado.Un ejemplo es cuando se acerca un peine frotado con el cabello a unos pequeños trozos de papel.Donde en los trozos de papel las cargas eléctricas se redistribuyen adquiriendo una carga diferente a la del peine y atraerá a estos.Los trozos de papel se cargaran vía inducción.

Para que te quede mas claro el tema ve el siguiente video

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL.CARGAS ELÉCTRICAS

OBJETIVO:

Comprobar que la materia presenta cargas eléctricas de signos contrarios así como el comportamiento de las cargas eléctricas,su método de frotamiento para electrizar los cuerpos y verificar que hay tres formas de electrizar a los cuerpos:frotamiento,contacto e inducción.

INTRODUCCION:

El átomo y las partículas atómicas como los electrones,protones y neutrones,son tan pequeños que "verlas" es completamente imposible.La materia en general por ejemplo la computadora,un automovil y es mas nuestro cuerpo,están formados por estas partículas subatomicas,así que nos conformamos con observar fenómenos microscopios y hacer un esfuerzo para imaginar y crear modelos que representen al átomo y las partículas atómicas,y los fenómenos de atracción y repulsión que dan entre ellas.
Los fenómenos de atracción y repulsión han sido estudiados desde las épocas de los griegos.Hoy en día por ejemplo,la ropa que se seca con una secadora de ropa,usualmente se adhieren entre si y al separarlas producen chispas,y para evitar la acumulación de electricidad se usan suavizantes de telas.Como observamos cuando dos materiales distintos se frotan entre si,pueden cargarse electricamente.

MATERIALES:

a) 1 metro de hilo
b) 2 plumas escolares
c) hojas de papel
d) 1 placa de vidrio de aproximadamente 10cm x 10cm.
e) Tela de franela
f) 1 globo

PROCEDIMIENTO:

Actividad 1.
1.-Cuelga de un hilo una pluma procurando que quede horizontal
2.-Acerca una hoja de papel a la pluma
3.-Ahora flota una orilla de la pluma con un papel
4.-Acerca el papel a la zona de la pluma que frotaste
5.-Toma otra pluma y frotala con el papel y después acercala a la pluma que esta suspendida.
Anota tus observaciones.

Actividad 2.
1.-Coloca dos cuadernos separados sobre la mesa y encima coloca la placa de vidrio,procurando que quede sostenida entre los cuadernos.
2.-Coloca pequeños pedazos de papel debajo del vidrio
3.-Frota por encima el vidrio con la franela y observa lo que sucede.
Anota tus observaciones.

Actividad 3.
1.-Infla un globo y frotalo posteriormente con el cabello
2.-Acerca el globo cargado electricamente a la pared,procurando que la parte frotada del globo toque a la pared.
Anota tus observaciones.

PREGUNTAS:

-¿Que observas cuando se acerca el papel y la pluma sin frotar?
-¿Los cuerpos sin frotar tienen cargas eléctricas?
-¿Que observas cuando se acercan el papel y la pluma ya frotados?
-¿Que sucede cuando se acercan las dos plumas?
-¿Como se llama el método de electrizacion que se origina en el caso de la pluma y el papel?
-¿Como se llama el método de electrizacion que se origina en el caso del vidrio y los pedazos de papel?
-¿Como se llama el método de electrizacion en el caso del globo acercándose a la pared?

Anota tus conclusiones.

CONDUCTORES

Un conductor eléctrico es una sustancia que permite conducir o transmitir cargas eléctricas.
Los metales son conductores eléctricos ya que cuando se frota un extremo la carga se distribuye en toda la superficie del metal aunque solo se frote una parte.
El hecho que explica esta característica se remota a la estructura química de los metales que poseen electrones libres en su ultima órbita que están débilmente unidos al átomo y se pueden remover fácilmente e incluso que se muevan los electrones en el conductor.
Por ejemplo cuando se frota una barra de cobre con tela de lana las cargas eléctricas generadas se mueven desde la barra, pasan por el cuerpo humano y llegan al suelo.

AISLANTE

Un aislante eléctrico o material dieléctrico es una sustancia que no permite conducir o transmitir cargas eléctricas.

algunas sustancias como el vidrio, plásticos, madera, papel y la seda son aislantes.

En un aislante los electrones de su ultima órbita están fuertemente ligados al átomo, lo que hace difícil removerlos. cuando se cargan por frotamiento, solo el area frotada queda cargada, y no hay una tendencia que haga que la carga se mueva hacia otras regiones del material.

Papel Seda

Madera Plástico

vidrio

EL ELECTROSCOPIO

Es un dispositivo que posibilita detectar la presencia de carga eléctrica.

Un electroscopio casero es sencillo de construir, solo se necesita lo siguiente:

un recipiente de vidrio
dos tiras metálicas muy finas (laminillas de oro)
barra metalica
aislante (corcho)
esfera metálica o de papel de aluminio

Para determinar el signo de una carga, primero se carga por contacto con una carga conocida, por ejemplo negativamente, entonces se acerca a la esfera el cuerpo del cual se desconoce su carga, y sies igual las hojas metálicas se separan aún más, pero se juntan si son de signo contrario.

SERIE TRIBOELÉCTRICA

Cuando se frotan dos materiales, uno de los materiales adquiere carga positiva (falta de electrones) y el otro carga negativa exceso de electrones), ahora cabe preguntarse ¿que material cederá los electrones y cuál los aceptara? Ante esta pregunta los físicos han clasificado los materiales en función de su capacidad de donar o ceder electrones. Y esta clasificación se denomina serie triboeléctrica.

LEY DE COULOMB

La ley de coulomb establece que la magnitud de la fuerza de atracción o de repulsión que se ejerce entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de la magnitud de las dos cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Se expresa matemáticamente como:

donde F= fuerza electrostática entre las cargas eléctricas (N)

K= constante de proporcionalidad (9 x 10 9 Nm2/C2)

r= distancia entre las cargas eléctricas (m)

q1 y q2= cantidad de cargas eléctricas de los dos cuerpos (C)

fuerza de repulsión entre dos cargas del mismo signo.

fuerza de atracción entre dos cargas de signo contrario.

CAMPO ELÉCTRICO

El campo eléctrico es una región del espacio que rodea a una carga eléctrica, en la cual otra carga sentirá una fuerza de origen eléctrico, ya sea de atracción o de repulsión.

El campo electrictrico de acuerdo a Faraday se extiende hacia afuera desde la carga eléctrica e impregna todo el espacio.

LINEAS DE CAMPO ELÉCTRICO (LINEAS DE FUERZA)

las lineas de campo pueden concebirse como lineas imaginarias que representan la trayectoria que seguiría una carga eléctrica en un campo eléctrico.

Las líneas de fuerza que representan el campo eléctrico de una carga puntual y positiva, son lineas que salen de la carga eléctrica en todas direcciones mientras en una carga puntual y negativa las lineas de fuerza llegan a la carga.

estas pueden dibujarse de tal manera que señalen el punto mas intenso del campo eléctrico, dibujando las lineas de fuerza mas juntas cuando el campo es mas intenso y mas separadas al disminuir la intensidad. Otra característica de las lineas de fuerza es que estas no se tocan ni se cruzan en un campo eléctrico.

lineas de campo electrico debido a una sola partícula positiva aislada y otra negativa.

lineas d campo para dos cargas iguales de signo opuesto.

INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO

Se define como la medida de la fuerza eléctrica ejercida sobre una pequeña carga de prueba positiva colocada en un punto de dicho campo, dividida por la magnitud de la carga de prueba.

Se expresa matemáticamente como:

donde E = intensidad de campo eléctrico (N/C)

F = fuerza eléctrica (N)

q0 = carga de prueba (C)

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO DEBIDO A UNA CARGA ELÉCTRICA PUNTUAL.

En algunas ocasiones se desea conocer la intencidad del campo electrico generado por un ion o una particula de tamaño atomico, las cuales se consideran como cargas puntuales.

La intensidad del campo producida por una carga puntual se deduce de la ley de Coulomb quedando como:

donde E = intensidad de campo eléctrico (N/C)

k =constante de proporcionalidad (9 x 10 9 Nm2/C2)

q = carga de prueba (C)

r = distancia entre las cargas eléctricas (m)

ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA

La energia potencial electrica es el trabajo necesario para mover una carga de un punto a otro dentro de un campo eléctrico.

POTENCIAL ELECTRICO

Es el trabajo necesario contra las fuerzas eléctricas para trasladar una carga positiva desde el infinito hasta el punto considerado.

donde V = potencial eléctrico se mide en volts (V)

T = trabajo realizado se mide en joules (J)

q = carga eléctrica transportada se mide en coulomb (C)

POTENCIAL ELECTRICO DEBIDO A UNA CARGA PUNTAL

El potencial eléctrico a una distancia de una carga puntual se puede deducir de la expresión para su campo eléctrico. Para eso se usa una carga puntual que es la genera un campo eléctrico y otra carga de prueba que es movida desde el infinito a un punto determinado del campo. Usando la definición de potencial eléctrico y realizando algunos ajustes queda como:

DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE DOS PUNTOS DEL CAMPO ELÉCTRICO

Es el trabajo mecánico que se realiza para mover una carga de prueba desde el punto de mayor potencial eléctrico (a) al de menor potencial eléctrico (b), queda matemáticamente como:

CORRIENTE ELÉCTRICA

Se define como un flujo de cargas eléctricas negativas que transportan energía de un lugar a otro a través de un conductor.

El flujo de electrones se presenta en los materiales, en los líquidos y en los gases. En el caso de los líquidos en forma de una solución que tiene disuelta una sal que libera cationes y aniones. Los responsables de la corriente eléctrica son estos iones que se mueven en la solución.

DIRECCIÓN DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Tipo convencional: El sentido de la corriente eléctrica es el sentido en que fluirían las cargas positivas. Va del polo positivo al negativo.

CORRIENTE ELÉCTRICA ALTERNA Y DIRECTA

La corriente eléctrica se clasifica de acuerdo al sentido y de la forma en que se mueven las cargas eléctricas en:

DIRECTA O CONTINUA (cd o CC)

Es aquella corriente en donde las cargas eléctricas se muevan siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose de la terminal negativa a la terminal positiva de una fuente de energía.

ALTERNA (ca)

Las cargas eléctricas se mueven primero en un sentido y luego en otro sentido, así pasan de la terminal positiva a la terminal negativa.

EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Efecto químico: una corriente electrica puede alterar los procesos químicos normales, por ejemplo, causar disociaciones quimicas.

Efecto calorífico: al circular la corriente eléctrica por un conductor, genera calor, debido a los choques entre las cargas eléctricas y los átomos del conductor.

Efecto luminoso: cuando se hace circular la corriente electrica por un mal conductor puede pasar desde el rojo vivo y llegar hasta el rojo blanco.

Efecto magnetico: los conductores por el que circula la corriente electrica se comportan como imanes, lo que significa que se crea alrededor de las cargas electricas en movimiento un campo megnetico.

INTENSIDAD DE CORRIENTE ELECTRICA

Se define como la cantidad de carga electrica que pasa a traves de toda la seccion trasnversal del conductor en cualquier punto de la unidad de tiempo.

matematicamente queda como:

Se interpretan de la siguiente manera:

RESISTENCIA ELECTRICA

La resistencia electrica se define como la oposicion que presentan los conductores al paso de la corriente electrica.

Factores que influyen en la resistencia electrica de un conductor.

La resistencia electrica depende de:

Naturaleza del conductor: si tomamos cables conductores iguales pero de diferente material, por ejemplo un cable de cobre, otro de aluminio, uno de oro y uno de plata, este ultimo presenta menor resistencia.

Longitud del conductor: la resistencia electrica es directamente proporcional a la longitud del alambre, es decir, si aumenta la longitud del alambre el conductor aumenta la resistencia electrica.

Area transversal: la resistencia electrica es unversamente proporcional al area de la seccion transversal del alambre, es decir si aumenta al area disminuye la resistencia electrica o viceversa.

Temperatura en la que se encuentra: en la mayoria de los metales la resistencia aumenta el incrementar la temperatura.

RESISTIVIDAD

Es una corriente que mide la capacidad de un material de resistirse al paso de la corriente electrica.

Una sustancia sera mejor conductora de electricidad cuanto menor sea el valor de su resistividad y los buenos aislantes tienen altas resistividades.

La resistencia de un conductor a una temperatura determinda es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al area y directamnete proporcional a su resistividad, quedando como:

LEY DE OHM

El fisico aleman George Simon Ohm, mediante experimentos enuncio la ley de ohm como: la intensidad de la corriente electric que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado en sus terminales e inversamente proporcional a su resistencia electrica del conductor.

matematicamente se expresa como:

RELACIONES QUE ESTABLECE ESTA LEY

La corriente electrica (I) es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V).

La corriente electrica es inversamnete proporcional a la resistencia electrica.

La resistencia electrica es independiente a ladiferencia de potencial o voltaje.

LIMITACIONES DE LA LEY DE OHM

La ley de ohm es una relacion valida solamente para ciertos materiales. Los materiales que obedecen esta ley, que tienen una resistencia constante en un amplio rango devoltaje, son llamados ohmicos o lineales.

Los materiales cuya resistencia cambia con el voltaje o con la intensidad de corriente se les conoce como materiales no ohmicos.

POTENCIA ELECTRICA

Se define como la rapidez con que se realiza un trabajo por unidad de tiempo.

matematicamente se expresa como:

Tambien se puede definir como la rapidez con la cual un aparato consume la energia electrica por unidad de tiempo.

matematicamente se expresa como:

En el SI se mide en Watts, cuyo símbolo es W, y es equivalente a J/s.

Potencia eléctrica de algunos aparatos:

CIRCUITO ELÉCTRICO

Es un arreglo de elementos que se encuentran conectados entre sí mediante conductores, por el cual la corriente eléctrica circula alrededor de una trayectoria cerrada debido a una diferencia de potencial.

El circuito electrico consta de los siguientes elementos:

a) una fuente de energía

b) un receptor de carga

c) un interruptor o control

d) un cable conductor

Un circuito eléctrico puede describirse con palabras o dibujos de las partes que lo componen. Aunque es más fácil y rápido representa lo mediante un esquema con los símbolos de sus componentes.

Por ejemplo:

CIRCUITO DE CORRIENTE DIRECTA

Son arreglos de elementos eléctricos donde la corriente que se utiliza en él, es directa. En estos circuitos se usa el símbolo de resistencia que puede representar cualquier elemento del circuito, tales como transistores, focos, un tostadora u otro dispositivo resistivo. Y los arreglos se pueden encontrar en serie, paralelo y mixto.

CONEXIONES DE RESISTENCIAS EN: SERIE, PARALELO Y MIXTO.

Circuito en serie: se forma por la unión de dos o más resistores conectados por uno de sus extremos uno a continuación del otro a lo largo de una sola trayectoria.

Fórmulas:

Circuito en paralelo: es aquel circuito en el que se conectan dos o más resistores de manera que se tienen varios caminos posibles para la corriente eléctrica. Los resistores tienen conexiones comunes, es decir, un extremo de todos los resistores están unidos a un mismo punto, que puede ser la terminal positiva de la pila y el otro extremo de todos los resistores están unidos a otro punto diferente, que puede ser la terminal negativa de la pila.