TEMA IV

ELECTRICIDAD Y CORRIENTE ELÉCTRICA

CONTENIDOS1. Introducción.2. Carga eléctrica.3. Ley de Coulomb.4. Campo Eléctrico.5. Potencial Eléctrico.6. Energía acumulada.7. Corriente Eléctrica. Circuitos en

serie y paralelo.

1.Introducción.• Los primeros fenómenos que se

observaron sobre la electricidad se remontan a la era de los griegos.

• Un material llamado “ámbar”, cuando era frotado, era capaz de atraer otros objetos, al adquirir cierta carga.

• A estos fenómenos se los llamó eléctricos, debido a que ambar=elektron, en griego.

• En el siglo XVII, William Gilbert, descubrió que otros materiales tenían un comportamiento idéntico al ámbar, llamo a estos materiales “eléctricos”.

• En 1747 Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad, positiva y negativa.

Ám b a r , resina fósil que en tiempos prehistóricos exudaba de diversas coníferas ahora extinguidas. Suele ser de color amarillo o tostado. Se encuentra en trozos redondeados e irregulares, en granos o en gotas, es algo frágil y emite un agradable olor cuando se frota. El ámbar arde con una llama brillante, emite un olor agradable, y adquiere carga eléctrica negativa por rozamiento.

MICHAEL FARADAYFue Michael Faraday en el siglo XIX, quien descubrió en sus experimentos de electrólisis, que la electricidad no era un fluido, sino que parecía estar formada por partículas que se atraían y repelían, según una característica llamada carga.

La c a r g a.e lé c t r ic a

• Cabe preguntarse ¿Quién es la causante de que aparezca una interacción electroestática?

• La respuesta es la carga eléctrica.• Lo que se puede decir es que en la naturaleza existe una partícula

fundamental de la materia que tiene carga eléctrica, el electrón, que no puede ser eliminada.

• Fueron descubiertos por el norteamericano Thompson en 1897, pero su valor fue medido por el también estadounidense Robert Millikan en1909.

• La carga eléctrica del electrón es 1,602*10-19 Culombios.• En cuanto al comportamiento de la carga eléctrica debemos comentar

que:• Existen dos tipos de carga, debido a los dos tipos

de electrización, atracción y repulsión.• Un hecho destacable es que cualquier valor de

carga eléctrica, siempre es múltiplo entero de la carga de un electrón.

• Por lo que la cantidad de electricidad que posea un cuerpo, debe estar relacionada con la cantidad de electrones que posea, en exceso o defecto.

• La carga eléctrica se conserva en cualquier proceso. Si un cuerpo pierde carga es porque otro la adquiere.

• La carga eléctrica puede se positiva o negativa, según la materia posea un defecto o exceso de electrones.

Conductores y aislantesToda la materia tiene naturaleza eléctrica, es decir, esta conformada por electrones, contenidos en todos los átomos de ese material.Los materiales se pueden clasificar según puedan, retener la carga o cederla.Por ejemplo, en un circuito con una pila y una bombilla intercalamos un bolígrafo y un trozo de cobre.En el primer caso la bombilla no se enciende, y en el segundo caso si.¿Por qué ocurre eso si toda la materia tiene naturaleza eléctrica?

.Aislante Es todo material que es

capaz de retener la carga en una región del espacio, y no permite que fluya hacia otros cuerpos con los que esté en contacto.

.ConductorEs capaz de transferir la carga a otros cuerpos, permite que exista un flujo neto de ella.

.SemiconductoresTambién existen materiales que tienen propiedades intermedias, es decir, bajo una serie de condiciones se comportan como conductores y en otras como aislantes..A diferentes temperaturas, concentraciones, etc…, se suelen manifestar ambos comportamientos.

2 . Le y d e C o u lo m b

En el siglo XVIII, fue enunciada por el personaje de su mismo nombre.

Utilizó la balanza de torsión para determinarla (explicar).

La expresión de la Ley de Coulomb es:

Fqq’ = Kqq’/r2

La fuerza entre cargas es directamente proporcional al valor de éstas.

Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

K, es la cte, eléctrica y su valor es 9*109 Nm2/C2

q y q’, son los valores de las cargas expresadas en culombios.

r es la distancia entre las cargas expresadas en metros.

CULOMBIOض Las unidades eléctricas empleadas en

técnica y ciencia se definen en el Sistema Internacional de unidades. Sin embargo, se siguen utilizando algunas unidades más antiguas.

ض La unidad de carga eléctrica es el culombio, que es la cantidad de electricidad que pasa en un segundo por cualquier punto de un circuito por el que fluye una corriente de 1 amperio

ض Se define en función de la corriente eléctrica.

ض La unidad en el sistema internacional de carga eléctrica es el Coulomb, C, en honor a Charles Coulomb, quien investigó las fuerzas entre objetos cargados a finales de 1780.

ض Esta unidad fue definida mucho antes de que la estructura del átomo fuera comprendida, por lo que no esta comprendida con la unidad fundamental de carga e- de una manera simple.

ض 1C, es la carga contenida en 6,242*1018 protones.

ض Por lo tanto un objeto no cargado ( neutro), tiene una enorme cantidad de carga positiva en forma de protones, equilibrada por una enorme cantidad de carga negativa ( electrones).

ض Cuando dos materiales inicialmente neutros se frotan, lo que ocurre es que las nubes de electrones de ambos se entremezclan , y cuando se separan los átomos de la superficie jalan de los electrones, creando un déficit en una de las superficies y un exceso en la otra.

ض Existen materiales con mejor tendencia a ganar electrones, por ejemplo el caucho, mas que otros como la tela o piel, por eso al frotar un globo de caucho con un trozo de tela, el globo queda cargado positivamente y la tela negativamente.

ض Este fenómeno se llama ELECTRIZACION POR FROTAMIENTO.

Balanza de torsión٣ 1777 En inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción magnética y

. , , eléctrica Con este invento Coulomb pudo establecer el principio conocido ahora

, .como ley de Coulomb que rige la interacción entre las cargas eléctricas

٣ , , Balanza de torsión dispositivo que mide fuerzas eléctricas magnéticas o gravitatorias , muy pequeñas a partir del ángulo que forma un brazo al girar antes de que la

. resistencia ejercida por la fuerza de torsión detenga su movimiento Fue diseñada , originalmente por el geólogo británico John Michell y mejorada por el químico y

. físico de la misma nacionalidad Henry Cavendish

٣ , Una balanza de torsión está formada por dos esferas pequeñas que suelen tener una 1 masa del orden de g y van unidas a los extremos de una varilla horizontal suspendida

, , por su centro de un alambre fino o en los experimentos más recientes de una fibra de. , , cuarzo Si por ejemplo se colocan dos esferas grandes de plomo junto a las esferas de

, , la balanza pero en lados opuestos las esferas de la balanza se verán atraídas por las .esferas grandes y el alambre o la fibra experimentará una torsión

٣ El grado de torsión se mide a través del movimiento de un rayo de luz reflejado por la . varilla sobre una escala Esto permite hallar la fuerza gravitacional entre las dos masas

( ). , véase Gravitación En los experimentos eléctricos las masas se sustituyen por , conductores cargados mientras que para estudiar los efectos magnéticos se emplean

.dos imanes

Funcionamiento de la balanzaی Coulomb empleó una balanza de torsión para estudiar

las fuerzas electrostáticas. Para ello cargó una esfera fija con una carga q1 y otra esfera, situada en el extremo de una varilla colgada, con una carga q2. La fuerza ejercida por q1 sobre q2 tuerce la varilla y la fibra de la que cuelga.

ی Girando el cabezal de suspensión en sentido contrario se mantienen las esferas a la distancia original. La fuerza se mide por el ángulo que hay que girar el cabezal.

ی Coulomb halló que la fuerza ejercida por una carga sobre otra es directamente proporcional al producto de ambas cargas (q1q2). También observó que la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre las esferas cargadas. Esta relación se conoce como ley de Coulomb.

Campo eléctrico Los físicos de medidas del S. XIX dieron un paso crucialض

hacia una mejor comprensión de los fenómenos electromagnéticos mediante el desarrollo de una idea, que era el modelo de Campo.

La Ley de Coulomb representa como dos cargas puntualesضq1 y q2, interaccionan directamente, a lo largo de la línea que las une. Este modelo se denomina acción a distancia y es análogo al que promulgaba Newton.

Consistía en que las partículas interaccionaban aunضestando separadas e instantáneamente además de implicar que las cargas deben estar en reposo. Lo cual indicaría que sería posible fabricar un dispositivo queque permitiera una comunicación instantánea a través de grandes distancias.

Pero esto es inconsistente con la teoría de la relatividad, laضcual dice que nada puede viajar mas rápido que la velocidad de la luz.

En el modelo de Campo se supone que el espacio esta lleno de algo llamado campo eléctrico. El campo ocupa todos los puntos del espacio, es decir, se le asigna un valor numérico del campo eléctrico a cada punto del espacio.

En este modelo, las cargas no ejercen fuerzas directamente sobre otras, sino que reaccionan al campo creado por las otras en su vecindad.

Por lo tanto el campo es el medio de interacción entre dos partículas.

¿Cómo se resuelve el problema de la acción instantánea de Coulomb? Muy fácil. En primer lugar cuando una carga aparece en un punto del espacio,

llena a este de campo eléctrico, dando valor a todos sus puntos, y no de manera inmediata sino con cierto retardo.

En segundo lugar, si una partícula se mueve no afecta directamente a la partícula que tiene al lado, sino que modifica os valores del campo de su vecindad, estos a su vez alteran los valores en ubicaciones ligeramente distantes y así sucesivamente.

Por lo tanto la interacción entre cargas toma el campo como medio de contacto entre cargas y no se produce de manera instantánea.

Aparece una fuerza eléctrica sobre una carga porque el punto que ocupa tiene un valor de campo eléctrico debida a otra carga.

Se asemeja a lo que le ocurre a las ondas sobre la superficie de un estanque. La velocidad a la que viajan estos cambios es igual o menor a la de la luz. La teoría electromagnética de Maxwell, con sus ecuaciones y posteriormente la

teoría de la Relatividad de Einstein, proporcionan la base teórica de estos fenómenos.

Pero esto es ya otra historia.

ی ¿Qué cantidad numérica debería ser asignada a cada punto del espacio?

ی La respuesta es sencilla, el valor del campo en un lugar del espacio no debería depender de la carga que ocupe ese espacio sino de la carga que lo crea.

ی Si la acción básica de un campo es ejercer una fuerza sobre una carga, lo definiremos en términos de fuerza.

ی Pondremos una carga de prueba q en reposo en un punto del espacio.

ی La fuerza sobre ella se debe al campo creado por otra carga Q situada en otro punto del espacio.

ی El campo eléctrico es un vector E, y se define como:

ی E = F/q.

ی Esto se realiza de esta manera, debido a que al dividir la fuerza entre el campo, hacemos a este independiente de la carga de prueba, solo dependerá del valor de la carga que crea el campo, Q, y de la distancia que separa Q del punto donde se coloca q.

ی E = F/q = (KqQ/r2)/q ur = KQ/r2 ur

q

Q

u r

r

E

F

Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas

y por la interacción de las mismas. Cuando una carga

eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras

cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos

eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las

partículas con carga. En lo que respecta a los efectos eléctricos,

estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas

(véase Átomo). La electricidad se ocupa de las partículas cargadas

positivamente, como los protones, que se repelen

mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se

repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y

positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse

diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se

atraen.

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Propiedades eléctricas de los sólidos

Repulsión entre cargas del mismo signo Dos varillas con

cargas del mismo signo se repelen. Para observarlo pueden frotarse dos varillas del mismo material (por ejemplo, vidrio)

empleando el mismo método (por ejemplo, un paño de seda). Al ser del mismo material y haber sido frotadas de la misma forma, las

varillas adquieren cargas del mismo signo. Si se cuelga una varilla de un hilo de forma que

pueda girar y se le acerca la otra, la primera gira alejándose de la segunda, lo que demuestra que las cargas se repelen. Si las dos varillas tuvieran cargas de signo opuesto, la primera se acercaría

a la segunda, puesto que las cargas de distinto signo se

atraen.© Microsoft Corporation.

James Clerk Maxwell Conocido como uno de los

científicos más destacados del siglo XIX, James Clerk Maxwell

desarrolló una teoría matemática que relaciona las propiedades de

los campos eléctricos y magnéticos. Los trabajos de

Maxwell lo llevaron a predecir la existencia de las ondas

electromagnéticas, e identificó la luz como un fenómeno electromagnético. Sus

investigaciones contribuyeron a algunos de los descubrimientos

más importantes en el campo de la física durante el siglo XX, incluidas la teoría de la relatividad especial

de Einstein y la teoría cuántica.Enciclopedia

EncartaHulton Deutsch

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Balanza de torsión de Coulomb Coulomb empleó una balanza de torsión para estudiar las fuerzas electrostáticas. Para ello cargó

una esfera fija con una carga q1 y otra esfera, situada en el

extremo de una varilla colgada, con una carga q2. La fuerza

ejercida por q1 sobre q2 tuerce la varilla y la fibra de la que cuelga.

Girando el cabezal de suspensión en sentido contrario

se mantienen las esferas a la distancia original. La fuerza se mide por el ángulo que hay que girar el cabezal. Coulomb halló que la fuerza ejercida por una

carga sobre otra es directamente proporcional al producto de

ambas cargas (q1q2). También observó que la fuerza es

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre

las esferas cargadas. Esta relación se conoce como ley de

Coulomb.Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005 © 1993-2004

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