Electricidad

Electricidad:

Carga eléctrica:

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 :

q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2

d = Distancia de separación entre las cargas
Fe = Fuerza eléctrica

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

Dirección de la fuerza eléctrica

Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. 

Sentido de la fuerza eléctrica

El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

Fuerzas originadas por varias cargas sobre otra

Si se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.

Las fuerzas eléctricas son las responsables del funcionamiento de cualquier instalación eléctrica. Explican por ejemplo cómo fluye la corriente en un circuito, están presentes en la mayoría de nuestras actividades diarias, desde el uso de la luz eléctrica para iluminarnos o el de aparatos como la lavadora o el frigorífico. Además son responsables de una gran cantidad de fenómenos naturales. También los procesos químicos como la formación de enlaces o el metabolismo de nuestro propio cuerpo son gobernados por este tipo de fuerzas.

La carga eléctrica de un cuerpo tiene su origen en la estructura atómica de la materia. Los átomos tienen un núcleo formado por protones, de carga positiva y neutrones, sin carga eléctrica. La corteza del átomo se forma por lo electrones, partículas con carga negativa y del mismo valor absoluto a la carga del protón.

En ocasiones se producen movimientos de electrones que pasan de unos materiales a otros, para que existan igual número de electrones que de protones. Por ejemplo, sabemos que hay sustancias como los plásticos o los vidrios que al frotarlos con un paño de algodón o de lana son capaces de atraer objetos pequeños, como trocitos de papel o cabellos.

Campo eléctrico:

El campo eléctrico se dá cuando existe 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 (campo 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:

La letra con la que se representa el campo eléctrico es la E.

Al existir una carga sabemos que hay un campo eléctrico entrante o saliente de la misma, pero éste es comprobable únicamente al incluir una segunda carga (denominada carga de prueba) y medir la existencia de una fuerza sobre esta segunda carga.

Algunas características

- En el interior de un conductor el campo eléctrico es 0.
- En un conductor con cargas eléctricas, las mismas se encuentran en la superficie.

Determinación del campo eléctrico

Existen básicamente dos formas de determinar el valor del campo eléctrico. La primera es utilizando una carga de prueba y la segunda es conociendo el valor de la carga que lo genera y la distancia a la misma.

Con una carga de prueba

Un primer caso es aquel donde no sabemos cual es la carga que genera el campo ni a que distancia se encuentra, entonces utilizamos una segunda carga de prueba. Por lo tanto, si sabemos que hay un campo generado por otra carga que no conocemos, ponemos una segunda carga cuyo valor conocemos y medimos la fuerza actuante sobre la misma. Debemos utilizar una carga (que por convención es positiva) muy pequeña de tal manera de que no modifique el campo eléctrico que medimos.

Valor del campo

F   = Módulo de la fuerza que obtenemos
qo = Valor de la carga de prueba.
E   = Valor del campo eléctrico en ese lugar.

Dirección del campo:

El campo tiene la misma dirección que la fuerza eléctrica.

Sentido del campo:

Sabemos que los campos eléctricos son salientes de cargas positivas y entrantes a cargas negativas. Por lo tanto si la carga de prueba que estamos usando es positiva, la fuerza eléctrica tendrá el mismo sentido que el campo (alejándose de la carga positiva que lo genera).

Conociendo la carga que lo genera:

Si conocemos la carga que genera el campo y a qué distancia se encuentra, podemos determinar el campo a una determinada distancia de la misma.

Valor del campo

Sentido y dirección del campo:
Si la carga que lo genera es positiva el campo es radial y saliente. En cambio si es negativa es radial y entrante

ejemplo de campo:

En el circuito emisor de una estación de radio, por ejemplo y en el circuito detector de los aparatos se encuentra una antena que en su forma más simple consiste en una varilla metálica. Cada estación emisora transmite sus programas con una frecuencia determinada, haciendo que en la antena los electrones se muevan periódicamente de un extremo a otro de la misma. Es decir, si en un instante un extremo de la varilla tiene exceso de electrones (carga negativa), el otro extremo tiene déficit de electrones (carga positiva). Un instante después se invierte la polaridad.

Potencial eléctrico:

El potencial eléctrico o potencial electrostático en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia,¹ dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:

El potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz. Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca allí.

Capacitancia:

En electromagnetismo y electrónica, la capacitancia¹ o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión matemática:

donde:

•  es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.
•  es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;
•  es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.

Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.

En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivando respecto al tiempo la ecuación anterior.

Corriente eléctrica:

Siempre que se mueven cargas eléctricas de igual signo se establece una corriente eléctrica. Para definir la corriente de manera más precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A, como en la figura 27.1. (Esta sería el área de la sección transversal de un alambre, por ejemplo.) La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si Q es la cantidad de carga que pasa por esta rea en un intervalo de tiempo  t, la corriente promedio, Ipro, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo: 

Fuentes de voltajeLa carga no fluye a menos que haya una diferencia de potencial. Todo dispositivo que suministre una diferencia de potencial se llama fuente de voltaje. Esos generadores de electricidad como las pilas, acumuladores, baterías, dínamos, dan origen a una corriente que circula en un solo sentido, por mantenerse constante la polaridad de los bornes o polos del generador. En este caso la corriente se llama continua o directa y se representa por las inicial (D.C o C.C) o por un segmento rectilíneo (-) .

Otros generadores de electricidad, como los que producen corriente por magnetismo, llamados alternadores, dan origen a corrientes que cambian de sentido muchas veces por segundo, debido a que la polaridad de los bornes o polos cambia periódicamente. En este caso la corriente se llama alterna y se representa por las iniciales CA o por una sinusoide(˜ ˜)

Cuando entre dos puntos de una región se produce un movimiento de cargas eléctricas, ya sean positivas o negativas, se dice que existe una corriente eléctrica. El sentido (convencional) de una corriente eléctrica es el movimiento de las cargas positivas. Por tanto, como las cargas positivas se mueven en la dirección del campo eléctrico, el sentido de una corriente eléctrica es siempre el del campo eléctrico aplicado o, lo que es igual, el sentido de la corriente va siempre del punto de potencial eléctrico más alto al de potencial eléctrico más bajo. CORRIENTE CONTINUA: La corriente continua (CC) o corriente directa (CD) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. En la corriente continua los electrones fluyen siempre en el mismo sentido, moviéndose del polo negativo al positivo. La corriente continua la producen las baterías, las pilas y las dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada).

La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta.

En la gráfica V-t (tensión-tiempo) se representa como una línea recta de valor.

Corriente Alterna:

ž Se denomina  corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclica mente. 

žLa casa se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y las empresas.

Sin embargo, las señales de radio transmitidas por cables eléctricos

Son también ejemplos de Corriente Alterna. En estos usos, el fin mas importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada sobre la señal de la CA.

žLa Corriente Alterna circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.

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žEste tipo de corriente es la que nos llega a nuestra casas y las usamos para alimentar la TV, la lavadora, el refrigerador, entre otros.

Ley de OHM:

La ley de Ohm dice que la intensidad de la corriente que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta constante es la conductancia eléctrica, que es la inversa de la resistencia eléctrica.

La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad específica de ciertos materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss, por ejemplo.

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia enohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.¹

Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.

Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen permanente (véase también «Circuito RLC» y «Régimen transitorio (electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura

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