ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA. ELECTRODINÁMICA.
La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones distribuciones de cargas estáticas. La electrostática estudia las fuerzas eléctricas producidas por distribuciones de cargas a través de conceptos tales como el campo electrostático y el potencial eléctrico y de leyes físicas como la ley de Coulomb. Históricamente la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Posteriormente, las leyes de Maxwell permitieron mostrar como las leyes de la electrostática y las leyes que gobernaban los fenómenos magnéticos pueden ser estudiados en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.
Antecedentes Históricos de la Electricidad.
Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales de Mileto , quien vivió aproximadamente en el año 600 a.C. Señalaba que al frotar el ámbar con una piel de gato, podía atraer algunos cuerpos ligeros como polvo, polvo, cabellos o paja. El físico alemán Otto de Guericke (1602-1686) construyó la primera máquina eléctrica, cuyo principio de funcionamiento se basaba en el frotamiento de una bola de azufre que giraba produciendo chispas eléctricas. El holandés Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) descubrió la condensación eléctrica, al utilizar la llamada botella de Leyden, que es un condensador experimental constituido por una botella de vidrio que actúa como aislante o dieléctrico. El norteamericano Benjamín Franklin (1706-1790) pudo observar que cuando un conductor cargado negativamente termina en punta, se acumulan los electrones en esa parte y por repulsión abandonan dicho extremo, fijándose sobre las moléculas de aire o sobre un conductor cercano cargado positivamente (tiene carencia de electrones). Aprovechó las propiedades antes descritas y propuso aplicarlas en la protección de edificios, mediante la construcción del pararrayos.
Charles Coulomb científico francés (1736-1806), estudió las leyes de atracción y repulsión eléctrica. En 1777 inventó la balanza de torsión que medía la fuerza por medio del retorcimiento de una fibra fina y rígida a la vez. El científico italiano Alessandro Volta (1745-1827), también contribuyó notablemente al estudio de la electricidad. En 1775 inventó el electróforo, dispositivo que generaba y almacenaba electricidad estática. En 1800 explicó por qué se produce electricidad cuando dos cuerpos metálicos diferentes se ponen en contacto. Empleó su descubrimiento para elaborar la primera pila eléctrica del mundo; para ello, combinó dos metales distintos con un líquido que servía de conductor.
Fue Georg Ohm , físico alemán (1789-1854), quien describió describió la resistencia eléctrica de un conductor, y en 1827 estableció la ley fundamental de las corrientes eléctricas al encontrar que existe una relación entre la resistencia de un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica. Por su parte, Michael Faraday , físico y químico inglés (1791-1867), descubrió como se podía emplear un imán para generar una corriente eléctrica en una espiral de hierro. Propuso la teoría sobre la electrización por influencia, al señalar que un conductor hueco (jaula de Faraday) forma una pantalla por las acciones eléctricas. A partir del descubrimiento de la inducción electromagnética, Faraday logro inventar el generador eléctrico. El físico inglés James Joule (1818-1889), estudió los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos eléctricos. Otros investigadores que han contribuido al desarrollo de la electricidad son: el norteamericano Joseph Henry (1797-1878), que construyó el primer electroimán; el ruso Heinrich Lenz (1804-1865), (1804-1865), quien enunció la ley relativa al sentido de la corriente inducida; el escocés James Maxwell (1831-1879), quien propuso la teoría electromagnética de la luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético; el yugoslavo Nicola Tesla (1856-1943), quien inventó el motor asincrónico y estudió también las corrientes polifásicas; y el inglés Joseph Thomson (1856-1940), quien investigó la estructura de la materia y de los electrones. En los últimos sesenta años, el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamente. Ello, debido a que se ha podido comprobar que posee muchas ventajas sobre otras clases de energía, por ejemplo: puede ser transformada fácilmente, se transporta de manera sencilla y a grandes distancias a través de líneas aéreas que no contaminan el ambiente. Se puede utilizar también en forma de corrientes muy fuertes para alimentar enormes motores eléctricos o bien en pequeñas corrientes para hacer funcionar dispositivos electrónicos. En los países desarrollados, existen actualmente varios medios para producir energía eléctrica: centrales hidroeléctricas, termoeléctricas o nucleoeléctricas, cuya finalidad es evitar el consumo excesivo del petróleo. Sendero mágico
Carga Eléctrica
En física, la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética. electromagnética. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad de la partícula para intercambiar fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que se conserva, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas presente en cierto instante no varía. Qi=Qf La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e . Los protones tienen carga positiva: +1 o +e . A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar libres en la naturaleza.
Unidad de medida en el sistema internacional
Corriente eléctrica, es el movimiento o paso de electricidad a lo largo del circuito eléctrico desde el generador de electricidad hasta el aparato donde se va a utilizar, que llamaremos receptor, a través de los conductores. Para que se origine la corriente eléctrica es necesario que en el generador se produzca una fuerza electromotriz que cree una diferencia de potencial entre los terminales o polos del generador.
A esta diferencia de potencial se le llama tensión o voltaje y se mide en VOLTIOS (V). La cantidad de electricidad que pasa por un conductor en un segundo se llama intensidad de la corriente y se mide en AMPERIOS (A). La dificultad que ofrece el conductor al paso de una corriente eléctrica se llama resistencia eléctrica y se mide en OHMIOS (W).
Así pues, tras definir estas magnitudes podemos relacionarlas relacionarlas por medio de la llamada LEY DE OHM, que nos dice que la intensidad es directamente proporcional a la tensión o voltaje e inversamente proporcional a la resistencia. Es decir que la intensidad crece cuando aumenta la tensión y disminuye cuando crece la resistencia. Esto se expresa de la siguiente forma:
TENSION E V INTENSIDAD = ------------- = --- ó --RESISTENCIA R R de donde: E ó V = I * R y R = E / I Sus unidades serán: 1 Amperio = 1 Voltio / 1 Ohmio 1 Voltio = 1 Amperio * 1 Ohmio 1 Ohmio = 1 Voltio / 1 Amperio
La unidad de intensidad es el Amperio (A), nombre dado en honor del físico francés Ampere, como en electrónica esta es una unidad muy grande para las corrientes que normalmente se controlan, definiremos sus submúltiplos más empleados: 1 MILIAMPERIO = 10-3 Amperios 1 MICROAMPERIO = 10-6 Amperios 1 A = 1.000 mA = 1.000.000 uA La unidad que nos mide la diferencia de potencial o tensión es el VOLTIO (V) llamado así en honor al físico italiano Volta, que descubrió la pila eléctrica. Para grandes potenciales se emplea el KILOVOLTIO y en los pequeños el MILIVOLTIO. 1 KILOVOLTIO = 103 Voltios 1 MILIVOLTIO = 10-3 Voltios 1 V = 0.001 KV = 1.000 mV La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el OHMIO (W), nombre dado en honor del físico alemán Ohm. Al ser una pequeña cantidad se emplean sus múltiplos: 1 KILOOHMIO = 103 Ohmios 1 MEGAOHMIO = 106 Ohmios 1 OHMIO = 0.001 K = 0.000001 M
Interacción entre cargas Las interacciones entre cargas eléctricas pueden ser atractivas o repulsivas: Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. La carga eléctrica neta de un cuerpo es la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas; un cuerpo que tiene cantidades iguales de electricidad positiva y negativa (carga neta cero) se dice que es eléctricamente neutro.
Formas de electrizar cuerpos
FROTACION El frotamiento, el contacto y la induccion son tres de las formas mas empleadas para electrizar un cuerpo. Los cuerpos cuerpos electrizados electrizados por frotamiento producen producen pequeñas chispas eléctricas si el cuerpo es obscuro se verán las chispas además de escucharse un ion se forma cuando un atomo presenta desigualdad entre el numero de cargas electricas, esto es, cuando esta electrizado. La electrizacion electrizacion por frotamiento se obtiene cuando dos cuerpos de diferente material son frotados entre si. Por ejemplo: Utilizando un simple globo frotándolo en el cabello largo por un tiempo medio se produce la electrización que provoca que el globo atraega al cabello y esto es lo que pasa el globo adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número
de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por el cabello, con lo cual se satura de cargas negativas.
CONTACTOO Este fenómeno se origina cuando un cuerpo saturado de electrones sede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto pero si un cuerpo que no tienen electrones o con carga postiva se une con otro atraerá parte de los electrones de dicho cuerpo y cuando un cuerpo posee algun tipo de carga electrica y se pone en contacto las cuales adquieren cargas iguales y se rechazan entre sI. Ejemplo: Si se frota un globo en el cabello y se ponee subre unaa
INDUCCION Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que esta neutro cuando asercamos un cuerpo electrisado a una neutro cmo resultado de esta relación la redistrubucion redistrubucion de cargas se ve alterada la carga con signo opuesto a la carga del cuerpo eletrisado se acerca a este. Cuando un campo electrico es acercado a un cuerpo neutro, este adquiere una carga del mismo signo que la del campo electrico; si se mantiene el campo electrico cerca del cuerpo llegara un momento en que estos se rechacen, pues ambos tendran carga electrica del mismo signo. Esta forma de electrizar un cuerpo se denomina inducción.
Principio de conservación de la carga
MATERIALES CONDUCTORES CONDUCTORES Y AISLANTES Una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, es posible cargarla si se la provee de un mango de vidrio o de ebonita y el met metal al no se toca toca c con on las manos manos al frotar frotarlo lo.. La expl ex pl icac ic ac ión es qu e la s carg ca rg as se pueden mover libremente en los metales y el cuerpo humano, mientras que en el vidrio y la ebonita no pued pueden en hace hacerl rlo. o. Est o s e d ebe a q ue en cie rto s materiales, típicamente en los metales metales,, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléctrica. Estas sustancias se denominan denominan conductores. E n contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas susta ncias son denom inadas aisl aislan ante tes s o dieléctricos dieléctricos.. El vidr io, la ebon ebonit ita a o el plástico son ejemplos típicos.
El electroscopio Un electroscopio es un instrumento antiguo utilizado para detectar carga y medir potencial eléctrico. Si la esfera metálica de la parte superior se pone en contacto con un conductor cargado, las delgadas hojas de metal (laminas de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el conductor. La carga en las hojas será proporcional a la diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus cargas idénticas, puede medirse observando el valor de la desviación de un escala.
También es posible cargar un electroscopio por inducción en la misma forma que la esfera de la ilustración de arriba, un electroscopio cargado puede emplearse para detectar la presencia de cargas , así como para determinar su signo. Imagine que una barra con cargas negativas se acerca al electroscopio cargado negativamente, la barra repele electrones adicionales abajo hacia las hojas se desviaran menos. Un electroscopio cargado estando al aire libre perderá gradualmente su carga debido que un pequeño número de moléculas están siendo ionizadas continuamente bajo la
acción de rayos cósmicos, algunos de estos iones pueden tomar un exceso de carga del electroscopio. electroscopio. La rapidez de carga de un electroscopio es proporcional a la cantidad de radiación de fondo (radioactividad). (radioactividad). Un electroscopio del tamaño tam año de un lápiz es un dispositivo usual utilizado para medir la dosis de radiación recibida por el personal, el valor de descarga de tal puede leerse fácilmente acercandoló a la luz. Este es el modelo de electroscopio más sencillo conocido no posee esfera solo dos tubos paralelos entre con sus chapas de oros.
La jaula de Faraday
Una jaula de Faraday es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos. Debe su nombre al físico Michael Faraday, que construyó una en 1836. Se emplean para proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo. El funcionamiento de la jaula de Farday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos actúa una fuerza dada por:
Donde e es la carga del electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva). Este desplazamiento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo eléctrico de sentido contrario al campo externo . El campo eléctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello se emplea para proteger dispositivos de cargas eléctricas. El fenómeno se denomina apantallamiento eléctrico.
LEY DE COULAMB, CAMPO ELÉCTRICO Y SU INTENSIDAD
La ley de Coulomb, que establece cómo es la f uerza entre dos cargas eléctricas puntuales, puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.
Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales experimentales directos. Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos. La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional 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 una cantidad vectorial, posee magnitud, 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 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 independiente del signo que 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. Recordemos que la unidad por carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Coulomb.
c) hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.
Campos eléctricos en diferentes sistemas
POTENCIAL ELECTRICO Diferencia de potencia o voltaje. Se denomina tensión eléctrica o voltaje a la energía potencial por unidad de carga que está asociada a un campo electrostático. Su unidad de medida en el SI son los voltios. voltios.17 A la diferencia de energía potencial entre dos puntos se le denomina voltaje. Esta tensión puede ser vista como si fuera una "presión eléctrica" debido a que cuando la presión es uniforme no existe circulación de cargas y cuando dicha "presión" varía se crea un campo eléctrico que a su vez genera fuerzas en las cargas eléctricas. Matemáticamente, la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos A y B es la integral de línea del campo eléctrico:
Unidades eléctricas de potencia
La electricidad puede producir energía de diferentes tipos, siendo la cantidad que produce por unidad de tiempo, que suele ser el segundo, lo que se llama potencia. La unidad fundamental que mide la potencia desarrollada por un elemento es el VATIO (W).
El vatio (W) es la potencia que consume un elemento al que se le ha aplicado una tensión de un voltio y circula por él una intensidad de un amperio. W=A*VyW =E*I A = Amperios V = Voltios
Como múltiplo más usual se emplea el: 1 KILOVATIO = 103 VATIOS
Como submúltiplo se utiliza el: 1 MILIVATIO = 10-3 VATIOS
Por lo tanto: 1 W = 1.000 mW = 0.001 Kw