Download Descarga - Estudiante28

ELECTRICIDAD
Parte I – Electrostática
Por: Ing. Nelson Velásquez
ELECTRICIDAD

Es un fenómeno físico que ocurre cuando
la materia pierde o gana electrones.
El estudio de la electricidad se divide en
dos ramas:
 Electrostática – estudia las cargas en
reposo
 Electrocinética – estudia las cargas en
movimiento

Electrostática
Ing. Nelson Velásquez
Es la parte de la física que estudia
los fenómenos relacionados con las
cargas eléctricas en reposo.
Estos fenómenos comúnmente
ocurren en materiales aislantes de
la electricidad.
Origen de las cargas
Toda materia está compuesta por átomos.
 Los átomos están constituidos por protones
(+), neutrones (0) y electrones (-).
 Éstos últimos son partículas móviles. Entran y
salen de los átomos mientras las demás
permanecen en su sitio.

Diferencia entre materiales aislantes
y conductores
La diferencia de los distintos materiales es que
los aislantes son materiales que presentan gran
resistencia a que las cargas que lo forman se
desplacen y los conductores tienen cargas libres
y que pueden moverse con facilidad.
 En los elementos llamados conductores, algunos
de estos electrones pueden pasar libremente de
un átomo a otro cuando se aplica una diferencia
de potencial (o tensión eléctrica) entre los
extremos del conductor.

Origen de las cargas
+
― +
+
― +
―
+ ―
―
+
Neutro (0)
―
Positivo (+)
Habitualmente existen igual número de
electrones que protones en los átomos (y por
tanto en todos los cuerpos). En este caso un
cuerpo es neutro.
 Pero si los electrones se mueven fuera del
cuerpo, predominarían en número los protones.
En este caso el cuerpo queda positivo.

Origen de las cargas
+
+
+
― +
―
―
―
―
Neutro (0)

Negativo (―)
Por el contrario, si el cuerpo adquiere los
electrones, éstos predominarían en
número sobre los protones. En este caso
el cuerpo queda negativo.
Polaridad
Cuerpos con electricidad del mismo signo
se repelen y cuerpos con electricidad de
diferente signo se atraen.
¡Atención!
 En
todo caso, los que se
mueven son los electrones.
 Los protones y neutrones son
inmóviles en condiciones
normales.
Electrostática
 Los
cuerpos pueden adquirir cargas
por medio de los siguientes formas:
◦ Fricción o frotamiento
◦ Inducción
◦ Contacto
 Al
menos 2 de las 3 formas suelen
producirse juntas en el mismo
evento electrostático.
Fricción o frotamiento

Al frotar dos materiales distintos, un
número de electrones pasan de uno al
otro, resultando uno positivo (el que cede
los e-) y otro negativo (el que los
adquiere).
Fricción o frotamiento
Se denomina triboelectricidad (del
griego tribein, "frotar" y electrón,
"ámbar") al fenómeno de electrificación
por frotamiento.
 Hay materiales cuyos núcleos atómicos
tiene mayor afinidad por los electrones
que otros, lo que da lugar a la
transferencia.

Serie Triboeléctrica
Es una secuencia ordenada de materiales
con base a su electrización por
frotamiento.
 La secuencia es vertical e inicia con los
materiales que tienden a ceder electrones
(que se cargan positivamente) y
progresivamente hacia abajo continúa con
los que tienden a adquirir electrones (que
se cargan negativamente).

Serie Triboeléctrica

Frotando dos materiales de la secuencia,
el que esté en la posición más alta se
cargará positivamente, mientras que el
que se sitúe más abajo se carga
negativamente. Además cuanto más
separados estén los materiales en la tabla,
más intensa es su electrización.
Inducción

Cuando un cuerpo cargado se acerca a
otro descargado sin tocarlo, puede
producir en este una separación entre
algunas de sus cargas positivas y negativas.
Tal efecto se conoce como inducción
eléctrica.
Inducción
+
― +
―
+ ―
――― +
Negativo (―)
Neutro (0)
―
―
―
+
+
+
Neutro Inducido (0)
――― +
Negativo (―)
Inducción
De esta manera es posible interpretar por qué las
barras de plástico o de vidrio cargadas atraen trocitos
de papel. La barra cargada provoca una redistribución
de las cargas en el papel por inducción, lo que origina
una atracción entre la barra y los papelitos, pues las
cargas positivas (o negativas) del papel se ubican más
cerca de la barra de plástico (o vidrio).
Contacto
Cuando un cuerpo cargado se acerca a otro descargado sin
tocarlo, puede producir en este una separación entre algunas
de sus cargas positivas y negativas (inducción, como ya vimos).
 Pero si los cuerpos entran en contacto, lo que comúnmente
ocurre es que los electrones excedentes del cuerpo negativo
se distribuyen equitativamente entre ambos cuerpos, quedando
ambos neutros, ambos positivos o ambos negativos. Por lo que,
tras el contacto, ambos cuerpos tiendan a repelerse o a no
presentar afinidad alguna.

Contacto
―
―
―
+
+
ATRACCIÓN
―――+
+
Neutro Inducido (0)
―
―
―
+
+
+
― + ― +
― + ―
Negativo (―)
Negativo (―)
CONTACTO Y TRANSFERENCIA DE ELECTRONES
―――+
REPELENCIA
―― +
Negativo (―)
Formas de Electrización
Ing. Nelson Velásquez
En física, se denomina electrización
al efecto de ganar o perder cargas
eléctricas, normalmente electrones,
producido en un cuerpo
eléctricamente neutro, por una
causa externa al mismo.
Carga por fricción o frotamiento
También llamado el efecto
triboeléctrico.
 Una aplicación muy conocida de
este fenómeno es el generador de
Van der Graff.

Carga por el efecto fotoeléctrico

En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la
superficie de un conductor metálico al absorber energía de la
luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en
la célula fotoeléctrica, donde los electrones generados son
captados por un conductor para aprovechar la energía.
Carga por electrólisis
Algunas sustancias en disolución
acuosa son capaces de conducir la
electricidad y aún de generarla. Son los
electrolitos.
 Los electrolitos fuertes como los
ácidos, son utilizados para fabricar
diversos tipos de baterías.
 También ciertos álcalis son funcionales
como electrolitos fuertes.

Carga por efecto termoeléctrico
Es la electricidad generada por la
aplicación de calor a la unión de dos
materiales diferentes (este circuito se
denomina termopar).
 Este fenómeno fue observado por
primera vez en 1821 por el físico
alemán Thomas Seebeck, y se conoce
como efecto Seebeck.

Efecto Piezoeléctrico

La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es
un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser
sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización
eléctrica generando cargas en su superficie. El efecto
piezoeléctrico es normalmente reversible.
Campos Eléctricos
Las cargas eléctricas ejercen fuerzas
sobre los objetos sin estar en contacto
directo.
 Este fenómeno se llama campo
eléctrico y se define como sigue:
 “Espacio situado alrededor de una carga
dentro del cual se ejercen fuerzas de
atracción o repulsión”.

Campo eléctrico de una carga positiva
y otra negativa sin interacción
Interacción entre 2 campos
eléctricos de signo positivo
Interacción entre 2 campos
eléctricos de signo opuesto
Interacción entre 2 campos
eléctricos de signo negativo
Ley de Coulomb
El físico francés Charles Coulomb (17361806) estudió la fuerza (F) entre dos
cuerpos cargados y determinó las
siguientes relaciones:
 La fuerza de atracción o repulsión es
directamente proporcional a la intensidad
de las cargas eléctricas (Q1 y Q2).
 La fuerza de atracción o repulsión es
inversamente proporcional al cuadrado de
la distancia (d) entre las cargas.

Ley de Coulomb
F =
k Q1 Q2
d2
Donde:
F = fuerza en Newtons (N)
Q = carga en Colombios (C)
d = distancia en metros (m)
k = constante de Coulomb = 9 x109 Nm2/C2
Ley de Coulomb
 Si
la fuerza resultante es
positiva, significa que es fuerza
de repulsión.
 Si
la fuerza resultante es
negativa, significa que es fuerza
de atracción.
Permitividad del medio
La ecuación de Coulomb, supone que las
cargas interactúan en el vacío.
 Según la densidad del medio en que
interactúan 2 cargas, la intensidad de la
fuerza puede disminuir.
 Por ello, un factor que se agrega a la
ecuación es el coeficiente de permitividad
(Єr) que corrige el valor de la fuerza
según el medio.

Ley de Coulomb
F =
k Q1 Q2
Єr d2
Donde:
F = fuerza en Newtons (N)
Q = carga en Colombios (C)
d = distancia en metros (m)
Єr = coeficiente de permitividad
k = constante de Coulomb = 9 x109 Nm2/C2
Simplificando
F (medio) =
F
Єr
Donde:
F = fuerza en Newtons (N) en el vacío
Єr = coeficiente de permitividad
Coeficientes de Permitividad
Relativa (Єr) de algunos Medios
Medio Aislador
Permitividad Relativa (Єr)
Vacío
1.0000
Aire
1.0005
Gasolina
2.35
Aceite
2.8
Vidrio
4.7
Mica
5.6
Glicerina
45
Agua
80.5