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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 cargadas. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden
ser neutras, positivas o negativas. 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.
Propiedades eléctricas de los materiales
El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan
algunas sustancias resinosas como el ámbar, que adquieren una carga negativa al ser
frotadas con una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos pequeños. Un cuerpo
así tiene un exceso de electrones. Una varilla de vidrio frotada con seda tiene una
capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos negativamente
cargados con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga positiva, que puede
describirse como un defecto de electrones o un exceso de protones. William Gilbert
enunció la atracción y repulsión de los materiales.
Un
cuerpo
cargado
negativamente,
es
aquel
que
tiene
un
exceso
de
electrones;
un
cuerpo
cargado
positivamente,
es aquel que tiene un defecto de electrones.
Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan libres
uno o más electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material. En
algunos materiales, llamados conductores, ciertos electrones se liberan fácilmente. Los
metales, en particular el cobre y la plata, son buenos conductores.
Carga eléctrica
El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de
cargas eléctricas. El electroscopio está compuesto por dos láminas de metal muy finas,
colgadas de un soporte metálico en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no
conductor. Una esfera recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere
observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a través del soporte metálico y llegan a
ambas láminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se separan. La
distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.
Pueden emplearse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto (pasaje de cargas):
1) contacto con otro objeto de distinto material (como por ejemplo, ámbar y piel) seguido
por separación.
2) contacto con otro cuerpo cargado (corriente de electrones).
3) inducción (no hay electrones en movimiento).
Ej.: Péndulo
Lata de coca
Jaula de Faraday
Efecto de superficie
Electrosforo
Conductor eléctrico
Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad se denomina
conductor eléctrico. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal
conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las
sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de
electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de
veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. En los conductores
sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en
disoluciones y gases, lo hace por los iones.
Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se
conocen como aislantes, no conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la
goma o la madera seca.
Un tercer tipo de material es un sólido en el que un número relativamente pequeño de
electrones puede liberarse de sus átomos de forma que dejan un "hueco" en el lugar del
electrón. El hueco, que representa la ausencia de un electrón negativo, se comporta
como si fuera una unidad de carga positiva. Un campo eléctrico hace que tanto los
electrones negativos como los huecos positivos se desplacen a través del material, con lo
que se produce una corriente eléctrica. Generalmente, un sólido de este tipo, denominado
semiconductor, tiene una resistencia mayor al paso de corriente que un conductor como
el cobre, pero menor que un aislante como el vidrio. Si la mayoría de la corriente es
transportada por los electrones negativos, se dice que es un semiconductor de tipo n. Si
la mayoría de la corriente corresponde a los huecos positivos, se dice que es de tipo p.
Si un material fuera un conductor perfecto, las cargas circularían por él sin ninguna
resistencia; por su parte, un aislante perfecto no permitiría que se movieran las cargas por
él. No se conoce ninguna sustancia que presente alguno de estos comportamientos
extremos a temperatura ambiente. A esta temperatura, los mejores conductores ofrecen
una resistencia muy baja (pero no nula) al paso de la corriente y los mejores aislantes
ofrecen una resistencia alta (pero no infinita).
Conductores
Buen
conductor
Semiconductor
Mal conductor o aislador
Carga punto
Es un modelo que se caracteriza por no tener masa, por lo tanto no es afectada por la
gravedad y no tiene dimensiones. Se define Coulomb como la carga que tiene un punto
que colocado en el vacío a un metro de otra igual, la repele con una fuerza de 9.109
Newton.
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre
dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen
la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede
medirse en coulomb. La fuerza (F) entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede
calcularse a partir de la ley de Coulomb:
F = ko.q1.q2/r ²
r: distancia entre cargas
ko: constante de proporcionalidad que depende del medio que rodea a las cargas.
ko = 9.109 N.m ²/C ²
Toda partícula eléctricamente cargada crea a su alrededor un campo de fuerzas. Este
campo puede representarse mediante líneas de fuerza que indican la dirección de la
fuerza eléctrica en cada punto.
*Autor: Ricardo Santiago Netto.
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/electroestatica/ap01_carga_electrica.php
Campo eléctrico
Antecedentes históricos de la electricidad
Llamamos interacción electrostática es aquella que se ejerce entre cargas en reposo.
La raíz de los términos "electricidad", "electrón", o "electrónica" viene del ámbar, (material
amarillo y transparente en cuyo interior se han encontrado insectos fosilizados ) que en la
antigua Grecia (Tales de Mileto) se denominaba elektron. Era conocida la propiedad que
tenía de atraer pequeños trozos de paja cuando era sometida a frotamiento. En aquella
época no se le encontraba explicación.
En 1600 William Gilbert (1544-1603) encontró que numerosos
materiales (vidrio, azufre, sal, resina...) presentaban al ser frotados
propiedades similares a las del ámbar, los llamó eléctricos. El
término magnético viene de magnesia, región de la antigua Grecia
donde se descubrió la magnetita
Otto von Guericke construyó la primera máquina de electrizar por frotamiento.
Stephen Gray (1670 - 1736) realizó algunos experimentos y encontró que la electricidad
se transfería de unos cuerpos a otros si se conectaban con un material metálico. Esto
quiere decir que la electricidad no se produce sólo por frotamiento.
En 1730, Charles du Fay (1698- 1739) dice que hay dos tipos de atracción electrostática:
atractiva y repulsiva. La repulsiva tenía lugar entre materiales idénticos frotados de la
misma manera. A raíz de estas experiencias Jean Antoine Nollet (1700- 1770) habla de
dos tipos de fluido eléctrico (vítreo y resinoso). Lichtensbergh habla de dos clase de
electricidad, positiva (la del vidrio) y negativa (la de la ebonita).
Benjamín Franklin (1706- 1790) habla de un único fluido. Según esta teoría cada cuerpo
tiene la cantidad justa de fluido eléctrico: al frotar un cuerpo contra otro se produce un
desequilibrio quedando uno de los cuerpos con defecto de fluido al que represento con un
menos y otro con exceso al que representó con un más. La carga eléctrica no se crea,
sólo se separa. La electricidad positiva era la vítrea y la negativa la resinosa.
Hoy sabemos que el vidrio al ser frotado pierde electrones y queda cargado
positivamente, mientras que el ámbar al ser frotado gana electrones y queda cargado
negativamente.
Hacia 1760, Bernoulli, Priestly, y Cavendish llegaron la conclusión de que la interacción
electrostática varía conforme al inverso del cuadrado de la distancia, igual que la
gravitatoria.. En 1785 Charles Coulomb (1736- 1806) midió esa dependencia
estableciendo la Ley que lleva su nombre.
En el siglo XVIII los científicos determinaron que la electricidad y el magnetismo eran
fenómenos relacionados.
En la primera mitad del XIX Michael Faraday (1791- 1867) y Humphry Davy, con
experimentos de electrólisis sugirieron que la electricidad estaba constituida por
corpúsculos materiales cargados.
George Stoney (1826- 1911) denominó electrones a esos corpúsculos. En 1897
Thomson (1856-1940 ) descubrió los electrones.
La materia está constituida por átomos y estos a su vez por electrones, protones y
neutrones. El protón y el electrón tienen carga eléctrica, positiva y negativa
respectivamente.
A partir de estos conocimientos y del modelo atómico de Rutherford se sabe que los
electrones constituyen la corteza del átomo y se encuentran unidos al núcleo por fuerzas
eléctricas, que son más débiles que las que mantienen unidas las partículas del núcleo.
Es relativamente fácil romper estas uniones y por tanto separar los electrones.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es la propiedad de la materia que señalamos como causa de la
interacción electromagnética. Se dice que un cuerpo está cargado positivamente cuando
tiene un defecto de electrones. Se dice que un cuerpo está cargado negativamente
cuando tiene un exceso de electrones. Por tanto también podemos definir la carga
eléctrica como el exceso o defecto de electrones que posee un cuerpo respecto al estado
neutro.
La unidad de carga en el sistema internacional es el culombio (C ) que es la cantidad de
carga que atraviesa una sección de un conductor en un segundo cuando la intensidad de
la corriente es de un amperio. Se usan también el microculombio (1 μC = 10-6C) , el
nanoculombio (1nC = 10-9C) o el picoculombio (1pC = 10-12C)
Propiedades:
• El frotamiento no genera corriente eléctrica.
• La carga eléctrica está cuantificada y su unidad más elemental es la carga del electrón.
Cualquier carga es múltiplo entero del la carga del electrón y su valor es e = 1,6•10-19 C.
Es una magnitud escalar. Por tanto un Culombio son 6,25•1018 e.
• Las cargas son acumulativas. Llega un momento en que no se admite más carga y se
escapa la carga.
• Existen dos tipos de carga, positiva o negativa. La interacción electrostática entre cargas
del mismo signo es repulsiva, mientras que la interacción entre cargas de signo opuesto
es atractiva.
• La carga eléctrica se conserva en cualquier proceso que tenga lugar en un sistema
aislado. Al frotar un bolígrafo de plástico con un paño de lana no se crea una carga neta.
Algunos electrones pasan del paño a l bolígrafo de modo que el número de electrones en
exceso en el bolígrafo es justamente el número de electrones en defecto del paño. El
bolígrafo adquiere carga negativa y el paño positiva.
• La carga de un electrón es igual a la carga de un protón, cambiada de signo. El protón
tiene más masa. mp= 1846 me
• La carga total de un sistema no varía por el movimiento de los portadores de carga. Si
no fuera así, una vez que un electrón abandona un átomo no podría volver a equilibrar la
carga de un protón y la materia no se encontraría neutra.
Se denomina conductores a los cuerpos que dejan pasar fácilmente la electricidad a
través de ellos (metales) y aislantes o dieléctricos a los que no la dejan pasar. No hay
aislantes perfectos por lo que muchas veces hablamos de buenos o malos conductores.
Ley de Coulomb
Se refiere a la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas. Es el
equivalente a la ley de la gravitación universal.
"La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente
proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa".
Es válido para cargas puntuales o puntiformes, es decir para aquellas cuyo tamaño es
mucho menor que la distancia entre ellas.
- significa fuerza atractiva
+ significa fuerza repulsión
*Autor: Leandro Bautista
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/electroestatica/ap05_campo_electrico.php
Intensidad de campo
Un cuerpo o una partícula cargada eléctricamente crea a su alrededor una propiedad
denominada campo eléctrico que hace que al colocar cualquier otro cuerpo dotado de
carga eléctrica en sus proximidades actúe sobre él una fuerza eléctrica.
Si sobre q aparece una fuerza diremos que estamos dentro
del campo eléctrico de Q.
F=0
Se define intensidad del campo eléctrico E en un punto como la fuerza a la que estaría
sometida la unidad de carga positiva colocada en dicho punto. E = (F/q) [N/C]
Líneas de fuerzas
Líneas de fuerzas del campo eléctrico son líneas imaginarias y son la trayectoria
que seguiría la unidad de carga positiva dejada en libertad dentro del campo
eléctrico.
Criterios para dibujarlas
1. Las líneas de fuerza salen de las cargas positivas (fuentes) y entran en las cargas
negativas (sumideros). Si no existen cargas positivas o negativas las líneas de campo
empiezan o terminan en el infinito.
2. El número de líneas que entran o salen de una carga puntual es proporcional al valor
de la carga.
3. En cada punto del campo, el número de líneas por unidad de superficie perpendicular a
ellas es proporcional a la intensidad de campo.
4. Dos líneas de fuerza nunca pueden cortarse. (El campo en cada punto tiene una
dirección y un sentido único. En un punto no puede haber dos líneas de fuerza ya que
implicaría dos direcciones para el campo eléctrico.
Una carga puntual positiva
Dos cargas puntuales del mismo signo
Una carga puntual negativa
Dos cargas puntuales de diferente signo
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/electroestatica/tp04_fuerza_electrica.php
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