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ELECTRICIDAD ESTÁTICA (Actualizado: 13/01/31)

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Física II. Electricidad y magnetismo y laboratorio

 © Documento actulizado el 31 de enero de 2013 por esther londolo a.

Electricidad estática  

Trata las nociones básicas de la energía potencial estática, su almacenamiento, generación y uso y las magnitudes relacionadas como: potencia, corriente, campo,  fuerza eléctrica, carga y su naturaleza.

VISION GENERAL

  • Palabras clave
  • Objetivos
  • Introducción
  • Glosario
  • Recursos bibliográficos
  • Retroalimentación

 

Lecciones

Lección 1. Generación de la energía eléctrica estática. Generalidades

Lección 2. Naturaleza de la electricidad

Lección 3. Variables relacionadas con la electricidad

a) Potencia eléctrica

b) Potencial eléctrico

c) Fuerza eléctrica y campo eléctrico

d) Corriente eléctrica 

Lección 4. Naturaleza de la carga eléctrica


Lecturas recomendadas

Lectura 1. Precauciones para trabajar en las prácticas de electricidad y magnetismo

Lectura 2. Bioluminiscencia o las batería vivientes

Lectura 3. La electricidad y el organismo

Lectura 4. La electrólisis

Lectura 5. Experimento de MilliKan

Lectura 6. Máquinas electrostáticas

 

CONTENIDO

VISION GENERAL

  • Palabras clave: energía potencial eléctrica, potencia eléctrica, corriente eléctrica, campo eléctrico,
    fuerza eléctrica, electricidad estática,  carga eléctrica, electrón, átomo, materia. 

  • Objetivos    

El estudiante adquiere la capacidad de:

-expresar con coherencia y claridad como se produce: la energía electrostática, el potencial eléctrico, la potencia eléctrica, la corriente eléctrica, el campo eléctrico, la fuerza eléctrica, la carga eléctrica y su naturaleza

-realizar ejercicios numéricos que permitan calcular la capacitancia, la energía electrostática, la potencia eléctrica, el potencial eléctrico, el campo eléctrico, la corriente eléctrica y la carga eléctrica.

-comprobar la ley cualitativa de la electrostática

 

  • Introducción

El estudio de la energía electrostática abarca la carga eléctrica en reposo y las magnitudes relacionadas con la misma como energía potencial eléctrica, potencia, corriente, campo eléctrico, fuerza eléctrica, carga eléctrica y su naturaleza.

 

  • Glosario

Acreditación: procedimiento mediante el cual se reconoce la competencia técnica y la idoneidad de organismos de certificación e inspección, así como laboratorios de ensayo y de metrología.

Acto inseguro: violación de una norma de seguridad ya definida.

Aislamiento funcional: Es el necesario para el funcionamiento normal de un aparato y la protección contra contactos directos.

Aislador: elemento aislante diseñado de tal forma que soporte un conductor y lo separe eléctricamente de otros conductores.

Alto riesgo: entiéndase como ALTO RIESGO aquel riesgo cuya frecuencia esperada de ocurrencia y gravedad de sus efectos puedan comprometer fisiológicamente el cuerpo humano, produciendo efectos como quemaduras, impactos, paro cardíaco, fibrilación; u otros efectos físicos que afectan el entorno de la instalación eléctrica, como contaminación, incendio o explosión. La condición de ALTO RIESGO se puede presentar por: deficiencias en la instalación eléctrica y práctica indebida de la electricidad.

Batería de acumuladores: equipo que contiene una o más celdas electroquímicas recargables.

Carga normalizada: término aplicado a cercas eléctricas. Es la carga que comprende una resistencia no inductiva de 500 ohmios ± 2,5 ohmios y una resistencia variable, la cual es ajustada para maximizar la energía de impulso en la resistencia.

Capacidad nominal: el conjunto de características eléctricas y mecánicas asignadas a un equipo eléctrico por el diseñador, para definir su funcionamiento bajo unas condiciones específicas.

Central o planta de generación: es toda instalación en la que se produzca energía eléctrica, cualquiera que sea el procedimiento empleado.

Cerca eléctrica: Barrera para propósitos de manejo de animales, que forma un circuito de uno o varios conductores sostenidos con aisladores, a una altura apropiada, de tal forma que no reciban descargas peligrosas los animales ni las personas.

Conductor energizado: todo aquel que no está conectado a tierra.

Contacto directo: es el contacto de personas o animales con conductores activos de una instalación eléctrica.

Contacto eléctrico: acción de unión de dos elementos con el fin de cerrar un circuito. Puede ser de frotamiento, de rodillo, líquido o de presión.

Contacto indirecto: es el contacto de personas o animales con elementos puestos accidentalmente bajo tensión o el contacto con cualquier parte activa a través de un medio conductor.

Pararrayos: elemento metálico resistente a la corrosión, cuya función es interceptar los rayos que podrían impactar directamente sobre la instalación a proteger. Más técnicamente se denomina terminal de captación.

Peligro: exposición incontrolada a un riesgo.

Perturbación electromagnética: cualquier fenómeno electromagnético que puede degradar las características de desempeño de un equipo o sistema.

Precaución: actitud de cautela para evitar o prevenir los daños que puedan presentarse al ejecutar una acción.

Prevención: evaluación predictiva de los riesgos y sus consecuencias. Conocimiento a priori para controlar los riesgos. Acciones para eliminar la probabilidad de un accidente.

Previsión: anticipación y adopción de medidas ante la posible ocurrencia de un suceso, en función de los indicios observados y de la experiencia.

Primeros auxilios: todos los cuidados inmediatos y adecuados, pero provisionales, que se prestan a alguien accidentado o con enfermedad repentina, para conservarle la vida.

Puerta cortafuego: puerta que cumple los criterios de estabilidad, estanqueidad, no emisión de gases inflamables y aislamiento térmico durante un período de tiempo determinado.

Punto caliente: punto de conexión que esté trabajando a una temperatura por encima de la normal, generando pérdidas de energía y a veces, riesgo de incendio.

Punto neutro: es el nodo o punto de un sistema eléctrico, que para las condiciones de funcionamiento previstas, presenta la misma diferencia de potencial con relación a cada una de las fases.

Quemadura: conjunto de trastornos tisulares, producidos por el contacto prolongado con llamas o cuerpos de temperatura elevada.

Rayo: la descarga eléctrica atmosférica o más comúnmente conocida como rayo, es un fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la ionosfera.

Receptor: todo equipo o máquina que utiliza la electricidad para un fin particular.

Red interna: es el conjunto de redes, tuberías, accesorios y equipos que integran el sistema de suministro del servicio público al inmueble a partir del medidor. Para edificios de propiedad horizontal o condominios, es aquel sistema de suministro del servicio al inmueble a partir del registro de corte general cuando lo hubiere.

Reglamento técnico: documento en el que se establecen las características de un producto, servicio o los procesos y métodos de producción, con inclusión de las disposiciones administrativas aplicables y cuya observancia es obligatoria.

Resguardo: medio de protección que impide o dificulta el acceso de las personas o sus extremidades, a una zona de peligro.

RETIE O Retie: Acrónimo del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas adoptado por Colombia.

Riesgo: condición ambiental o humana cuya presencia o modificación puede producir un accidente o una enfermedad ocupacional. Posibilidad de consecuencias nocivas o perjudiciales vinculadas a exposiciones reales o potenciales.

Riesgo de electrocución: posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través de un ser vivo.

Seguridad: estado de riesgo aceptable o actitud mental de las personas.

Señalización: conjunto de actuaciones y medios dispuestos para reflejar las advertencias de seguridad en una instalación.

Símbolo: imagen o signo que describe una unidad, magnitud o situación determinada y que se utiliza como forma convencional de entendimiento colectivo.

Sistema de emergencia: un sistema de potencia destinado a suministrar energía de respaldo a un número limitado de funciones vitales, dirigidas a la protección de la vida humana y la seguridad.

Sobretensión: tensión anormal existente entre dos puntos de una instalación eléctrica, superior a la tensión máxima de operación normal de un dispositivo, equipo o sistema.

Subestación: conjunto único de instalaciones, equipos eléctricos y obras complementarias, destinado a la transferencia de energía eléctrica, mediante la transformación de potencia.

Tensión: la diferencia de potencial eléctrico entre dos conductores, que hace que fluyan electrones por una resistencia. Tensión es una magnitud, cuya unidad es el voltio; un error frecuente es hablar de “voltaje”.

Tensión de contacto: diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de un metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la máxima que se puede alcanzar al extender un brazo.

Tensión de paso: diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un paso (aproximadamente un metro).

Tensión de servicio: valor de tensión, bajo condiciones normales, en un instante dado y en un nodo del sistema. Puede ser estimado, esperado o medido.

Tensión nominal: valor convencional de la tensión con el cual se designa un sistema, instalación o equipo y para el que ha sido previsto su funcionamiento y aislamiento. Para el caso de sistemas trifásicos, se considera como tal la tensión entre fases.

Tierra (Ground o earth): para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a conexiones con tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcasa, armazón, estructura ó tubería de agua. El término “masa” sólo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos y los carros.

Tomacorriente: dispositivo con contactos hembra, diseñado para instalación fija en una estructura o parte de un equipo, cuyo propósito es establecer una conexión eléctrica con una clavija.

Toxicidad: efecto venenoso producido por un período de exposición a gases, humos o vapores y que puede dar lugar a un daño fisiológico o la muerte.

Trabajo en tensión: métodos de trabajo, en los cuales un operario entra en contacto con elementos energizados o entra en la zona de influencia directa del campo electromagnético que este produce, bien sea con una parte de su cuerpo o con herramientas, equipos o los dispositivos que manipula.

Transformación de energía eléctrica: Transferencia de energía eléctrica a través de una transformación de potencia.

Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE  

Umbral: nivel de una señal o concentración de un contaminante, comúnmente aceptado como de no daño al ser humano.

Umbral de percepción: valor mínimo de corriente a partir de la cual es percibida por el 99.5 % de los seres humanos. Se estima en 1,1 miliamperios para los hombres en corriente alterna a 60 Hz.

Umbral de reacción: valor mínimo de corriente que causa contracción muscular involuntaria.

Umbral de soltar o corriente límite: es el valor máximo de corriente que permite la separación voluntaria de un 99.5% de las personas, cuando sujetando un electrodo bajo tensión con las manos, conserva la posibilidad de soltarlo, mediante la utilización de los mismos músculos que están siendo estimulados por la corriente. Se considera como la máxima corriente segura y se estima en 10 mA para hombres, en corriente alterna.

Usuario: persona natural o jurídica que se beneficia con la prestación de un servicio público, bien como propietario del inmueble en donde este se presta, o como receptor directo del servicio. A este último usuario se denomina también consumidor.

Vecindad del paciente: es el espacio destinado para el examen y tratamiento de pacientes, se define como la distancia horizontal de 1.8 metros desde la cama, silla, mesa u otro dispositivo que soporte al paciente y se extiende hasta una distancia vertical de 2,30 metros sobre el piso.

Vida útil: tiempo durante el cual un bien cumple la función para la que fue concebido.

Zona de servidumbre: es una franja de terreno que se deja sin obstáculos a lo largo de una línea de transporte de energía eléctrica, como margen de seguridad para la construcción, operación y mantenimiento de dicha línea, así como para tener una interrelación segura con el entorno.

 

  • Recurso bibliográfico

Video 1. El átomo (3:57)

http://www.youtube.com/watch?v=fPYqJqaK5cU

Video 2. Ley de Colulomb (3:12)

http://www.youtube.com/watch?v=CBC7lcZKaK0&feature=related

Video 3. Generador de Van de van der Graff (1:53)

http://www.youtube.com/watch?v=wi3gdSrvUZU&feature=fvw

Video 4. Electrización por frotamiento (Arena sobre mesa, lana y globo) (0:50)

http://www.youtube.com/watch?v=69-mzgispas&NR=1

video 5. Corriente eléctrica (10:32)

http://www.youtube.com/watch?v=_akHP6I4VZQ&feature=related

Video 6. Electrólisis (2:54)

http://www.youtube.com/watch?v=QgHq3PKcUvA&feature=PlayList&p=E1505CBA7381D12A&playnext=1&playnext_from=PL&index=5

Video 7. Energía solar fotovoltaica (6:38):

http://www.youtube.com/watch?v=dRBxezccUKc&feature=fvsr

Video 8. Experimentos de electrostática V (0:41)

http://www.youtube.com/watch?v=aBSg6MzCUXY

Retroalimentación

 

LECCIONES. REFERENTE TEÓRICO.

Lección 1. Generación de la energía eléctrica estática. Generalidades 

La energía es la materia prima del átomo. 

¿Cómo utilizar la energía contenida en el átomo?

Existen átomos que poseen 32 electrones o más, distribuidos en varios niveles. Los electrones se desprenden de las últimas órbitas de la estructura del átomo. Así, elementos como el Uranio y el Plutonio, conocidos comúnmente como materiales radioactivos, permiten la propagación de electrones libres al aire (radiación), los cuales son perjudiciales al actuar con una alta velocidad de propagación, sobre las células vivas.

El átomo posee una valiosa carga eléctrica negativa llamada ELECTRÔN, la cual será la materia prima de la electricidad y el magnetismo. El electrón se mueve a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo. Para realizar un trabajo objetivo se debe obtener, canalizar y dirigirlas cargas.

Niveles de energía: de la configuración electrónica de los átomos, una órbita es un nivel de energía. La energía que poseen los electrones es directamente es proporcional la distancia: el electrón que está situados en órbitas cercanas al núcleo tiene poca energía y el electrón que está en una órbita lejana al núcleo del átomo, posee mucha energía.

¿Cómo obtener energía de un átomo? 

Bastará con hacer saltar los electrones de las órbitas interiores a las órbitas más exteriores. Para tal cometido, el átomo deberá someterse a cierto tipo de “torturas”, por decirlo así y pueden suceder por medio de:

a. Presión o vibración física.      

b. Reacción química.      

c. Calor.  

d. Fricción o roce.

 e.  Luz. 

f. Influencia magnética.

 

Fuentes de electricidad 

Como ya se ha indicado, el fenómeno de la electricidad es creado por el desplazamiento de los electrones de sus posiciones naturales dentro de los átomos.

La fuente de fuerza electromotriz (F .E. M.) es el dispositivo o máquina que causa el movimiento o desplazamiento de los electrones.Todos los abastecedores de electricidad son en realidad convertidores de energía, en los cuales cualquiera de las formas más comunes de energía como calor, luz, o energía mecánica son transformadas en energía eléctrica.

Energía electrostática 

Los arcos eléctricos en la naturaleza llamados comúnmente “rayos”, pueden producirse de dos formas: una: entre nube y nube (Difusos), cuando sus respectivas cargas eléctricas son contrarias y otra: entre nube y tierra (Lineal), cuando la nube está cargada positivamente.

Las cargas son tan altas que rompen la barrera del dieléctrico existente en el espacio o aire  que separa las dos nubes debido al gran diferencial de potencial generado entre ellas; la elevada iluminación que produce el rayo se debe a la ionización del aire, el fuerte estruendo (ruido) es debido al choque entre cargas eléctricas y genera el Ozono por efecto natural, el cual es un elemento de vital importancia en la atmósfera para bloquear los rayos ultravioleta generados por el sol y que son perjudiciales para la piel humana.

Los rayos son un claro ejemplo de cómo la energía estática pude dejar de serlo y puede volverse energía dinámica al mover sus cargas, a razón de su diferente polaridad, y diferente magnitud.

CONVERTIDORES y TRANFORMADORES DE ENERGÍA 

a) Convertidores de energía mecánica a energía eléctrica 

La única cosa común en los convertidores de energía mecánica a eléctrica es que todos ellos dependen de un movimiento mecánico para producir fuerza electromotriz.

Este movimiento se puede aprovechar para:

-Producir fricción entre dos cuerpos.

-Producir el desplazamiento de un imán para que atraviese a un conductor eléctrico.

-Producir una presión en un cristal.

A continuación se describe cada una de estas formas de generar corriente eléctrica:

-Generación de electricidad por fricción.

Si se colocan los terminales de una lámpara de neón, lo suficientemente sensible, entre la varilla y uno de nuestros dedos, la lámpara emitirá un rayo de luz, detectando así la presencia de una fuerza electromotriz. Debido a su baja eficiencia este tipo de convertidor no es muy utilizado en la industria.

La electricidad se produce frecuentemente como resultado indeseable de la fricción entre dos objetos en movimiento. Es así como las nubes se cargan al moverse a través de la atmósfera y al chocar producen el rayo, cuyo poder destructivo es un claro ejemplo de la cantidad de energía que pueden transportar los cuerpos cargados eléctricamente.

En las imprentas y editoras de periódico se genera electricidad por fricción entre los rodillos de las máquinas impresoras y el papel que pasa alrededor de ellos.

Para evitar que la indeseada electricidad estática se descargue en las personas que operan las máquinas, éstas deben tener aditamentos especiales que conduzcan la electricidad estática a tierra, así como los carro tanques de combustible descargan a tierra a través de una cadena.

-Generación de electricidad por presión 

El cristal piezoeléctrico es un material especial, que convierte la energía mecánica en eléctrica cuando se presiona. Cuando un cristal piezoeléctrico se conecta a una lámpara de neón y se golpea con un mazo, la lámpara emite un breve rayo de luz.

Los cristales piezoeléctricos son hechos de compuestos como el cuarzo, sal de rochelle, turmalina y titanio de bario. Generalmente dos lados opuestos del cristal son cubiertos con plata, a las que se le suelda conductores de cobre delgado y flexible.

APLICACIONES 

Muchos tocadiscos usan un pequeño cristal piezoeléctrico cerco de la aguja, lo cual al pasar sobre la grabación del disco tuerce el cristal y genera pequeños valores de fuerza electromotriz. Estos valores son imágenes de los sonidos grabados en el disco. Con la amplificación necesaria estas señales pueden hacer funcionar un parlante como los que usted conoce.

Los cristales piezoeléctricos tienen muchas aplicaciones en la industria. Registran niveles de ruido, detectan cambios de presión, etc.

En conclusión, el EFECTO PIEZOELECTRICO consiste en producir una fuerza electromotriz-FEM por medio de una presión.

b) Convertidores de energía química a energía eléctrica  

Los dispositivos que producen una fuerzo electromotriz por una ACCION QUIMICA son los pilas voltaicas o simplemente pilas y los baterías o acumuladores. Su funcionamiento se basa en la reacción química entre dos sustancias diferentes.

Si introducimos dos placas metálicas o electrodos tales como cobre y zinc en una Solución de ácido sulfúrico y agua, podemos comprobar la existencia de una fuerza electromotriz entre las dos placas.

Las pilas voltaicas o pilas secas como las utilizadas para las linternas, son descendientes directas de la pila anterior. Cuando las pilas secas se descargan eléctrica mente, deben desecharse, ya que los materiales de la reacción química se han agotado.

Las baterías o acumuladores, como las utilizadas en los vehículos automotores, se diferencian de las pilas voltaicas en que las baterías después de descargarse eléctricamente, se pueden cargar nuevamente.

c) Convertidores de energía radiante a energía eléctrica  

Energía radiante es el nombre que se da a la energía proporcionada por fuentes de calor o de luz, como el sol.

Hay dos convertidores de energía radiante a energía eléctrica en uso actualmente y son: El termopar y la celda fotovoltaica.

-EL TERMOPAR TRANSFORMA LA ENERGIA CALORIFICA EN ELECTRICIDAD 

El termopar 

Cuando se calienta la unión de dos metales diferentes, por ejemplo níquel y latón, la energía del calor lleva los electrones libres de un metal a otro, produciendo entre los dos una fuerza electromotriz.

APLICACIONES 

Los termopares tienen varias aplicaciones en el hogar y en la industria. Se usan en: termómetros, controles de temperatura en hornos y alarmas contra incendio.

-LA CELDA FOTOELÉCTRICA TRANSFORMA LA ENERGIA LUMÍNICA EN ELECTRICIDAD 

La celda fotovoltaica. 

Convierte la energía lumínica o de la luz en electricidad. Se le conoce también como celda fotoeléctrica.

Un tipo de celda fotovoltaica consiste en una especie de emparedado con tres materiales diferentes.

Una primera capa delgada y traslúcida de oro o plata deja pasar la luz que es recibida por la capa sensible de selenio, creándose de esta forma una fuerza electromotriz entre las dos capas exteriores.

APLICACIONES 

Las celdas fotovoltaicas se utilizan en medidores de iluminación, cámaras fotográficas automáticas, iluminación de vías públicas, ascensores, etc.

Lección 2. Naturaleza de la Electricidad

El universo está hecho de materia. La materia está conformada por elementos (o sustancias puras) y por compuestos (o mezcla de elementos). La parte más pequeña de un elemento se llama átomo y la parte más pequeña de un compuesto se llama molécula. El átomo está formado por un núcleo y una nube de electrones que rodea al núcleo. La molécula tiene carga positiva y carga negativa. En el núcleo del átomo están los protones (con carga positiva) y los neutrones con carga neutra. En la nube alrededor del núcleo del átomo orbitan los electrones con carga negativa. El átomo en estado natural o de reposo y la molécula son eléctricamente neutros, es decir tiene igual cantidad de carga positiva (+) y de carga negativa (-). La carga positiva se produce cuando un hay desequilibrio eléctrico porque se pierden electrones y la carga negativa cuando se ganan electrones. Un átomo excitado se llama ión y puede ser ión positivo o anión cuando ha perdido electrones y es ión negativo o katión cuando ha ganado electrones.

Para cargar un cuerpo puede hacerse por contacto o sin tocarlo. Cuando el cuerpo no se toca se carga por inducción al polarizarse y cuando se frota se carga por fricción, si se hace circular corriente eléctrica a través del cuerpo se carga por conducción.

Lección 3. VAriables relacionadas con la electricidad

a) Potencia eléctrica (P)

En todo circuito eléctrico completo hay un movimiento de electrones, y una carga que se desplaza, esto es trabajo.Por lo tanto, la corriente eléctrica produce un trabajo, que consiste en trasladar una cierta carga (medida en Culombios) a lo largo de un conductor. Este trabajo supone la existencia de una potencia, que dependerá del tiempo en que dure el desplazamiento de la carga y de la fuerza aplicada para lograr ese desplazamiento.

La UNIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA es el AMPERIO, La UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA ES EL CULOMBIO, y la unidad de tiempo (t ), es el segundo.

Es decir: Q (Coulombio) / t (segundo) = I (Amperio)

 

Ejercicio numérico 

Considérese dos circuitos, con resistencias R₂ y R₁ respectivamente de diferentes valores, conectadas con un amperímetro a una fuente de tensión de 125 V. Las lecturas de los amperímetros son 6 A y 12 A respectivamente.

En estas condiciones, en un segundo el amperímetro del primer circuito marca 6A , lo que indica que ha pasado una carga de 6 Coulombios en un segundo a través de la resistencia R.Se puede decir que en este caso se ha realizado un trabajo sobre una carga de 6 Coulombios en un tiempo (t) de 1 segundo.

En el segundo circuito el amperímetro marca 12 A. En este circuito, se ha realizado trabajo sobre una carga de 12 Coulombios en un tiempo (t) de 1 segundo.

En un mismo tiempo (t), de 1 segundo, en la resistencia del segundo circuito se ha realizado trabajo sobre una carga del doble de la carga en la resistencia del primer circuito. De manera que en el segundo circuito se tiene una potencia mayor que en el primero. En este caso, el doble.

 

Analogía entre un circuito eléctrico y un circuito hidráulico.

 La corriente de agua de agua que pasa por la tuberia de agua en un segundo es análoga a la corriente eléctrica I que circula por un conductor eléctrico;

la tubería de agua que transporta la corriente de agua es análoga a a los conductores eléctricos que transportan corriente eléctrica;

la bomba  que impulsa el agua por la tubería (diferencia de potencial mecánico) es análoga a la bomba eléctrica que empuja la corriente eléctrica por los conductores (diferencia de potencial eléctrico);

la potencia  de la corriente de agua (potencia hidraúlica) es directamente proporcional al desnivel y a la cantidad de agua que pasa por el tubo, en la unidad de tiempo (t) y es análoga a la potencia de la corriente eléctrica; el desnivel es análogo a la tensión eléctrica V.

En las analogías anteriores se observa que ante una diferencia de potencial o tensión ( V ) , la potencia de una resistencia se manifiesta por el consumo de amperios; a mayor intensidad ( I ), mayor potencia. Para una resistencia determinada se produce una potencia constante P = V*I y la intensidad varia al variar la tensión (U), también la potencia eléctrica es directamente proporcional a V y a I, al igual que la potencia hidráulica.


b) Potencial eléctrico

La diferencia de potencial eléctrico se da entre dos puntos eléctricos (U, E, V, f.e.m.)  

Todos los átomos de los cuerpos en estado natural se encuentran equilibrados, o sea, todos poseen igual número de electrones e igual número de protones.

Si un átomo está desequilibrado se puede encontrar en dos formas:

Condición

Nombre

Menor número de electrones (mayor número de protones)

átomo de potencial positivo o cargado positivamente (ión positivo)

Con mayor número de electrones que de protones

átomo de potencial negativo o cargado negativamente (ión negativo)

Número de electrones igual al número d e protones o Átomo que se encuentra en su estado natural

átomo de potencial neutro o átomo sin carga

Correspondencia entre número de electrones y el signo de la carga eléctrica

Un átomo o un cuerpo se desequilibra eléctricamente cuando a éste se aplica una fuerza externa que hace que el átomo pierda o gane electrones. De a cuerdo con esto, se pueden presentar tres casos:

Caso 1. Potencial neutro

Caso 2. Potencial positivo

Caso 3. Potencial negativo

POTENCIAL: ES EL ESTADO ELÉCTRICO EN QUE SE ENCUENTRA UN CUERPO

Esquema gráfico

Numero de electrones y numero de protones

Deferencia de potencial, o TENSIÓN,

o VOLTAJE

o FUERZA ELECTROMOTRIZ

+ + + + + +

- - - - - -

+6 protones

-6 electrones

la diferencia es

+6 – 6=0; el potencial es 0

 

- - - -

+ + + + + +

-4 electrones

+ 6 protones

la diferencia es

+6 – 4=+2; el potencial es +2

 

+ + + + + +

- - - - - - - -

+6 protones

- 8 electrones

la diferencia es

+6 - 8 = -2;el potencial es -2

Esquema gráfico del potencial de un cuerpo

La tensión eléctrica o potencial eléctrico o diferencia de potencial eléctrico se representa con las letra U, E, V, F.E.M

Existe una diferencia de potencial cuando por intermedio de una fuente de energía se logra mantener en dos puntos cargas desiguales. Esta fuente de energía puede ser una pila, batería, o generador, y los dos puntos se llaman bornes.

¿Por qué los electrones van del borne negativo al borne positivo?

En el interior de la pila se produce un efecto, el cual desequilibra los átomos de los dos bornes (terminales de conexión) quedando un borne con más electrones que otro.

c) Fuerza eléctrica y campo eléctrico

La fuerza eléctrica es un vector identificado por F, y permite calcular la interacción entre partículas cargadas y está dada por la ley de Coulomb o ley cuantitativa de la electrostática y su magnitud es: F = K (Q1*Q2)/r² 

El campo eléctrico es un vector identificado por E y permite calcular qué tanto se afecta el medio con la presencia de cargas eléctricas, analíticamente puede expresarse como fuerza eléctrica por unidad de carga eléctrica y su magnitud es : E = F/Q

d) Corriente eléctrica (i, I)

Electrones libres o electrones de valencia son los electrones que se encuentran en las órbitas más alejadas del núcleo. Estos electrones son los responsables de la mayoría de los fenómenos eléctricos y electrónicos ya que al estar débilmente atraídos por los protones del núcleo, pueden moverse fácilmente de un átomo a otro.

CORRIENTE ELÉCTRICA se produce por el desplazamiento de la carga eléctrica a través de la superficie de un conductor que puede ser sólido, líquido o gaseoso. La CARGA ELÉCTRICA se produce por el desplazamiento de electrones.

CORRIENTE ELÉCTRICA CONSISTE EN UN MOVIMIENTO ACELERADO DE ELECTRONES A TRAVÉS DE UN CONDUCTOR.

Un CONDUCTOR es un elemento que TRANSPORTA electrones de un cuerpo a otro.

¿Cómo se produce este flujo de electrones?

Los electrones libres tienen su propio movimiento dentro de sus respectivos átomos. Pero es preciso transportar ese movimiento de carga eléctria o corriente a lo largo del conductor, para lograr la transportación se requiere un dispositivos que se encargua de hacer saltar un electrón de un átomo a otro, ese electrón desaloja a otro de un átomo vecino y éste a su vez a otro y así sucesivamente.

FUENTE DE ENERGÍA es el dispositivo que causa el movimiento de electrones como una pila o batería utilizada para el funcionamiento de radios portátiles, lámparas de mano (linternas), etc.

LA F.E.M ES SUMINISTRADA POR UNA FUENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA

¿Qué se requiere para mantener la corriente eléctrica?

Para mantener la corriente eléctrica es necesario una fuerza electromotriz (F.E.M), que saque los electrones libres de sus orbitas y reponga los que van saliendo.

¿Cuál es la función del conductor eléctrico?

El conductor eléctrico tiene como función, servir de camino a los electrones de un terminal de la fuente de energía, a través de la carga o receptor donde la corriente va a realizar su trabajo hasta el otro terminal de la fuente para que el recorrido de los electrones sea continuo a través del material usado del conductor.

La corriente eléctrica existe cuando en un conductor hay movimiento de electrones.

Si existe una diferencia de potencial entre dos cuerpos, existirán muchos átomos y por el medio que se utilice como conductor pasarán muchos electrones.

INTENSIDAD DE CORRIENTE es la cantidad de carga eléctrica que circula por la superficie de un material, CARGA ELÉCTRICA es la cantidad de electrones que se desplazan por dicha sueprficie. Es posible medir esa cantidad de electrones que pasa por un conductor.

LA UNIDAD DE MEDIDA DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE ES EL AMPERE (A)

TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA 

Dos tipos de corriente son producidas por los electrones, la que al desplazarse y producir un flujo o corriente se mueven siempre en la misma dirección y la que no: CORRIENTE DIRECTA Y CORRIENTE ALTERNA respectivamente.

-Corriente alterna: C.A. ó A.C. 

Cuando el flujo de electrones varía periódicamente de dirección, se dice que la corriente eléctrica es una corriente alterna.

La dirección del flujo de la corriente alterna se invierte periódicamente 

La polaridad de un generador de corriente alterna está cambiando constantemente, así que a ningún terminal de la fuente que la produce, se le puede asignar el nombre de positivo o negativo.

Una de las características más importantes de la corriente alterna es la frecuencia.

La frecuencia representa el número de veces que la corriente cambia de dirección en un segundo. La frecuencia se mide en ciclos por segundo (cps) o Hertz (Hz); la corriente alterna se nombra con las siguientes abreviaturas: A.C., C.A.

La fuente de corriente alterna más utilizada es el generador de corriente alterna o alternador.

APLICACIONES  DE LA C.A. 

La corriente alterna es la más utilizada en el momento; la corriente eléctrica que venden las empresas de energía, o electrificadoras, y que llega a nuestros hogares, es una corriente alterna de 60 cps (ciclos por segundo) ó 60 Hertz.

-Corriente directa: C.D. ó D.C. ó C.C. 

Cuando el flujo de electrones se da siempre en una misma dirección, se dice que la corriente eléctrica es una corriente directa.

LA DIRECCION DEL FLUJO DE LA CORRIENTE DIRECTA ES SIEMPRE EL MISMO: En el elemento de  POSITIVO (+) A NEGATIVO (-) y en la fuente de NEGATIVO (-)A POSITIVO (+) 

El término corriente continua (C.C.) algunas veces se utiliza para expresar corriente directa.

La corriente directa se le asignan las siguientes abreviaturas: C.D., D.C., C.C

Entre las fuentes de corriente directa más utilizadas, están:

Generadores de corriente directa o dinamos, Baterías o acumuladores, Pilas voltaicas o pilas secas

APLICACIONES DE LA C.C. 

La corriente directa tiene muchos usos. Se utiliza generalmente en: alumbrados portátiles (linternas), alumbrados de emergencia en fábricas y almacenes, plantas telefónicas, vehículos automotores, etc.

Se debe tener cuidado al utilizar la C.C., ya que obliga al usuario, tener muy en cuenta, la manera de conectar su polaridad, pues, algunos equipos al no ser conectados correctamente, pueden sufrir destrucción al energizarse.

La carga eléctrica puede estar en reposo, o en movimiento con velocidad constante o acelerada, es así como se genera la electricidad estática, la electricidad dinámica y la radiación electromagnética. La electricidad estática se refiere a corriente en reposo o sin movimiento con velocidad nula, mientras que la electricidad dinámica se refiere a electrones en movimiento con velocidad constante y gracias a ella son posibles múltiples aplicaciones para la vida diaria para mover motores eléctricos, encender lámparas, hacer funcionar el teléfono, energizar televisores, equipos de sonido, etcétera.

El Arco eléctrico: Sucede en corriente dinámica y se presenta diaria y constantemente cuando dos nubes cargadas estáticamente, una con un polo negativo (-), y la otra con polo positivo (+), se acercan mutuamente hasta romper la capacidad aislante del dieléctrico aire que las separa produciendo así, (por ley de cargas eléctricas) una corriente dinámica de gran magnitud, manifestada en un destello o  “chispazo“ conocido técnicamente como arco eléctrico y vulgarmente como “rayo”.

“Nikola Tesla” se conoce como investigador del arco eléctrico por lo que su intensidad se mide en Tesla en su honor.

Expresión gráfica de los tipos de corrientes 

A continuación, vamos a estudiar las características de los tipos de corriente ya enunciados. Recordemos los componentes del plano cartesiano.

PLANO CARTESIANO. 

Eje X: Es la línea horizontal del plano (abscisa) y su sentido positivo se representa hacia la derecha. En ella se registrará la variable tiempo.

Eje Y: Es la línea vertical del plano (ordenada) y su sentido positivo se representa hacia arriba. En ella se identificarán cuantitativamente los niveles positivos y negativos de una señal eléctrica.

Este signo ( + ) corresponde a Polaridad positiva, y este otro ( - ) indica polaridad negativa, y polo neutro es ( 0 ).”cero”

Rizado o Ripple: A pesar de lo continua que sea una corriente, puede sufrir sobre su nivel máximo, una variación muy leve pero rápida y constante. Se le llama rizado. Esto trae problemas para la calidad de la función del aparato, pero puede corregirse con un buen filtrado de la fuente mediante un puente de diodos aporpiado.

Transientes: Son cambios esporádicos de nivel, causados por deficiencia de la fuente o exceso de carga o consumo del receptor.

Ley de la conservación de la energía: Transformación de la energía: La energía no se destruye sino que se transforma.

Los materiales pueden clasificarse en buenos conductores, malos conductores y semi-conductores dependiendo de su capacidad para permitir o no el paso de electrones por su superficie. 

Un material es buen conductor porque tiene su estructura atómica dispuesta de tal manera que los electrones más alejados del núcleo son débilmente atraídos por él.

Es importante conocer que en un átomo se encuentran dos bandas, así:

1. Banda de valencia, cerca del núcleo.

2. Banda de conducción, lejos del núcleo.

Y entre estas dos bandas, se encuentra el gap o abertura (región prohibida de energía)

Los elementos que poseen átomos sin gap o zona prohibida, se consideran buenos conductores eléctricos y tienen también en sus últimas órbitas, abundancia de electrones.

Lección 4. Naturaleza de la carga eléctrica

Los antiguos griegos descubrieron que ciertos materiales frotados con otros adquirían la propiedad de atraer o de repeler a otros: el ámbar (Elektrón) frotado con lana atrae ciertos cuerpos ligeros, actualmente se dice que esto ocurre porque el ámbar está electrizado, lo que quiere decir que posee carga eléctrica o bien que está cargado; también una barra de ebonita frotada con paño atrae cuerpos pequeños. La atracción se presenta durante un corto tiempo, después los cuerpos son repelidos y se sueltan debido a que han sido electrizados con cargas del mismo signo que el ámbar o que la ebonita.

Si se frota una barra de vidrio con lana y se pone en contacto con bolitas de médula de saúco, se observará el fenómeno de atracción por un corto tiempo y luego aparece la repulsión, ello se debe a que las bolitas de médula de saúco inicialmente neutras son atraídas por el vidrio cargado y al cabo de un corto tiempo son repelidas porque adquieren la misma carga del vidrio.

Si se acerca una bolita que ha estado en contacto con ebonita electrizada, a otra bolita que ha estado en contacto con vidrio electrizado, se observará que ambas bolitas se atraen. Esto permite concluir la existencia de dos clases de carga eléctrica, la que tiene la ebonita frotada con paño o carga negativa y la que tiene el vidrio frotado con lana o carga positiva.

Las cargas eléctricas no se han creado ni destruido, solamente se han transmitido de un cuerpo a otro.

Cuando un cuerpo o un átomo pierden electrones, queda con deficiencia de electrones o exceso de protones por lo que se dice que adquirió carga eléctrica positiva, y cuando gana electrones queda con exceso de electrones por lo que se dice que adquirió carga eléctrica negativa. La variación de electrones en el tiempo produciendo exceso o deficiencia es lo que da origen a la noción de carga eléctrica y la variación de la carga eléctrica en el tiempo da origen a la noción de corriente eléctrica; para hacer mover la carga eléctrica desde un punto a otro es necesario aplicar una fuerza, el desplazamiento de carga eléctrica por la fuerza aplicada para lograrlo se denomina energía eléctrica.

EL átomo 

Es la expresión de la materia, más pequeña o mínima, en que un elemento se puede sub-dividir. La estructura física de los átomos se considera similar al sistema solar, de tal forma que en la parte central se encuentra el núcleo (protones y neutrones) y orbitando alrededor describiendo trayectorias elípticas se encuentran los electrones conformando la nube que rodea al núcleo.

Un átomo en reposo posee el mismo número de electrones (posee carga eléctrica negativa) que de protones (posee carga eléctrica positiva) y de neutrones (posee carga eléctrica neutra), por lo tanto se encuentra eléctricamente neutro.

La variación de electrones en el tiempo da origen a lo que se conoce como corriente eléctrica. Electrostática es el estudio de la carga eléctrica en reposo, electrodinámica es el estudio de la carga eléctrica en movimiento con velocidad constante y la carga eléctrica acelerada da origen a la radiación electromagnética.

La materia y sus estados 

Puede decirse que es todo aquello que nos rodea y que estimula los sentidos de diferente manera, compuesta por un sinnúmero de sustancias que ocupan un espacio o lugar y cada una tiene sus características y propiedades físicas y químicas, por ejemplo:

El sol  y las estrellas son ejemplos de la materia en estado plasma o gas ionizado. La materia en estado plasma o gas ionizado requiere altas temperaturas y altas presiones. Los electrones se desprenden del átomo y quedan núcleos positivos y electrones libres. El plasma o gas ionizado tiene la propiedad de conducir electricidad. Si se comprime la materia en estado plasma o gas ionizado se obtiene en estado gaseoso.

El oxigeno es un ejemplo de materia en estado gaseoso. La materia en estado gaseoso es volátil, las moléculas se encuentran muy separadas. La sustancia no tiene forma definida. Si se comprime la materia en estado gaseoso se obtiene en estado líquido.

El agua es un ejemplo de materia en estado líquido. La materia en estado líquido  fluye y adquiere la forma del recipiente que la contiene. Las moléculas se mueven y se deslizan unas sobre otras. Si se comprime la materia en estado líquido se obtiene en estado sólido.

El hierro es un ejemplo de la materia en estado sólido. El estado sólido tiene contextura dura y una forma definida. Las moléculas se encuentran muy cerca. Si se comprime la materia en estado sólido y se somete a bajas temperaturas se obtiene en estado CONDENSADO BOSE-EINSTEIN.

 El CONDENSADO BOSE-EINSTEIN-CBE o Hielo cuántico se obtiene por enfriamiento de átomos a temperaturas extremas cercanas al cero absoluto. En tal caso la sustancia se comporte como ondas superpuestas donde el conglomerado de las mismas, en vez de comportarse como partículas puntuales lo hace como paquetes de ondas de luz moviéndose.

A medida que se baja la temperatura cada paquete se hace cada vez más pequeño. Y si se siguen enfriando se comienzan a superponer. Cuando se superponen, dejan de comportarse como partículas independientes y se encuentran en un estado único cuántico, en e l que las partículas han perdido su identidad, de tal manera que todas hacen lo  mismo, están aproximadamente en reposo.

En el CBE, los átomos no se están  moviendo en forma desordenada cada uno independiente del otro, sino que están en todas partes al mismo tiempo. Se comporta como un solo sistema cuántico.

ELEMENTOS Y COMPUESTOS

La materia, también se puede encontrar en un estado puro o en estado compuesto. Si está en estado puro (elementos químicos) la conforma los átomos, la molécula es la partícula más pequeña que compone la materia en un compuesto; un compuesto es materia formada por varios elementos puros y juntos, es decir, dividiéndolos en su mínima expresión, se encuentra que su partícula mínima es heterogénea o hecha de diferentes átomos.

Una molécula de agua tiene tres elementos, dos de Hidrógeno y uno de Oxígeno, la fórmula química es H2O, o en otras palabras, el agua está compuesta por tres átomos, dos de Hidrógeno (elemento puro), y uno de Oxígeno (otro elemento puro): H20: Molécula del agua.

Donde:

Los Protones poseen carga eléctrica positiva (llamada así por conveniencia)

Los Neutrones: NO tiene cargas eléctricas, como su nombre lo indica. 

Los Electrones: poseen carga eléctrica negativa (llamada así por conveniencia)

El átomo en reposo tiene igual número de electrones y de protones o, en otras palabras, igual número de cargas eléctricas contrarias, se dice que el átomo está equilibrado o neutro. Si el átomo se desequilibra eléctricamente aparece un ión que puede ser positivos o negativo; un IÓN positivo se produce cuando un átomo pierde uno o más electrones, un IÓN negativo se produce cuando el átomo recibe o “gana” electrones (donados por otro átomo).

La interacción entre núcleo y electrones determina la dureza física de un material o elemento de la naturaleza, dicha interacción puede ser fuerte o la ligera dependiendo de la órbita en que se encuentren los electrones y obedece a la ley del cuadrado inverso de la distancia (a menor distancia entre los electrones y el núcleo existe mayor fuerza de atracción).

La disposición de los electrones y cantidad de órbitas tienen su orden lógico y característico según el elemento natural. Para una mejor comprensión y dominio de este tema, usted podrá consultar el capítulo “estructura de la materia”, en cualquier texto de química básica.

 

© Documento actulizado y publicado por esther londoño a. 



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