Electricidad

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Electricidad
COLEGIO LA GIROUETTE

• Introducción

Rafael Cautivo Sánchez
2
Qué es la electricidad?

• Fenómeno de la Naturaleza.
• Conocido desde la antigüedad (Griegos el
  elektron)
• La materia, bajo ciertas condiciones, adquiere
  propiedades especiales Atracciones y
  Repulsiones.
• Estudio Científico (B. Franklin)
• Propiedad general de la materia.
• Necesidad de una Teoría (Modelo)

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El Elektron (Elektron)

• Piedra color ámbar que, al frotarla con seda o
  lana, adquiere una propiedad nueva la de atraer
  hilachas, pelusas y cuerpecitos pequeños.

Después de ser frotado
Elektron
Seda
Atracción de pequeños cuerpos
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Modelo eléctrico de la materia.
Cualitativo

• La materia estaría constituida por dos tipos de
  partículas, que denominaremos Cargas. (P)
• Cuando estas partículas se encuentran en igual
  cantidad, el cuerpo esta Neutro. (D)
• Si ellas se encuentran en distinta cantidad, el
  cuerpo esta electrizado.
  (D)
• Las cargas del mismo tipo se repelen entre si y
  las de distinto tipo se atraen. (L)

• Al frotar dos cuerpos neutros, pero de distinto
  material, pasa un tipo de carga de uno al otro,
  quedando ambos electrizados con diferente tipo de
  carga. (P)
• Al frotar VIDRIO con SEDA, el vidrio adquiere
  electricidad POSITIVA y la SEDA, electricidad
  NEGATIVA. (D)
• Las fuerzas eléctricas (de atracción o repulsión
  dependen de la distancia entre las cargas. A
  mayor distancia menor fuerza. (L)

Qué significan la (P), la (D) y la (L)
5
El Modelo Atómico

• Se trata de un Modelo para la materia que da
  cuenta de muchas de sus propiedades, incluida las
  eléctricas pero es más reciente, más compleja y,
  la idea es, en lo posible llegar a entender, por
  lo menos, sus orígenes.

...De momento podemos olvidarlo.
Nube de electrones (-)
Núcleo ()
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Modelo en imágenes.
Cuerpo NEUTRO y Cuerpo ELECTRIZADO
Cargas
Representación
Cuerpo neutro
Cuerpo positivo
Cuerpo negativo
7
Benjamín Franklin
Para rayos
8
Repulsiones y atracciones
9
Electrización por frotación
Cuerpos Neutros
Frotación
Cuerpos Electrizados
10
Electrización por frotación
Experimento con teflón
Frotación con los dedos
11
Cargas Positivas y Negativas
Definición
VIDRIO
SEDA
Cuerpos Neutros
Frotación
Cuerpos Electrizados
VIDRIO
SEDA
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Fuerza eléctrica y la distancia.
F
F
r
F
r
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Conductores y Aisladores
Cuerpo al cual se le colocan cargas en la zona
que se indica




Posibles comporta-miento




Las cargas permanecen en el lugar en que se las
coloco
Las cargas se distribuyen en la periferia de todo
el cuerpo.
Nombre
AISLADOR
CONDUCTOR
14
Conductor electrizado

• Note que en los conductores, el exceso de carga
  eléctrica se distribuye en los límites del
  cuerpo.

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Conductores y Aisladores(Conceptos Relativos)

• En general, podemos decir que, bajo determinadas
  condiciones, todos los materiales son, en alguna
  medida, CONDUCTORES.
• Cuando veamos esto desde el punto de vista
  cuantitativo, podremos asignarle a cada material
  un número que exprese su capacidad de conducción.
• De momento digamos que los materiales, desde este
  punto de vista, se distribuyen del modo siguiente

Silicio, Selenio, Germanio
Gomas Al, Cu, Au
Cerámica, H2O
Aisladores o malos conductores
Conductores
Semi conductores
16
Conductores y Aisladores(Conceptos Relativos)

• Ciertos objetos que comúnmente consideramos
  aisladores, en ciertas condiciones son
  conductores.

17
Conductores y Aisladores(Conceptos Relativos)

H2O
18
Conductores y Aisladores(Conceptos Relativos)
NaCl
H2O
19
Electrización por contacto.
Cuerpos Conductores A, electrizado y B Neutro.


A
B
Parte de las cargas que posee inicialmente A,
pasan al cuerpo B durante el contacto.
20
Electrización por contacto.

• Qué ocurre si el cuerpo B es más grande que A?

A
B
Contacto y separación
21
Electrización por contacto.

• Qué ocurre si el cuerpo B es más grande que A?
• Qué ocurrirá si B es infinitamente grande en
  relación a A?

A
B
Contacto y separación


A
B
22
Conexión a Tierra
Sea un cuerpo A electrizado y B neutro e
infinitamente grande en relación al primero.
Ambos conductores.
23
Conexión a Tierra (Importancia)
Enchufe domiciliario
La Dirección General de Servicios Eléctricos
fiscaliza la conexión a Tierra. (Es una Ley)
Rojo (Fase)
Verde
Blanco o negro
Seguridad para las personas
24
Conexión a Tierra (Propósito)
En los artefactos con caja metálica, la conexión
a tierra debe estar conectada a la caja.
25
Conexión a Tierra (Propósito)
26
Conexión a Tierra (Propósito)

• Necesidad en computadores e impresoras

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Inducción y Polarización
(Acción a distancia)
(Separación de las cargas)
1º Escena Un cuerpo conductor Neutro
2º Escena Se aproxima un cuerpo electrizado

(Inductor)
(Inducido)
Sin llegar a tocarlo.
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Atracción entre un cuerpo electrizado y uno
neutro.
A
Cuerpo electrizado (Inductor)
Fuerza que A aplica sobre las cargas negativas.
Fuerza total sobre el cuerpo neutro
Cuerpo Neutro (polarizado)
Fuerza que A aplica sobre las cargan positivas,
29
Electrifican por Inducción.
1º Escena. Hay un cuerpo conductor neutro.
2º Escena. Se aproxima por la izquierda un cuerpo
electrizado (inductor).El cuerpo se polariza
3º Escena. Se conecta y desconecta a Tierra el
cuerpo (por la derecha)
4º Escena. Se retira el cuerpo inductor. El
cuerpo inicial queda electrizado.
30
Algunos Experimentos

• Balanza de torsión

Vidrio, plástico PVC, aluminio, etc











Al acercar un objeto electrizado se produce una
notoria torsión en la varilla que cuelga.
31
El Electroscopio(En estado neutro)
Tambor (metal)
32
El Electroscopio(En estado electrizado)
Aislante
Soporte
33
El Electroscopio(Inducción)
34
El Electroscopio(Contacto)
35
El Electroscopio(Contacto)
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Estudio cuantitativo de la Electricidad

• Esto implica
• Definir carga eléctrica.
• Determinar los factores de los cuales depende la
  fuerza eléctrica.
• Lo que, a su vez, significa
• Algunas abstracciones matemáticas.
• Algunas observaciones experimentales.

37
1 Carga eléctrica (q, Q)

• Carga eléctrica puntual
• es un cuerpo electrizado cuyas dimensiones
  resultan insignificantes en relación as la
  situación en que es considerado (es un concepto
  equivalente al de partícula)
• Las designaremos con las letras q o Q
• Pueden ser positivas o negativas.

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2 Igualdad de carga eléctrica

• Diremos que dos cargas qA y qB son iguales es
  decir

qA qB
Si ambas producen, en igualdad de condiciones,
los mismos efectos sobre una tercera carga q.
FA
q
qA
qB
FB
q
Si FA FB, entonces qA qB. En general, Si FA
n FB, entonces, qA n qB.
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2 De qué factores depende la fuerza entre dos
cuerpos electrizados?

• De la cantidad de carga q
• De la distancia r entre ellas
• Del medio en que se encuentran inmersas.
• Fue el Físico Charles Agustín Coulomb, basado en
  los trabajos de Newton, quien aclarara los puntos
  anteriores.

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a) Cómo depende de la cantidad de carga?
qA
qB
F
2qA
qB
2F
6F
3qA
2qB
mnF
mqA
nqB
Es decir, lógicamente se deduce que, las fuerzas
eléctricas son directamente proporcionales al
producto de las cargas es decir Fe K1qAqB (K1
es una constante de proporcionalidad)
41
b) Cómo depende de la distancia?
Para responder a esto la lógica no es suficiente
se requiere de un experimento. Coulomb realizó
algo como
ángulo a
Fe
Como podemos conocer Fg mg y medir a ,
conocemos Fe
Fg
r
a
42
El Experimento de Coulomb
Al medir La fuerza eléctrica (Fe) entre las
cargas cuando se encuentran a distintas
distancias (r), encontramos que ella es
inversamente proporcional al cuadrado de dicha
distancia es decir
1
Fe K2
r2
K2 es una constante de proporcionalidad.
Nótese que, si la distancia entre dos cargas
aumenta al doble o al triple, entonces la fuerza
eléctrica entre ellas se reduce a la cuarta y a
la novena parte respectivamente.
43
La Ley de Coulomb

• Considerando lo que tenemos

1
Fe K1 qAqB
Fe K2
r2
Se puede resumir en una sola expresión
La cual es conocida como ley de Coulomb.
Ke es una constante (constante eléctrica) cuyo
valor depende del medio en que se encuentren las
cargas qA y qB
44
Comparación entre las Fuerzas Eléctricas y
Gravitacionales.

• Las dos, junto con las fuerzas nucleares (Fuertes
  y débiles) son básicas en nuestro universo. Sólo
  rigen a distinta escala.
• Hay una gran semejanza en la estructura
  matemática de la Ley de Coulomb y la Ley de
  Gravitación Universal de Newton.

mAmB
Fg G
r2

• Semejanzas en r2 semejanzas en los productos
  mAmB y qAqB
• Diferencias en las constantes
• Diferencias en los signos.

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Unidad de carga eléctrica (Cb)

• Diremos que una carga eléctrica es de 1 Coulomb
  (1 Cb), si colocada a 1 metro de otra idéntica,
  se repele con ella con una fuerza de 9 x109
  Newton cuando el medio en que se encuentran es el
  vacío.

Vacío
1 Cb
1 Cb
9x109 N
9x109 N
1 metro
Problema histórico
46
Valor de la Constante Eléctrica

• Despejando Ke de la Ley de Coulomb

Fe r2
Ke
qA qB
Reemplazando en ella los datos anteriores
(definición de Cb), tenemos que, en el vacío
Nm2
Ke 9x109
Cb2
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Algunos datos importantes

• El electrón
• Carga eléctrica e - 1,6 x10-18 Cb.
• Masa de electrón me 9,1 x 10-31 Kg.
• Ke en distintos medios
• Vacío Ke 9x109 Nm2 /Cb2
• Aire Ke 9x109 Nm2 /Cb2
• Agua Ke 7,2x1011 Nm2 /Cb2

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Algunos problemas

• El alumno debe se capaz de resolver diferentes
  problemas en que interactuen hasta cuatro cargas
  eléctricas puntuales
• Ejemplo 1. Una carga qA de 2x10-5 Cb mantiene
  en equilibrio un pequeño cuerpo de 4x10-12 Kg,
  aquí en la superficie terrestre y en el aire Qué
  carga posee este último cuerpo si la distancia
  entre sus centros es de 10 cm.?

Evidentemente la fuerza gravitacional y la
eléctrica que actúan sobre el cuerpo (que
designaremos por B), deben ser iguales pero con
sentidos opuestos luego
A
r
qA qB
mg Ke
B
r2
49
Concepto de Campo Eléctrico

• El concepto de Campo es de una gran
  importancia en Ciencias y, particularmente en
  Física.
• La idea consiste en atribuirle propiedades al
  espacio en vez de considerar a los verdaderos
  causantes de los fenómenos que ocurren en dicho
  espacio.
• Para comprender esto veamos un par de ejemplos
• Un campo de temperaturas (Escalar)
• Un campo de velocidades (Vectorial)
• Campo gravitacional (Vectorial)
• Homogéneo
• No homogéneo

50
Concepto de Campo

• Campo de Temperaturas (escalar)

Sala de clases
Termómetro
20º C
P
30º C
Puerta
40º C
50º C
60º C
Estufa
70º C
Líneas de Campo de temperaturas
51
Concepto de Campo

• La intensidad del Campo de Temperaturas en el
  punto P corresponde a lo que mide el termómetro
  que está en él.
• Es una magnitud escalar puesto que no posee
  dirección asociada .
• La causa verdadera de que la temperatura de las
  isotermas sea 40º C. se debe a la estufa, la
  puerta, la temperatura exterior, las dimensiones
  de la sala, etc.
• Evidentemente no depende del instrumento con que
  se mide la Intensidad del Campo de Temperaturas
  es decir, no depende del Termómetro.

52
Concepto de Campo

• Campo de velocidades (vectorial)

Río o corriente de agua
En cada punto el agua se mueve con una velocidad
específica (dirección y módulo)
53
Concepto de Campo

• Campo gravitacional homogéneo (Es, en realidad un
  campo de aceleraciones gravitacionales)

Sala de clases
Todos los puntos de la sala de clases tienen la
propiedad de que masas colocadas en ellos
experimentan la misma aceleración es decir g
Cont.
Este Campo gravitacional depende del planeta en
que se encuentre la sala de clases.
54
Concepto de Campo

• Si consideramos el planeta Tierra en su
  totalidad entonces el Campo gravitacional
  presenta otro aspecto.

G M r2
g
La intensidad de campo g, depende de M y r.
55
Concepto de Campo Eléctrico

• Sea un punto P del espacio.
• Para dicho punto se define la Intensidad del
  Campo Eléctrico, que designaremos por E, del modo
  siguiente.
• Coloquemos en dicho punto una carga de prueba
  q0.
• Si Fe es la fuerza eléctrica que actúa sobre ella
  (Debido a las otras cargas eléctricas que existen
  en el espacio y que desconocemos), entonces

56
Concepto de Campo Eléctrico

• Como se puede ver, el Campo Eléctrico es un campo
  vectorial.
• Posee, en cada punto, la dirección y sentido de
  Fe
• Posee la dirección en que actúa la fuerza
  eléctrica.
• Su unidad (M.K.S.) es el Newton / Coulomb.
• No depende ni del valor de la fuerza que se mida
  (F) ni del valor de la carga de prueba que se use
  (q0) (Del mismo modo que en el campo de
  temperaturas no depende del termómetro).

57
Concepto de Campo Eléctrico

• Ejemplo Sea el punto P del espacio.
• Cuál será la intensidad de Campo Eléctrico en
  dicho punto?

P
58
Concepto de Campo Eléctrico

• Coloquemos en P una carga q0 0.1 Cb.
• Supongamos que sobre ella actúa una fuerza
  eléctrica igual a Fe 120 N. en la dirección...

P
59
Concepto de Campo Eléctrico

• Tenemos que E 120 N / 0,1 Cb 1200 N/Cb.
• En la misma dirección y sentido de Fe es decir...

Fe 120 N
P
60
Concepto de Campo Eléctrico

• Hemos calculado la intensidad de Campo Eléctrico
  (E) pero qué significa?

61
Concepto de Campo Eléctrico

• Significa que en el espacio existen otras cargas
  eléctricas que generan un campo Eléctrico en él.
• Puede existir, por ejemplo una carga positiva Q,
  o bien....

E 1200 N/Cb
P
Q

62
Concepto de Campo Eléctrico

• Una carga negativa, o una positiva y una
  negativa.
• muchas cargas que producen el mismo efecto.

-
Q
E 1200 N/Cb
P
63
Concepto de Campo Eléctrico

• Una carga negativa, o una positiva y una
  negativa.
• muchas cargas que producen el mismo efecto.

-
Q
E 1200 N/Cb
P
64
Líneas de Campo Eléctrico

• En un espacio, en que existe un campo eléctrico,
  tiene sentido imaginar líneas por donde
  acelerarían cargas eléctricas puntuales q0 que
  fueran colocados en ellos.
• Estas cargas de pruebas son imaginarias, y su
  valor no interesa.
• Si en cierto experimento fueran reales, al
  dejarlas libres en un espacio en que existe un
  Campo Eléctrico, las veríamos acelerar siguiendo
  trayectorias que nos mostrarían la forma de dicho
  campo

65
Campo Eléctrico (para una carga puntual Q)

• Se parecen mucho a las líneas del campo
  gravitacional de un planeta

Q
q0
66
Campo Eléctrico (para una carga puntual Q-)

• Se parecen mucho a las líneas del campo
  gravitacional de un planeta

Q-
q0
67
Campo Eléctrico (para una carga puntual Q)

• A una Distancia r de una carga eléctrica Q, la
  intensidad de Campo Eléctrico (E) es, según la
  Ley de Coulomb

q0
Q q0 r2
q0
Fe Ke
Q
Fe q0
r
Q r2
Ke
Q r2
E Ke
68
Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2)

• Las líneas de campo son, si ambas cargas son de
  signo contrario

69
Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2)

• Las líneas de campo son, si ambas cargas son del
  mismo signo

70
Qué puede decirse de las cargas?
71
Qué puede decirse de las cargas?
72
Potencial Eléctrico (V)

• Sea un punto P cualquiera de un espacio en que
  existe un campo eléctrico
• Sea E la Energía que se requiere para trasladar
  una carga de prueba (q0) desde un punto definido
  como de potencial cero hasta el punto P
  entonces,
• el potencial de P es V E/q0
• Como E se mide en Joules y q en Coulomb,
  entonces
• V se mide en
• Joules/Coulomb J/C Volts V

P
q0
V 0
73
Potencial Eléctrico (V)

• Qué significa...

12 Volts
220 Volts
1,5 Volts