Fisica

                                   BLOQUE III


ELECTRICIDAD:

ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA.

La electricidad se encuentra en nuestra vida cotidiana. La electricidad se origina por las cargas eléctricas, pueden estar en reposo o movimiento. La electrostática es la rama de la Física que estudia el comportamiento de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en un cuerpo y los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. La electrodinámica estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en movimiento.

Electricidad.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA ELECTRICIDAD.

El filosofo griego Tales de Mileto fue el primero en estudiar los fenómenos eléctricos, aproximadamente en el año 600 a.C. Sin embargo, no fue sino hasta el siglo XVII cuando William Gilbert estableció la diferencia entre los materiales conductores y aislantes. Benjamín Franklin invento el pararrayoz y demostró que son cargas electro-estáticas; Coulomb estableció que la fuerza que existe entre dos cargas se le conoce como "Ley de Coulomb".

CARGAS ELÉCTRICAS E INTERACCIÓN ENTRE CARGAS.

Se manifiestan a través de fuerzas llamadas "Electrostáticas", que son responsables de los fenómenos eléctricos.

Existen dos tipos de cargas eléctricas:

Positiva y negativa, su unidad de medida es el Coulomb (C). Un átomo contiene un núcleo con carga positiva y alrededor de el giran electrones. Los electrones son partículas mas ligeras que los protones y tienen carga negativa. El numero de electrones en un átomo es igual al de los protones de su núcleo por lo tanto es neutro. La carga de un proton es igual a la de un electrón cuyo valor es 1.6x10-19. La carga eléctrica se puede transferir: Un proton y un electrón se atraen entre si, dos electrones se rechazan, y dos protones se atraen entre si. Las cargas del mismo signo se repelen y las del mismo signo se atraen.

                              

MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES.

La diferencia entre los materiales que son buenos  conductores de electricidad y los que no lo son radica en la movilidad relativa de la carga dentro de ese material. 

Un material conductor permite el flujo de corriente a traces de el, la carga que se introduce fluye libremente y se redistribuye.

LEY DE COULOMB.

La ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.

La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es 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".

          

Su ecuación es:

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.

CAMPO ELÉCTRICO:

En el caso de la carga eléctrica es posible describir su influencia sobre otras definiendo el campo eléctrico como fuerza eléctrica por unidad de carga (positiva). El campo eléctrico (E) que existe en un punto es la fuerza electro-estática experimentada por una carga eléctrica colocada en ese punto y dividida entre la misma:

                                      

En el Sistema Internacional la unidad de campo electrico es el Newton por Coulomb (N/C).

•POTENCIAL ELÉCTRICO:

Su trabajo es realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde el punto de referencia, divido por unidad de carga de prueba. Es el trabajo que realiza una fuerza externa para atraer una carga unitaria "q" desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Su formula es:

                                                                 

CORRIENTE ELÉCTRICA:

El campo eléctrico ejerce una fuerza como sobre los electrones libres de un conductor, provocando que estos se muevan, se define como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección transversal de un conductor por unidad de tiempo: 

                                            

LEY DE OHM:

La ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica  que circula entre dos puntos de un  circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos, existiendo una constante de proporcionalidad entre estas dos magnitudes. Dicha constante de proporcionalidad es la conducción eléctrica, que es inversa a la resistencia eléctrica.

La ecuación matemática que describe esta relación es:

      

donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemns y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.

      Georg Ohm, creador de la "Ley de Ohm".

INSTRUMENTOS ELÉCTRICOS DE MEDICIÓN:

El voltaje y la corriente eléctrica pueden ser medidos con instrumentos denominados voltímetros y amperímetros. El amperimetro es un dispositivo para medir la corriente eléctrica y debe de conectarse en el circuito de manera que la corriente pase directamente a través de el. El voltímetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B, en un circuito, y debe de conectarse entre estos puntos, y no debe de insertarse como un amperimetro.

Amperimetro.

Voltimetro.

                  BLOQUE IV

RELACIONAS LA ELECTRICIDAD CON EL MAGNETISMO. 

MAGNETISMO:

Es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la radiación electromagnética como por ejemplo, la luz.

Lineas de fuerza magnética de un imán de barra.

TIPOS DE IMÁN.

Existen dos tipos de imán: Naturales y Artificiales. 

Los imanes naturales son los que poseen fuerzas magnéticas cuando se extraen de la tierra, como la magnetita. Los imanes artificiales son los que han sido imantados (magnetizados). También se clasifican por su duración, convirtiéndolos en permanentes y temporales. Los permanentes son los imanes artificiales que se sometieron a un tipo de tratamiento térmico y magnetizado por medio de corriente eléctrica. Los temporales son los que pierden su magnetismo casi inmediatamente después de ser retirados de la fuerza que los magnetiza.

Magnetita: Imán natural.

Imán artificial. Imán de herradura.

CAMPO MAGNÉTICO:

                                                             

Representa una región del espacio en la que una carga eléctrica puntual de valor q, que se desplaza a una velocidad , experimenta los efectos de una fuerza que es  perpendicular  y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente ecuación.

donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético. Su formula resultante:

Campo magnético.

                            

ELECTROMAGNETISMO:

Las explicaciones y predicciones que provee se basan en  magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición del espacio y tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos microscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello  campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

Campo magnético producido en un conductor recto: 

Al inducir una corriente eléctrica a través de un conductor, las lineas de fuerza del campo magnético resultante forman circunferencias concéntricas alrededor del mismo.

Conductor recto.

Campo magnético producido en una espiral:

En un espiral se produce un campo magnético razonablemente uniforme en el espacio rodeado por las vueltas de este, que se produce cuando el espiral lleva una corriente. cuando hay muy poco espacio entre las vueltas, cada una puede tardarse como sí fuera un lazo circular, y el campo neto es el vector suma de los campos que resultan de todas las vueltas. Conforme se incrementa la longitud del selenoide el campo interior se vuelve más uniforme y el exterior más débil.

                      

Campo magnético producido en una espira.  

SOLENOIDE:

Un solenoide es cualquier dispositivo físico capaz de crear una zona de campo magnético uniforme. Un ejemplo teórico es el de una bobina de hilo conductor aislado y enrollado helicoidalmente, de longitud infinita. La bobina con un núcleo apropiado, se convierte en un electro-imán. Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme. Su ecuación es:

Donde:

• N: número de espiras del solenoide.
• I: corriente que circula.
• L: longitud total del solenoide.

Solenoide.

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA:

                             

Es el fenómeno que genera una fem inducida a partir de un campo magnético, entre mas rápido cruce el conductor a través del campo, mas vueltas existan en la bonina y mas intenso sea el campo magnético, mayor sera la fem inducida y el flujo de la corriente.

LEY DE FARADAY.

La "Ley de Faraday" establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:

Donde:

  

es el campo eléctrico

  

es el elemento infinitesimal del contorno C,

  

es la densidad de campo magnético y 

S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C.

Las direcciones del contorno C y de  

 

están dadas por la regla de la mano derecha.

LEY DE LENZ.

La Ley de Lenz expresa que: La dirección de la fem inducida y por consiguiente el flujo de corriente, es tal que el campo magnético formado se opone al movimiento que lo produce.

Heinrich Lenz.

EL GENERADOR Y MOTOR ELÉCTRICO:

El generador eléctrico es el dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, mientras que el motor hace lo contrario: transforma la energía eléctrica en mecánica; ambos utilizan la interacción entre conductores en movimiento (bobina) y campos magnéticos.

                                  

Generador eléctrico.

 INDUCCIÓN MUTUA Y AUTO-INDUCCIÓN:

La inducción mutua es el fenómeno por el cual una corriente variable en un circuito induce una fem en otro. El fenómeno de la auto-inducción consiste en una inducción de la propia corriente sobre si misma. Todas las bobinas en circuitos de corriente alterna presentan el fenómeno de la auto-inducción ya que soportan un flujo magnético variable.

Inducción Mutua

TRANSFORMADOR:

Es un dispositivo eléctrico  que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de  corriente alterna manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

Transformador.