Conceptos básicos de electrostática y electrocinética
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Conceptos básicos de electrostática y electrocinética |
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Clases de electricidad y carga eléctrica
Clases de electricidad y carga eléctrica.
Hay dos tipos de carga eléctrica, la positiva y la negativa. Dos cargas eléctricas del mismo signo (las dos positivas o las dos negativas) se repelen. Por el contrario, si las dos cargas eléctricas son de distinto signo (una positiva y la otra negativa), habrá atracción entre ellas.
Las cargas eléctricas se explican a partir de la estructura atómica de la materia. La carga positiva la llevan los protones y la negativa los electrones. Si un cuerpo está cargado positivamente es por tener un exceso de protones; es decir, como lo que se mueve suelen ser los electrones, por tener menos electrones que protones. Por otro lado, si un cuerpo está cargado negativamente es por tener más electrones que protones. Los cuerpos sin carga son aquellos que tienen el mismo número de protones que de electrones.
Hay dos formas clásicas de obtener cuerpos cargados:
Por frotamiento. Los materiales al frotarlos pueden perder o ganar electrones quedando con un defecto o un exceso de carga negativa respectivamente.. Estos cuerpos cargados de electricidad son capaces de atraer pequeños trocitos de otros (papel, corcho, etc.).
Por contacto. Un cuerpo cargado eléctricamente si lo ponemos en contacto con otro neutro, el neutro quedará cargado con el mismo tipo de carga que el primero. O sea, si una varilla cargada positivamente la ponemos en contacto con otra sin cargar, ambas quedarán cargadas positivamente. ¿Qué sucede? La varilla positiva lo es por faltarle electrones, al ponerla en contacto con otra neutra, pasarán algunos electrones de esta última a la primera de tal forma que ambas quedarán con falta de electrones, se reparte la carga positiva entre ambas. Algo similar sucede si ponemos en contacto una varilla negativa con otra neutra; en este caso pasarían electrones de la cargada a la neutra, repartiéndose entre ambas, quedando las dos cargadas negativamente.
Principio de conservación de la carga eléctrica. La carga eléctrica total de un sistema aislado permanece constante; es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas siempre será la misma. Esto es así por ser los electrones y protones los que llevan la carga; en un sistema aislado, se conservan el número de protones y electrones, por tanto se conservarán las cargas.
Unidad de la carga eléctrica. La carga eléctrica se mide en la unidad denominada 'culombio' que se representa por la letra 'C' (es la ce mayúscula). Suelen emplearse submúltiplos de esta unidad: μC (10-6 C), mC (10-3C).
Cuantización de la carga eléctrica. La carga más pequeña es la que posee un protón (positiva) o un electrón (la misma pero negativa), 1,6·10-19C; es decir, 0,00000000000000000016 C. Ningún cuerpo puede tener una carga más pequeña que esta (positiva o negativa) y debe ser múltiplo de esta cantidad (positiva o negativa).
La fuerza con que se atraen o repelen las cargas eléctricas viene dada por la ley de Coulomb que se define de la siguiente forma: "La fuerza entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional a sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa". La expresión matemática de la misma es:
Donde q1 y q2 son las cargas en culombios (C), r es la distancia que están separadas en metros (m) y K es una constante que tiene un valor de 9·109 unidades del Sistema Internacional (N·m2/C2)
La cargas se repelen (fuerza repulsiva) si ambas cargas son del mismo signo. Al aplicar la fórmula anterior el resultado es positivo (+ por + ó - por - siempre es +).
Las cargas se atraen (fuerza atractiva) si ambas cargas son de distinto signo. Al aplicar la fórmula de la ley de Coulomb el resultado es negativo (+ por - ó - por + es siempre -).
Para los cálculos con la fórmula de la ley de Coulomb necesitarás manejar las potencias de diez: revisar las operaciones con las potencias de diez.
Ejemplo:
Tenemos dos cargas, una de -3μC y la otra de +4μC, separadas 3 cm. Calcula la fuerza que sufre cada una de las y si es atractiva o repulsiva.
Solución:
1º Escribimos los datos e incógnitas y pasamos los datos a unidades al S.I.:
q1 = -3 μC = -3·10-6 C
q2 = +4 μC = +4·10-6 C
r = 3 cm = 0,03 m
K = 9·109 unidades SI
F = ¿?
2º Escribimos la ecuación y operamos:
Al ser negativa la fuerza es atractiva. También podríamos ver que las dos cargas son de signo opuesto y deducir de aquí que la fuerza debe se atractiva.
Se define campo eléctrico como toda la región del espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza.
Conductores son aquellos materiales que permiten el movimiento de cargas eléctricas por ellos.
Aislantes son aquellos materiales que no permiten el paso de cargas eléctricas por ellos.
La cargas eléctricas añadidas a un conductor tienden a alejarse lo más posible unas de otras. Por tanto, la carga extra de los conductores cargados se distribuye por su superficie, el interior de los conductores cargados siempre será neutro.
Es más, a carga de los conductores cargados se acumula en las puntas.
Los pararrayos tienen un acabado puntiagudo de tal forma que concentra la carga de la superficie sobre la que se encuentran en las puntas, permitiendo la descarga hacia las nubes (rayo) sin afectar lo que se quiere proteger.
La corriente eléctrica y su medida.
Corriente eléctrica es el movimiento de cargas por un conductor. En los conductores lo que suele moverse son las cargas negativas (electrones) dada su deslocalización entre los átomos. No obstante, el sentido con que suele escribirse la corriente eléctrica (sentido convencional) es el contrario: el hipotético camino que seguirían las cargas positivas si pudieran moverse.
Las medidas que nos interesan en un circuito por el que pasa corriente eléctrica son:
Diferencia de potencial que existe entre dos puntos del circuito. Si hay diferencia de potencial habrá corriente eléctrica. Es algo parecido a la diferencia de altura, si tenemos un objeto a una altura y lo soltamos se moverá hacia otra altura más baja; pero si el objeto lo tenemos sobre una mesa y lo soltamos, se quedará ahí dado que no puede desplazarse a una altura inferior.
La diferencia de potencial se mide en voltios, se representa por la letra V.
Los aparatos que miden la diferencia de potencial se denominan voltímetros. Uno de los bornes (lado) del voltímetro se pone en un punto del conductor y el otro borne del voltímetro en otro punto del conductor. El valor del voltímetro nos marcará la diferencia de potencial entre los dos puntos del conductor.
Intensidad de corriente que es la cantidad de carga que atraviesa una sección recta dada del conductor (superficie del mismo que resultaría de cortarlo perpendicularmente) en la unidad de tiempo (s), es decir, los culombios por segundo que atraviesan una sección recta del conductor.
La intensidad de corriente se mide en amperios, se representa por la letra A. Es una unidad fundamental del Sistema Internacional de unidades.
Los aparatos que miden la corriente eléctrica se denominan amperímetros. Se deben colocar entre medias del conductor que queremos medir; es decir, cortar el conductor, uno de los extremos se ponen en un borne del amperímetro y el otro extremo del conductor en el otro borne del amperímetro.
Resistencia eléctrica es la dificultad que encuentran las cargas eléctricas (habitualmente electrones) en su movimiento a través del conductor.
La resistencia se mide en ohmios, se representa por la letra Ω.
La intensidad de corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito. La constante de proporcionalidad es la resistencia eléctrica. Esta es la ley de Ohm. Matemáticamente se puede expresar de la siguiente forma:
Ejemplos de cálculo con la ley de Ohm.
* Solución:
- Datos e incógnitas:
- V = 3V
- I = 2A
- R = ¿?
- Cálculo: R = V / I → R = 3 / 2 = 1,5 Ω
* Solución:
Datos e incógnitas:
V = 12V
I = ¿?
R = 100 Ω
Cálculo: I = V / R → I = 12 / 100 = 0,12 A
Por un circuito pasa una corriente de 0,1 A. Si la resistencia total del circuito es de 50 Ω, ¿cuál es la diferencia de potencial entre los extremos del circuito?
* Solución:
Datos e incógnitas:
V = ¿?
I = 0,1 A
R = 50 Ω
Cálculo: V = R · I → V = 50 · 0,1 = 5 V
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Pedro Martínez /
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