ELECTRICIDAD

 

La palabra electricidad se deriva del vocablo griego elektron, que significa ámbar, esto se basa en los experimentos del filósofo griego Tales de Mileto, quien descubrió que frotando un pedazo de ámbar, éste tenía la capacidad de atraer objetos más livianos. Si bien no logró identificar por completo el concepto de electricidad sobre la distribución de cargas, Mileto concluyó que la electricidad provenía del objeto frotado. [Por electricamx]

¿QUÉ ES LA ELECTRICIDAD?

Fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos , térmicos luminosos y químicos en otras palabras es el flujo de electrones.Consiste en aquella interacción negativa o positiva existente entre los protones y electrones de la materia.

¿QUÉ ES UN ELECTRÓN?

La teoría atómica moderna sobre la materia sostiene que todas las sustancias están formadas por ÁTOMOS y MOLÉCULAS. Cada átomo tiene una parte central cargada positiva-mente a la que se le llama núcleo, que está rodeado de una nube de electrones con carga negativa.

El núcleo consta de cierto número de protones, cada uno de ellos con una sola unidad de carga positiva y uno o más neutrones. Como su nombre lo sugiere, un neutrón es una partícula particularmente neutra. En condiciones normales, un átomo de materia se encuentra neutro o sin carga debido a que contiene el mismo número de protones en su núcleo y alrededor de éste. 

                   
Si por alguna razón, un átomo neutro pierde uno o más de sus electrones exteriores, el átomo tiene una carga neta positiva y se le conoce como ION positivo. Un ION negativo es un átomo que ha ganado una o más cargas adicionales. 

Cuando dos materiales particulares se ponen en contacto estrecho, algunos electrones más debilmente retenidos se puede transferir de un material a otro.


EJEMPLO : Cuando una barra de ebonita se frota con un pedazo de piel, los electrones se transfieren de la piel a la barra, dejando exceso de electrones cobre la barra y una deficiencia de electrones en la piel.


Un objeto que tiene un exceso de electrones está cargado negativamente, y un objeto que tiene una deficiencia de electrones está cargado positivamente.
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ELECTROSTÁTICA

Es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de carga estáticas. Estudia las cargas eléctricas en reposo o en equilibrio.

Hace referencia a una propiedad de la materia, la cual se manifiesta electrostática mente, a través de la atracción o repulsión de los objetos que las poseen.

¿QUÉ ES LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA?

Es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas de un objeto. Esta acumulación puede dar origen a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. Antes del año 1886, fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos, los físicos pensaban que la electricidad estática era diferente a la obtenida por otros métodos.

Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán ,la electricidad producida por una batería y la electricidad estática son todas iguales.

FORMAS DE CARGAR UN CUERPO 

ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO:

Se puede cargar un cuerpo por solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. 

Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, de esta manera los dos cuerpos quedan cargados con la misma carga.

                                 

ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO:

Al frotar dos cuerpos electricamente neutros, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

                                        

ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN:

Un cuerpo cargado puede atraer a otro cuerpo que esta neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación la distribución inicial se ve alterada:

Las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a este. 

                             

AISLANTES Y CONDUCTORES 

Un trozo de materia esta compuesta de muchos átomos dispuestos de una manera peculiar de acuerdo con el material. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres, que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la habilidad de transferir carga de un objeto a otro, y se les llama CONDUCTORES. 

Un conductor es un material a través del cual se transfiere fácilmente la carga.

La mayoría de los metales son buenos conductores.

Un aislante es un material que se resiste al flujo de carga.

Ejemplos de buenos aislantes son la ebonita, el plástico, la mica, la baque lita, el azufre y el aire.

Un semiconductor es un material con capacidad intermedia para trasportar carga.
                                            

Ley de Coulomb:

También conocida como ley de rozamiento, esta se basa en experimentos realizados con cuerpos cargados, y se los cuales se obtuvieron las siguientes conclusiones:
*Todo cuerpo cargado sufrirá una fuerza de atracción o repulsión cuando se acerque a otro cuerpo cargado.
*El valor de la fuerza de atracción es proporcional al producto del valor de las cargas de los cuerpos
*Se generan fuerzas de atracción si el signo de la carga es igual y si es diferente se obtiene una fuerza de repulsión
*La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa
En estas conclusiones se basa principalmente la ley de Coulomb
La fuerza eléctrica con la que se atraen o se repelen dos fuerzas (en reposo), es directamente proporcional al producto de las mismas, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y actúa en la dirección de la recta que las une.
La formula de la ley de Coulomb es: F = (K) ( (q1) (q2) ) /r^2
Donde:

*F, es la fuerza de atracción o repulsión, en el S.I. se mide en Newtons (N)

*Q y q, son cargas puntuales, en el S.I. se mide en Culombios (C)

*r es la distancia que separa las cargas, en el S.I. se mide en metros (m)

*K, la cual es una constante propia de la ley de Coulomb, es una constante de proporcionalidad, no es una constante universal, depende del medio donde se encuentren las cargas puntualmente para el vacío K  vale: ((9)(10)^9)N·m²/C²

                                

CONCEPTO DE CAMPO

Tanto el campo eléctrico como la fuerza gravitacional son ejemplos de FUERZAS DE ACCIÓN A DISTANCIA, las cuales resultan extremadamente difíciles  de visualizar. En la antigüedad para poder visualizar postularon la existencia de un material invisible, al que llamaron éter, que supuesta mente llenaba todo el campo.

La fuerza de atracción gravitacional podía deberse entonces a esfuerzos en el éter causados por la presencia de diversas masas.Ciertos experimentos de óptica han demostrado que la teoría del éter es insostenible, lo que nos ah obligado a considerar si el espacio en sí mismo tiene propiedades interesantes para el físico.

Se puede afirmar que la sola presencia de una masa altera el espacio que la rodea, y de ese modo se produce una fuerza gravitacional sobre otra masa cercana. Esta alteración en la masa se describe mediante la introducción al concepto de un CAMPO GRAVITACIONAL que rodea a todas las masas.

La intensidad en cualquier punto sería proporcional a la fuerza que experimenta una masa dada en ese punto. Por ejemplo en la proximidad de la tierra, el campo gravitacional podría representarse cuantitativamente con

                                                              g= F/m 

Donde g= aceleración debida de la fuerza de gravedad
           F= fuerza gravitacional
           m=masa de prueba

Es posible aplicar el mismo concepto de campo a los objetos cargados eléctrica-mente . El espacio que rodea a un objeto cargado se altera en presencia de la carga.Podemos postular la existencia de un CAMPO ELÉCTRICO. Se dice que existe un campo eléctrico en una región de espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza eléctrica. 

Esta definición proporciona una prueba de la existencia de un campo eléctrico. Basta colocar una carga en ese punto. Si se observa una fuerza eléctrica, existe un campo eléctrico en ese punto.

Del mismo modo que la fuerza por unidad de masa constituye una definición cuantitativa de un campo gravitacional, la intensidad de un campo eléctrico puede representarse mediante el concepto de fuerza por unidad de carga.

La intensidad de un campo eléctrico E en un punto se suele definir en términos de fuerza F que experimenta una carga positiva pequeña q+ cuando esta colocada precisamente en el punto. La magnitud de la intensidad del campo eléctrico esta dada por :

                                                                      E=F/q

El sistema metrico , una unidad de intensidad de campo eléctrico es el NEWTON POR COULOMB (N/C).

Puesto que la intensidad del campo eléctrico se define en términos de una carga positiva, su dirección en un punto cualquiera es la misma que correspondería a la fuerza electrostática sobre una carga positiva en el mismo punto.

La dirección de la intensidad de campo eléctrico E en un punto en el espacio es la misma en la que una carga positiva se movería si se colocaran en ese punto.

En sus primeras investigaciones Michael Faraday desarrolló un ingenioso sistema para observar los campos eléctricos, el cual consiste en representar tanto la intensidad como la dirección de un campo mediante líneas imaginarias denominadas líneas de campo eléctrico. 

Las líneas del campo eléctrico son líneas imaginarias trazadas de tal manera que su dirección en cualquier punto es la misma que la dirección del campo eléctrico en ese punto. 

En general, la dirección del campo eléctrico en una región del espacio varía de un lugar a otro; por tanto normalmente las líneas eléctricas son curvas

La dirección de la línea del campo eléctrico en cualquier punto es la misma que la del vector resultante del campo eléctrico en ese punto. Deben seguirse dos reglas al construir líneas del campo eléctrico:

1. La dirección de la línea del campo en cualquier punto es la misma que la dirección en la que se movería una carga positiva si estuviera colocada en ese punto.

2. La separación entre las líneas del campo debe ser tal que estén más cercanas cuando el campo sea fuerte y más alejadas cuando el campo sea débil.
        

Como consecuencia de la forma en que se trazan las líneas eléctricas siempre saldrán cargas positivas y entrarán cargas negativas. Ninguna línea puede originarse o terminar en el espacio, aunque un extremo de una línea eléctrica puede extenderse hasta el infinito.

LEY DE GAUSS

Ley de Gauss 

Esta ley hace parte de las cuatro ecuaciones de Maxwell, esta relaciona el campo eléctrico con sus fuentes

Esta ley nos permite calcular de una forma bastante simple el modulo del campo eléctrico cuando se conoce la distribución de cargas con simetría esférica o cilíndrica, tal como se vera a continuación

Cuando el vector del campo eléctrico E es constante en todos los puntos de una superficie S , se denomina flujo al producto escalar del vector campo por el vector superficie Φ =E·S

El vector superficie S es un vector que tiene por modulo el área de dicha superficie, la dirección es perpendicular  al plano que contiene

Cuando el vector campo E y el vector superficie S son perpendiculares el flujo es cero

Si el campo no es constante o la superficie no es plana, se calcula el flujo a través de cada elemento dS de superficie, E·dS. El flujo a través de la superficie S, es

Φ=∫SE⋅dS${\displaystyle \Phi ={\displaystyle \underset{S}{\int }E·dS}}$

La ley de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga que hay en el interior de dicha superficie dividido entre ε₀.

∮E⋅dS=qε0

La ley de Gauss también puede ser vista como una derivación de la ley de coulomb, debido a que de otra manera de expresar el campo eléctrico, generado por una carga que posea simetría.

Para poder aplicar la ley a un problema particular debemos seguir los siguientes pasos:

1. A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico.
2. Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo.
3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada.
4. Aplicar el modelo matemático de la ley de Gauss y despejar la magnitud del campo eléctrico.

Esta ley se aplica a cualquier superficie cerrada, nos permite evaluar la carga encerrada, esto por medio de una cartografía del campo sobre una superficie exterior a la distribución de las cargas.