Es una rama de la Física que tiene el objeto el estudio de los principios, propiedades y relaciones que presentan los fenómenos eléctricos. A su vez se divide en:

Electrostática

Electrodinámica

Electroquímica

Electromagnetismo

Electrónica.

 

ELECTROSTÁTICA

 

Tiene por objeto el estudio de las cargas eléctricas que poseen los cuerpos y que se encuentran en estado de reposo o movimiento lento y además los fenómenos que producen los cuerpos electrizados.

 

CARGA ELECTRICA.- Es la cantidad de electrones no neutralizados que posee un cuerpo.

 

TEORIA ELECTRÓNICA.- Es la que mejor explica los fenómenos de electrización y los efectos que producen. Sus principios son las siguientes:

·      1º Toda la materia está formada por átomos y éstos a su vez por diminutas partículas llamadas. Protones, neutrones y electrones. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y de igual valor y los neutrones carecen de carga eléctrica.

 

 

·      2º Un átomo normal es eléctricamente neutro porque tiene el mismo número de protones y electrones. Ejm: el carbono normal es neutro porque tiene 6 protones con carga positiva  y 6 electrones con carga negativa.

·      3º La aparición de una carga eléctrica solamente es efecto del desequilibrio del número de electrones en un átomo; un cuerpo tendrá carga eléctrica negativa cuando haya ganado electrones y carga eléctrica positiva cuando haya perdido electrones.

 

·      4º Un cuerpo eléctricamente neutro al ponerse en contacto con otro cuerpo cargado, comparte con éste  último su desequilibrio eléctrico, adquiriendo carga eléctricas del mismo signo.

 

·      5º Algunos cuerpos retienen fuertemente a sus electrones libres no dejando circular la corriente eléctrica, a éstos se conoce como AISLADORES (la goma, plástico, la porcelana, vidrio, madera, cera, aire seco, agua cristalizada, etc.). Igualmente existen aquellos cuerpos que retienen débilmente  a sus electrones libres dejando circular fácilmente la corriente eléctrica; a éstos  se les conoce como CONDUCTORES (los metales, soluciones electrolíticas, aire húmedo, cuerpo humano, etc.).

 

 

PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS

 

“Es imposible producir o destruir una carga positiva sin que a su vez de produzca o se destruya una carga negativa de igual magnitud, esto es, la carga eléctrica total del universo permanece constante.”

 

Regla de acciones  mecánicas entre cargas eléctrica.- “Cargas eléctricas  de signos iguales se repelen y cargas eléctricas  de signos contrarios se atraen.”

 

LEY DE COULOMB PARA LAS CARGAS ELÉCTRICAS

 

“La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa un determinado medio.”

 

Su expresión matemática es la siguiente:

 

F= K Q₁.Q₂

           d²

 

F = Fuerza de atracción (-) ó de repulsión  (+)

K = Constante de proporcionalidad en el aire y en el vacío. Tiene los siguientes valores:

 

            SISTEMA cgs: 

 

                        K= 1 dina.cm²

                                 Franklin²           

                       

            SISTEMA MKS Y S.I

                        K= 9x10⁹ Newton.m²

                                        Coulomb²              

Q1 = Primera carga eléctrica

Q2 = Segunda carga eléctrica

d = Distancia que existe entre las dos cargas.

 

UNIDADES DE CARGA ELÉCTRICA.- Son las siguientes:

 

1.- UNIDAD NATURAL O QUANTUM DE CARGA ELÉCTRICA.- Es la cantidad  de carga eléctrica que posee un electrón o un protón:

            1 electrón = -1e^-

            1 protón = +1e

1 electrón = 1e^- = -1,602x10^-19 coulomb

 

2.- SISTEMA cgs.- EL FRANKLIN.- Es aquella carga que colocada a 1cm de distancia de otra igual y en el vacío, la fuerza con que se repelen vale una dina.

 

3.- SISTEMA internacional S.I. y MKS.- EL COULOMB.- Es aquella carga eléctrica que colocada a 1m de distancia de otra igual y en el vacío, la fuerza con que se rechazan vale 9x10⁹ newton.

 

CAMPOS ELÉCTRICOS

 

            Es el espacio que rodea a una carga eléctrica donde se manifiestan las acciones mecánicas de atracción o de repulsión.

 

LINEAS DE FUERZA.- Son líneas imaginarias que sirven para representar la dirección y sentido de las fuerzas que originan el campo eléctrico.

Se conviene considerar a las líneas de fuerza de las cargas positivas como si fueran radiadas y salientes, y las líneas de fuerza de las cargas negativas como si fueran radiadas y entrantes:

 

               

 

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO (E).- Es una magnitud vectorial, se considera como aquella fuerza que ejerce el campo eléctrico sobre la unidad de carga positiva ubicada en determinado punto. Su ecuación es la siguiente:

 

E = Intensidad del campo

F= Fuerza eléctrica

Q = Carga eléctrica

 

Pero,  F= K Q₁.Q₂

                    d²

 

Entonces:

 

            E = K.Q

                 d²

 

 

POTENCIAL ELÉCTRICO (V).- Es una magnitud escalar que mide el trabajo realizado por un agente exterior en trasladar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta un determinado punto  en contra de la fuerza de repulsión que ejerce el campo.

La diferencia del potencial entre dos puntos de un campo eléctrico es el trabajo  necesario  para trasladar la unidad de carga positiva  entre dichos puntos.

UNIDADES DE POTENCIAL ELÉCTRICO.-

 

Sistema cgs.- La unidad es el STAT VOLTIO (STV). Se define como aquel trabajo realizado por un ergio para trasladar un franklin de carga entre 2 puntos del campo.

V= Potencial eléctrico

W= Trabajo eléctrico (en joule)

Q= Carga eléctrica

 Recuerde que W= F.e                     

 

            cgs= ergio

            S.I = Joule = 10⁷ ergios

            W = trabajo mecánico

 

Sistema Internacional  y MKS.- La unidad es el VOLTIO. “La diferencia del potencial entre dos puntos  de un campo eléctrico es de un voltio cuando para trasladar un coulomb de carga  eléctrica se gasta el trabajo de un joule.

 

 

1 Joule = 10⁷ dinas

1 coulomb = 3x10⁹ franklin

 

La equivalencia entre el voltio  y el stat voltio se determina de la siguiente manera:

 

1voltio = 10⁷ ergios

            3x10⁹ franklin

 

 

1 VOLTIO =  1 STV

                      3x10²

 

1 V = 1/300 STAT VOLTIOS

 

1STV = 300 VOLTIOS

 

La unidad natural del potencial eléctrico es el ELECTRON VOLTIO (ev)

 

1ev = 1,6x10^-19 joule

 

GENERADOR ELECTROSTATICO.- Es un aparato que sirve para elevar el potencial eléctrico de las cargas a cantidades superiores al millón de voltios; este aparato fue concebido por LORD KELVIN en 1890 y fue construido por Van De Graaff en 1931. Se utiliza para acelerar partículas cargadas y de esta manera bombardear los núcleos atómicos para producir las fisiones nucleares. Este invento ha permitido la construcción de la primera bomba atómica.

 

 

 

EJERCICIOS

 

1.- Hallar la intensidad del campo eléctrico y el potencial en un punto del aire situado a 3cm de una carga de 5x10^-8C

 

 

2.- Hallar el trabajo necesario para trasladar una carga de 2x10^-7coulomb desde un punto a 30cm de una carga de   3x10^-6coulomb hasta otro a 12cm de la misma suponiendo que el medio es el vacío.

 

 

 

 

 

CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR PLANO.- La capacidad de un condensador plano de placas paralelas de igual superficie y separados por una determinada distancia está dada por la siguiente ecuación.

C = Capacidad eléctrica

Ke = constante dieléctrica propia del

         aislante

Eo = 8,85x10^-2C²/N.m²

A = superficie de las placas

d = Distancia entre las placas

 

 

ENERGIA ALMACENADA EN UN CONDENSADOR

La energía eléctrica almacenada en la carga de un condensador se representa por “W” y está dada por las siguientes ecuaciones:

 

W= C.V²

          2

 

W=  Q²

       2C

 

ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES.- Los condensadores se pueden asociar en SERIE y en PARALELO, pero se debe tener en cuenta la forma cómo se combinan las cargas, los potenciales y las capacidades para cada una de esas asociaciones:

 

1.- ASOCIACION EN SERIE.-

 

Carga Total	Qt = Q1 = Q2= Q3 = … Qn
Potencial Eléctrico Total	Vt = V1 + V2 + V3 + … Vn
Capacidad Total	1 =  1 +  1 +  1+ … 1 Ct   C1    C2   C3          Cn

 

 2.- ASOCIACIÓN EN PARALELO.-

 

 

 

Carga Total	Qt = Q1 + Q2 + Q3 +… Qn
Potencial Eléctrico Total	Vt = V1 = V2 = V3 = … Vn
Capacidad Total	Ct = C1 +  C2 + C3 +… Cn

 

EJERCICIO 01.-  Se tienen 3 condensadores planos que tienen los siguientes valores:

C_A=3µF;          C_B=2µF;          C_C= 5µF

V_A=6v; V_B=6v; V_C= 6v

Q_A =8µC; Q_B =8µC; Q_C=8µC

Cuál es la capacidad total, el potencial total y la carga total y la energía almacenada cuando se asocian. En serie y en paralelo.

EJERCICIO 02.- Dos condensadores de capacidades  C₁ = 3pF y C₂ = 6pF están conectados en serie y el conjunto se conecta a una fuente de tensión de 1000 voltios. Hallar.

a)    La capacidad del sistema

b)    La carga total y la de cada condensador

c)    La diferencia de potencial de los bornes de cada condensador

d)    La energía almacenada en el sistema

 

 

 

LA CORRIENTE ELÉCTRICA.- La corriente eléctrica es el desplazamiento de electrones a través de la sección recta de un conductor. La manera cómo se desplaza cada electrón es comparado con los choques sucesivos entre moléculas; esto quiere decir que los primeros electrones de un conductor reciben la energía del generador lo cual los hace saltar al último nivel de los átomos más próximos y los electrones libres de estos átomos también saltan a los últimos niveles de los siguientes átomos y así sucesivamente; esto hace que la velocidad  con que viaja la corriente eléctrica es aproximadamente igual a la velocidad de la luz.

Los electrones viajan del potencial negativo al potencial positivo. Sin embargo se toma por convención (teoría del Fluido de Benjamín Franklin) que el sentido de la corriente eléctrica va desde el potencial positivo al potencial negativo.

 

ELEMENTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA:

1.    Intensidad Eléctrica (I)

2.    Tensión Eléctrica (E)

3.    Resistencia Eléctrica (R)

 

SENTIDO DE LA CORRIENTE ELECTRICA.- La corriente eléctrica circula del polo negativo al polo positivo, por tratarse de un desplazamiento de electrones que sabemos tienen carga negativa.

Sin embargo el hecho de que se muevan los electrones significa un movimiento de cargas negativas en el mismo sentido y por lo tanto un movimiento de cargas positivas en sentido contrario, lo que quiere decir que una corriente eléctrica también se puede representar como un movimiento de cargas (positivas) desde el positivo al negativo.

 

Para la resolución de ejercicios y el análisis de circuitos se suele tomar este último sentido de circulación de la corriente (positivo a negativo) ya que facilita el cálculo y se lo llama sentido técnico. El otro, llamado sentido físico, corresponde al movimiento de los electrones.

 

1.- LA INTENSIDAD ELÉCTRICA.- Es aquella magnitud eléctrica que mide la cantidad de cargas negativas que circulan por la sección recta de un conductor en cada unidad de tiempo. Se mide con el AMPERÍMETRO, el mismo que se asocia en serie al circuito:

 

I= Q

    T

 

UNIDADES DE LA INTENSIDAD ELECTRICA

·        

            EN EL SISTEMA MKS y S.I.- La unidad es el AMPERIO. La intensidad de la corriente es de un amperio cuando por la sección recta de un conductor pasa 1 coulomb de carga eléctrica en cada segundo.

 

1 AMPERIO= 1Coulomb

                   1 segundo

 

1 AMPERIO= 6,24x10¹⁸e

                   1 segundo

 

 

·         EN EL SISTEMA c.g.s.- La unidad es el STATAMPERIO.-

 

1 STATAMPERIO= 1Franklin

                          1 segundo

 

2.-. LA TENSIÓN ELÉCTRICA.- Es la energía eléctrica que pone en movimiento a las cargas eléctricas dentro de un circuito eléctrico. Según el lugar donde se manifiesta la tensión recibe los nombres: FUERZA ELECTROMOTRÍZ Y DIFERENCIA DE POTENCIAL.

2.1. FUERZA ELECTROMOTRIZ (f.e.m).- Es aquella energía eléctrica ubicada en los bornes de un generador, antes que transporte cargas eléctricas

 

 

2.2. DIFERENCIA DE POTENCIAL (d.d.p).- Es el trabajo necesario para transportar la unidad de carga eléctrica entre dos puntos de diferente potencial, esto ocurre en un circuito eléctrico cerrado.

Tanto la f.e.m como la d.d.p se mide en voltios definiéndose como: cuando con un voltio se transporta un coulomb de carga eléctrica cuando la resistencia del conductor  es de un ohmio (Ω).

La ecuación que se utiliza es la siguiente:

 

V= W

      Q

 

3.- RESISTENCIA ELÉCTRICA (R).- Es una propiedad de los conductores; tratándose de la oposición que presentan estos al paso de la corriente eléctrica. Esta magnitud ha sido determinada por la llamada LEY DE OHM.

LEY DE OHM.- “La razón existente entre la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente es una cantidad constante propia de los conductores a una determinada temperatura.”  Esta Ley es básica en la electricidad porque se aplican a las distintas clases de circuitos eléctricos. Su ecuación es la siguiente:

R = V

       I

R= Resistencia - (Ω)

V = Tensión - (voltio) = E

I = Intensidad – (Amperio)

 

UNIDADES DE LA RESISTENCIA.- En el S.I. la unidad es el OHMIO (Ω). El ohmio se materializa en la unidad denominada OHMIO INTERNACIONAL; es la resistencia que ofrece una columna de mercurio de 1m de longitud, 1mm² de sección y a una temperatura de 0ºC.

 

RESISTENCIA DE LOS CONDUCTORES.- La resistencia que ofrecen los conductores al paso de la corriente eléctrica siempre que la temperatura se mantenga constante, se determina por las siguientes leyes:

·         1 Ley.- La resistencia de los conductores óhmicos es directamente proporcional a su longitud.

R α L

·         2 Ley.- La resistencia de los conductores óhmicos es inversamente proporcional a su sección recta. La sección recta equivale al área del círculo que se forma al dar un corte transversal al conductor.

R α 1/A

·         3 Ley.- La resistencia de los conductores es directamente proporcional a la resistividad.

R α

La resistividad es una magnitud que depende de la naturaleza del conductor; esta resistividad es consecuencia de la distribución electrónica, la fuerza con que el núcleo atrae a los electrones libres, la estructura molecular del conductor etc.

Resumiendo las tres leyes se obtiene la siguiente ecuación:

R = Resistencia

p = Resistividad del conductor

L = Longitud del conductor

S = Área de la sección recta del conductor

 

PROBLEMA 1.- Hallar la resistencia de una varilla de cobre de 2 m de largo y 8mm de diámetro, sabiendo que la resistividad de este metal vale 1,75x10^-8ohmios/m.

PROBLEMA 2.- Cuántos e- han circulado por un circuito que consume 5 amperios de intensidad y funciona durante 15 minutos.