electricidad 1

ELECTRICIDAD• ¿Qué es?

INTRODUCCIÓN

De donde viene la electricidad

• Todos los cuerpos están formados por átomos que contienen partículas con carga eléctrica, carga que es una propiedad intrínseca de las partículas elementales.

• Los electrones con carga negativa• Los protones con carga positiva

Origen histórico de la electricidad

• Los primeros estudios que se conocen con la electricidad se hicieron en la antigua Grecia, alrededor del siglo VI a.C. En esos tiempos estudiaban fenómenos en los que ciertos materiales, como el ámbar, después de ser frotados eran capaces de atraer cuerpos pequeños como trozos de cabello. El filósofo griego Tales de Mileto fue uno de los que estudió estos fenómenos. Incluso la palabra electricidad deriva de elektrón que en griego significa ámbar

CONTENIDOSCARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA • Tipos de cargas• Conductores y aisladores• Interacciones eléctricas• Métodos de electrización• Voltaje• Corriente eléctrica• Ley de Ohm • Potencia y ley de Joule• Circuitos Eléctricos • Leyes de Kirchoff

¿Qué es la electricidad?

¿Dónde la vemos?

¿Dónde está la electricidad?

¿Cómo se genera?

Nuestra civilización depende de la electricidad

Algunos aparatos eléctricos de la vida cotidiana...

¿Cómo sería nuestra vida sin electricidad?

Carga y corriente eléctrica

¿Qué entender por electricidad?

Nosotros utilizamos la electricidad

Pero ha existido desde el origen del universo. Incluso antes de la formación de la materia.

Electrostática

Existen 2 tiposde cargas

Un cuerpo está compuesto por muchas cargas.

Existen 3 tipos de cuerpos según su carga eléctrica neta.

Positivas (+)

Negativa (-)

Positivas (+)

Negativa (-)

Neutro

Tipos de cargas

+ – + –+ + +

– + –– + –

+ + +– – –

Positivo

Negativo

Neutro

Cargas + = 5Cargas – = 2

Carga total = +3

Cargas + = 2Cargas – = 4

Carga total = -2

Cargas + = 3 Cargas – = 3

Carga total = 0

¿Cómo saber la carga total de un cuerpo?

Tipos de cargas

¿Qué le ocurre a una peineta de plástico queha sido frotada con el pelo?

¿Si los papeles están neutros, porqué la peineta atrae a los papeles?

Tipos de cargas

¿Qué es la electroestática?¿Qué es la electrodinámica?

Interacciones Eléctricas

Cuando el átomo gana o pierde un electrón se ledenomina ión negativo o positivo, respectivamente.

El átomo…

Interacciones Eléctricas

Métodos de electrizaciónde los cuerpos

Carga por Fricción o frotación

• La fricción como ya se sabe, trae muchas cosas por descubrir una de ellas es la transferencia de electrones de un material a otro, nos podemos dar cuenta de esto cuando nos peinamos o acariciamos un gato.

• Hay materiales que mediante la fricción quedan electrizados durante un tiempo, y esto es por la transferencia de electrones de un cuerpo a otro.

Métodos de electrización

saltan más electrones de uno al otro¿Por qué?

Carga por Contacto

• Se puede transferir electrones de un material a otro por simple contacto.

• Si el objeto es buen conductor la carga se distribuye en toda su superficie porque las cargas iguales se repelen entre sí.

• Si se trata de un mal conductor puede ser necesario tocar con la barra varias partes del objeto para obtener una distribución de carga más o menos uniforme.

Carga por Inducción

• Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora.

• La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.

• Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.

Carga por Inducción

Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre


c) Electrización por inducción

Cuerpos neutros se inducen cargas

resultado -> cargado negativamente

¿Para qué sirve el electroscopio?

• El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo e identificar el signo de la misma.

• El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera y las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.

Electroscopio

EJERCICIO Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda y se toca con ella la bolita del electroscopio, ¿qué afirmaciones son correctas?(a) el electroscopio se carga por inducción(b) el electroscopio se carga por contacto(c) el electroscopio se carga positivamente(d) el electroscopio se carga negativamente

V

F

V

F

--- - - --

-

-

-- -

-

--

Explicación:El vidrio se carga negativamente.Al tocar la bolita del electroscopio pasan los electrones y se carga todo negativamente .

el electroscopio se carga por inducción

(a )

el electroscopio se carga por contacto

(b)

el electroscopio se carga positivamente(c)

el electroscopio se carga negativamente(d)

EJERCICIO Indica si las frases que van apareciendo en la pantalla son verdaderas (V) o falsas (F).

F

V

F

F

Si un cuerpo adquiere una carga positiva ha perdido todos sus electrones.

Si un cuerpo pierde electrones, su masa varía apreciablemente

Hacer experimentos de electricidad es más difícil

en días húmedos.

Si acercamos un objeto cargado positivamente a un electroscopio cargado positivamente, la lámina móvil cae, o si hay dos láminas, dejan de estar separadas.

EJERCICIO 6

A mediados del siglo XVIII, Benjamin Franklin descubrió la naturaleza eléctrica de las tormentas, y logró conducir a tierra la carga de una nube a través de una cometa. Hoy se sabe que en una nube de tormenta la parte superior está cargada positivamente, mientras que la inferior está cargada negativamente. Teniendo en cuenta esta información y los fenómenos de electrización, intenta explicar cómo se produce la “caída” de un rayo, así como el relámpago y el trueno que lo acompañan.

- --

+ + + + +

+ + +

- - ---

+ + + + + + + +

La nube de tormenta se carga

La tierra se carga por inducción

Se produce un flujo de cargas negativas hacia tierra: es el rayo; el aire se calienta y se expande, como en una explosión, y aparecen sonido (trueno) y luz (relámpago).


¿En qué unidad se mide la carga eléctrica?

¿Cuál es la carga del electrón, y del protón?

La unidad de carga eléctrica…

Charles Coulomb(1736 – 1806) Físico francés

1C = ?e = ?e = ?

Unidad de medida de la carga eléctrica es el Coulomb: C

• Carga del electrón:

• Carga del protón:

• Carga del neutrón: 0

FUERZA ELECTRICA

Charles Coulomb (1736-1806), fué el que creó la ley.

Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que les rodea.Como fuerzas de interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une.

• La expresión matemática de la ley de Coulomb es:

• Cargas con signos iguales darán lugar a fuerzas (repulsivas) de signo positivo, en tanto que cargas con signos diferentes experimentarán fuerzas (atractivas)

de signo negativo.• La constante de proporcionalidad K toma en el vacío un

valor igual a: K = 8,9874 · N ·

Ley de Coulomb

Laboratorio Virtual:http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/fuerza/fuerza.htm#Electricidad%20por%20frotamiento

Ejercicio 1 Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = + 1 · C. y q2 = + 2,5 · C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.

Recurriremos a la ley de Coulomb previo transformar todas las magnitudes en juego a unidades del sistema internacional de medidas nos queda que:

Respuesta: La fuerza de repulsión tiene un módulo de 9 N. pero debemos indicar además en un esquema gráfico las demás características del vector tal como se indica en el gráfico

Ejercicio 2 Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 · C. y q2 = +2 · C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.

Resolución: Al transformar las unidades nos queda:

Como la respuesta obtenida es de signo negativo nos está indicando que la fuerza es de atracción.Respuesta: La fuerza de atracción tiene un módulo de 2,25 x 10-2 N. pero debemos indicar además en un esquema gráfico las demás características del vector lo que sería así:

Ejercicio 3 Sobre los extremos de un segmento AB de 1,00 m. de longitud se fijan dos cargas. Una q1 =+4 · C. sobre el punto A y otra q2=+1 · C. sobre el punto B . a) Ubicar una tercera carga q=+2 · C. sobre AB de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultánea de las dos cargas dadas.b) La ubicación correcta de q, ¿depende de su valor y signo?

Resolución: a) para obtener la posición de la carga q en el punto C de modo que se encuentre en equilibrio, se debe dar que la fuerza total sobre ella sea nula, es decir que la interacción entre la carga q1q y q2q deben ser fuerzas de igual módulo y sentidos opuestos.

Para que la suma de las fuerzas de sentido contrario sea cero sus

módulos deben ser iguales.

Se ha llamado d a la distancia entre las cargas q1 y q y como la distancia total entre q1 y q2 es de 1 m. la distancia entre las cargas q y q2 es la diferencia entre 1 m. y d. (1-d)

por lo tanto

y luego de las simplificaciones nos queda

ordenando y resolviendo la ecuación de 2º grado resulta que

Como el dato que estamos buscando es entre las cargas que se encuentran separadas 1 m. en total, la solución buscada es d=0.67 m. por lo que la distancia a la otra carga será 1 - 0.67 = 0.33 m.

b) La ubicación de q no depende de su valor ni de su signo. Que no depende de su valor se ve claramente cuando se produce su simplificación en la igualdad de módulos

Obsérvese que en ambas expresiones que se igualan tenemos el valor q como factor por lo tanto si son simplificados, no intervienen en el cálculo de d. En cuanto al signo, tanto sea la carga q positiva o negativo, da como resultado que los vectores que actúan sobre ella son siempre opuestos, pues ambos serán de repulsión o de atracción, respectivamente.

Respuesta:

a) la carga q se ubicará a una distancia de 0.67 m. de la carga q1

b) No depende de la carga ni de su valor ni de su signo.

Resumen• Cuando un cuerpo es electrizado por otro la cantidad de

electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro, debido a la conservación de la carga.

• La conservación de la carga es una de las piedras angulares de la física, a la par con la conservación de la energía de la cantidad de movimiento.

• La Fuerza eléctrica entre cargas depende de la naturaleza del medio que las rodea, de la separación de las cargas y de la cantidad de carga.

• La Fuerza eléctrica de atracción o repulsión son iguales y contrarias de acuerdo al principio de acción y reacción.

• Por inducción un lado del átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado.

• Si se acerca un objeto negativo los objetos que van a ser atraídos van a mandar los electrones al otro extremo mientras que los positivos van a estar más pegados al objeto.

• Se presenta el fenómeno de polarización cuando trozos de papel neutros son atraídos por un objeto cargado o cuando se coloca un globo cargado en una pared.

Polarización de la Carga

Electrodinámica

¿Cómo mido la corriente?

André Ampère (1775-1836)

Corriente eléctrica

CORRIENTE ELECTRICA

Cuando las cargas eléctricas se mueven en una misma dirección se genera la corriente eléctrica. La corriente eléctrica es la que permite el funcionamiento de los aparatos eléctricos. El estudio de las cargas en movimiento se llama electrodinámica.Si quisiéramos medir o contar la cantidad de carga de una corriente, entonces estamos considerando la intensidad de corriente eléctrica que corresponde a la cantidad de carga que pasa por una sección transversal de un conductor por unidad de tiempo.


Relación matemática entre cantidad de carga por unidad de tiempo que corresponde a la intensidad de corriente

Ejercicios:

1.- ¿Cuánta corriente circula a través de un conductor cuando pasa una carga eléctrica igual a 1C en 5 seg ?..Considere que la carga de un electrón es 1,6 • C o bien que 1 C equivale a la carga de 6,25 • electrones. Respuesta . 0,2 Ampere2.- ¿Cuál es el valor de la carga eléctrica que circula por un conductor en 12 segundos si la intensidad de corrientes 0.25 A? Respuesta: 3 Coulomb3.- ¿Cuántos electrones fluyen por un conductor en 5 segundos si la corriente que circula es de 6 Ampere?

Respuesta . 187,5 • electrones

• La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.

• Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo.

Corriente Continua

Corriente Alterna

• En la corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan de un polo a otro, sino que a partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (número de oscilaciones por segundo).

• Por tanto, la corriente así generada (contraria al flujo de electrones) no es un flujo en un sentido constante, sino que va cambiando de sentido y por tanto de signo continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones.

¿Qué significa una diferencia de potencial de 1 volt?

1Volt = ?

Alessandro Volta (1745-1827) junto a su pila voltaica

Voltaje

VOLTAJE

• El voltaje se puede entender como la capacidad de una carga eléctrica para moverse en presencia de una fuerza eléctrica. Se dice que el voltaje es energía por unidad de carga.

El voltaje también se denomina diferencia de potencial eléctrico.La unidad de medida del voltaje es el volt, cuyo símbolo es V. Una diferencia de potencial de 1 V significa que para mover una carga de 1 Coulomb entre dos puntos se necesita 1Joule de energía

Voltaje


¿Qué pasa si medimos el voltaje y la corriente que

pasa por una resistencia?

Georg Simon Ohm (1787-1854) Físico alemán

Ley de OHM

Ley de OHM

¡¡Existe una proporción directa entre voltaje y corriente!!

¿Qué pasa si variamos la temperatura de la resistencia?

Ley de OHM

¿Cómo expresamos esta relación matemáticamente?

= constante = R(ohm)

¿De qué depende la resistencia?

Ley de Ohm

V = I · R V : Voltaje I : Intensidad R : Resistencia

Resistencia eléctrica


Algunas resistividades…

Ejercicio

1. Calcular el valor de la resistencia de un conductor de

cobre de 20mm de longitud y 0,5cm de diámetro:

Potencia y ley de Joule

¿Cómo medimos el gasto de un dispositivo electrónico?

Midiendo la potencia disipada

Potencia y ley de joule

¿Qué significa1 watt de potencia?

¿Qué me cobran cuando pago la cuenta de la luz?

James Watt (1736-1819)


Potencia y ley de JOULE

Ley de Joule

Potenciacorriente

voltaje

Energía

Tiempo

Potencia

¿Qué es la POTENCIA?

E = W · t

W = V · I

Una pila cuesta $ 200. Su tensión es de 1,5 V y puede entregar 2 Adurante 6 horas, calcule:a) La potencia.b) La energía.c) El costo de cada KwhDesarrolloDatos: I = 2 A V = 1,5 V Costo pila = $ 200t = 6 h = 21600 s

1. W = V · I P = 1,5 V.2 A W = 3 watt

b) E = W · t E = 3 watt · 21600 s E = 64800 J =0,018 Kwh

c) Costo = c pila/ E Costo = $ 200 / 0,018 kw.h

Costo = 1.111,1 $/kwh

Ejercicio

CIRCUITOS ELECTRICOS

Circuitos eléctrica

Circuitos eléctricos

La energía se tieneque conservar en uncircuito cerrado

¿Cómo se escribe la conservación para los circuitos en serie y en paralelo?

Gustav Robert Kirchhoff

Leyes de Kirchoff

Leyes de Kirchoff

EN EL SIGUIENTE CIRCUITO LA PILA TIENE UNA TENSION DE 10 VOLTIOS Y LAS RESISTENCIAS VALEN R1 = 1 Ω, R2 = 2 Ω, R3 = 3 Ω y R4 = 4 Ω . CALCULAR:

a ) La Resistencia Equivalenteb ) La Corriente que circula por la pila c ) La Corriente que circula por R1 Y R2

¿ quién está en paralelo y quién está serie ?

Rta: Una forma de ver esto es buscando nodos, que son los puntos en donde la corriente puede tomar distintos caminos. Acá los marqué con a y b. Entonces, la R1 está en paralelo con la R2 la R3, y la R4. Ahora bien, las cargas que pasan por R2 son las mismas que pasan por R3 y R4, luego estas R están en serie. Entonces la cuenta que tenemos que hacer para calcular la R equivalente es:

Están en paralelo

Ejercicio 1

Conclusión: R EQUIV = 0,9 Ohms

b) – La corriente que circula por la pila va a ser:

I = V / R EQUIV = 10 Volts / 0,9 Ohms

I = 11,11 Ac) – Calculo la corriente que va por R1 y la que va por las R 2,3 y 4 :

I1 = VAB / R1 = 10 V / 1 Ω = 10 A

I 2,3 y 4 = VAB / R 2,3 y 4 = 10 V / 9 Ω = 1,11 A

La corriente total es la suma de las corrientes. En este caso la I TOTAL vale:

I = 10 A + 1,11 A = 11,11 A

I = 11,11 A

Ejercicio 2

Calcular la ddp entre los puntos a y b y las corrientes por las resistencias del circuito de la siguiente figura.:Como Vd=0 la Vab=4V

Nota: Si las 4 resistencias tuviesen el mismo valor de R, la dpp entre los puntos a y b seria de 0V.

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