Principios de electricidad.

03/05/2023 Lic. Carlos W. Mejía. 1

Unidad 3. Principios de electricidad.Objetivo de unidad: Investigar y describir con interés los fenómenos electromagnéticos, diseñando circuitos o aparatos y calculando experimentalmente sus propiedades y leyes que les sirvan para valorar el progreso de estas tecnologías en el bienestar de la vida del ser humano.La electrostática: es la rama de la Física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.


Electrostática: Carga eléctrica.• Alrededor del año 600 a. C., el filósofo griego Tales de Mileto descubrió que si

frotaba un trozo de la resina vegetal fósil llamada ámbar, en griego élektron, este cuerpo adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos. Algo más tarde, otro griego, Teofrasto (310 a. C.), realizó un estudio de los diferentes materiales que eran capaces de producir fenómenos eléctricos y escribió el primer tratado sobre la electricidad.

• A principios del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la navegación con brújulas magnéticas. El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad, creada a partir del término griego elektron (ámbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analizó sus experimentos y fue el primero en comentar que había fuerzas de atracción entre ciertos cuerpos y de repulsión entre otros.


• Definimos átomo como la partícula más pequeña en que un elemento puede ser dividido sin perder sus propiedades químicas. Aunque el origen de la palabra átomo proviene del griego, que significa indivisible, los átomos están formados por partículas aún más pequeñas, las partículas subatómicas.

• Generalmente, estas partículas subatómicas con las que están formados los átomos son tres: los electrones, los protones y los neutrones. Lo que diferencia a un átomo de otro es la relación que se establecen entre ellas.

• Los electrones tienen una carga negativa y son las partículas subatómicas más livianas que tienen los átomos. La carga de los protones es positiva y pesan unas 1.836 veces más que los electrones. Los únicos que no tienen carga eléctrica son los neutrones que pesan aproximadamente lo mismo que los protones.

• Los protones y neutrones se encuentran agrupados en el centro del átomo formado el núcleo atómico del átomo. Por este motivo también se les llama nucleones. Los electrones aparecen orbitando alrededor del núcleo del átomo.


Fuerza Electromagnética• La fuerza electromagnética es la interacción que se da entre cuerpos que poseen carga

eléctrica. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. • Cuando las cargas están en reposo, la interacción entre ellas se denomina fuerza

electrostática.• Dependiendo del signo de las cargas que interaccionan, la fuerza electrostática puede ser

atractiva o repulsiva. La interacción entre cargas en movimiento da lugar a los fenómenos magnéticos.

• Históricamente los fenómenos eléctricos y magnéticos se descubrieron y estudiaron de forma independiente, hasta que en 1861 James Clerk Maxwell unificó todos ellos en las cuatro ecuaciones que llevan su nombre.

• En el Sistema Internacional, la unidad de carga eléctrica es el Culombio (C). Un Culombio es la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio.


Ley de Coulomb.• Se expresa de la siguiente

manera:• La magnitud de cada una de las

fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas 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.

K= 9x109 N.m/C2


Potencial eléctrico.• El potencial eléctrico o potencial electrostático en un

punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba.

• Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica a velocidad constante.

• Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V).

• Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca ahí.

• Matemáticamente se expresa por:


Trabajo y Potencia de la Corriente Eléctrica• En los circuitos eléctricos, la energía potencial eléctrica provoca el

movimiento de cargas. Este movimiento, las dota de energía cinética que posteriormente puede transformarse en energía mecánica para mover motores, energía lumínica para encender luces, etc.

• Sin embargo, una parte importante de la energía cinética de las cargas se reduce debido a los continuos choques que se producen en los átomos mientras las cargas circulan de un lado a otro, provocando que parte de esta energía se disipe en forma de calor. A este fenómeno se le denomina efecto Joule, en honor al Físico británico James Joule (1818-1889). A continuación vamos a estudiar este efecto.


Energía potencial electrostática• La energía potencial electrostática o energía potencial eléctrica es

un tipo de energía potencial (medida en julios) que resulta de la fuerza de Coulomb y está asociada a la configuración particular de un conjunto de cargas puntuales en un sistema definido.

• No se debe confundir con el potencial eléctrico (medido en voltios). • El término "energía potencial eléctrica" se suele emplear para

describir la energía potencial en sistemas con campos eléctricos que varían con el tiempo, mientras que el término "Energía potencial electrostática" hace referencia a la energía potencial en sistemas con campos eléctricos constantes en el tiempo.


La corriente eléctrica o intensidad eléctrica

• La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material.

• Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material.

• En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.

• Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

• El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor por el que circula la corriente que se desea medir


• La Resistividad eléctrica es la resistencia eléctrica específica de un determinado material. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohm-metro(Ω•m)

• en donde es la resistencia en ohms, la sección transversal en m² y la longitud en m. Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica: un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que un valor bajo indica que es un buen conductor.

• Como ejemplo, un material de 1 m de largo por 1 m de ancho por 1 m de altura que tenga 1 Ω de resistencia tendrá una resistividad (resistencia específica, coeficiente de resistividad) de 1 Ω•m .

• Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura

• Resistencia Eléctrica: es la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor.

• La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.

• Para un conductor de tipo cable, la resistencia está dada por la siguiente fórmula:

.


• La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad (o de la aptitud) de un material o sustancia para dejar pasar (o dejar circular) libremente la corriente eléctrica.

• La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material.

• Los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles, y esto permite su movimiento.

• La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material, y de la temperatura.

• La conductividad es la inversa de la resistividad; por tanto, , y su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω−1·m−1. Usualmente, la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico y la densidad de corriente de conducción.

• La Conductancia eléctrica (G) es la facilidad que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica; es decir, que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia eléctrica.

• Al encontrar el recíproco de la resistencia eléctrica de un material se tendrá una medida de que tan bien conducirá éste la electricidad. La cantidad se llama conductancia, tiene el símbolo G y se mide en siemens (S).

• No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia específica de un material.

• La unidad de medida de la conductancia en el Sistema Internacional de Unidades es el siemens.

• Este parámetro es especialmente útil a la hora de tener que manejar valores de resistencia muy pequeños, como es el caso de los conductores eléctricos.


Circuitos de corriente eléctrica. • Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales

como resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semi miconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada.

• Un circuito lineal, que consiste de fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables), tiene la propiedad de la superposición lineal.

• Además son más fáciles de analizar, usando métodos en el dominio de la frecuencia, para determinar su respuesta en corriente directa, en corriente alterna y transitoria.

• Un circuito resistivo es un circuito que contiene solo resistores y fuentes de voltaje y corriente. El análisis de circuitos resistivos es menos complicado que el análisis de circuitos que contienen capacitores e inductores. Si las fuentes son de corriente directa, es denominado un circuito de corriente directa.

• Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.


Circuitos de corriente continua• La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) se refiere al flujo

continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo.

• A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés, de Alternating Current), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección.

• Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica).

• También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va (por convenio) del polo positivo al negativo


• La ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley de la electricidad. Establece que la diferencia de potencial que aparece entre los extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad de la corriente que circula por el citado conductor.

• Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica ; que es el factor de proporcionalidad que aparece en la relación entre V e I.


Ley de Joule• Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en

un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

• El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuas colisiones con los núcleos atómicos y como consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio cable.


Circuitos en serie, paralelo y mixtos.• Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes

o terminales de los dispositivos los cuales están unidos para un solo circuito (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros.) se conectan secuencial mente

• La terminal de salida del dispositivo uno se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

• En un circuito en serie los receptores están instalados uno a continuación de otro en la línea eléctrica, de tal forma que la corriente que atraviesa el primero de ellos será la misma que la que atraviesa el último.

• Un circuito paralelo es un circuito con más de un “camino” o ramificaciones a través de la cuales fluye la corriente eléctrica en los diagramas de cableado, los circuitos paralelos se parecen a una escalera, con dos o más rectángulos que contienen cargas (luces, etc.).

• Un circuito mixto: Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos, estos pueden colocarse de la manera que sea siempre y cuando se utilicen los dos diferentes sistemas de elementos, tanto paralelo como en serie.

• Estos circuitos se pueden reducir resolviendo primero los elementos que se encuentran en serie y luego los que se encuentren en paralelo, para luego calcular y reducir un circuito único y puro, bien sea en serie o en paralelo.

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