Tema 2: ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE LA MATERIA
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FÍSICA 12°-CIDMI-PROF. MIGUEL A. RUDAS
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ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE LA MATERIA
TEMA No. 2:
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TEMA 2:
ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE LA MATERIA
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y
magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y
formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell.
Electricidad Magnetismo Electromagnetismo
Generalidades:
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Electricidad
La Electricidad se divide en dos sub-áreas que son:
Electrostática
Electrodinámica
Es la rama de la electricidad
que estudia la interacción de
las cargas eléctricas en
estado de reposo.
Es la rama de la electricidad
que estudia la interacción de
las cargas eléctricas en
estado de movimiento.
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¿DE DÓNDE VIENE LA ELECTRICIDAD?
- Historia de la electricidad
- Aportes de grandes filósofos y científicos:
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Thales de Miletus (630−550 AC) fue el primero, que
cerca del 600 AC, conociera el hecho de que el ámbar,
al ser frotado adquiere el poder de atracción sobre
algunos objetos.
En 1600, la Reina Elizabeth I ordena al Físico
Real Willian Gilbert (1544−1603) estudiar los imanes
para mejorar la exactitud de las Brújulas usadas en la
navegación, siendo éste trabajo la base principal para
la definición de los fundamentos de la Electrostática y
Magnetismo.
En 1752, Benjamín Franklin (1706−1790) demostró la
naturaleza eléctrica de los rayos.
Desarrolló la teoría de que la electricidad es un fluido
que existe en la materia y su flujo se debe al exceso o
defecto del mismo en ella. Inventó el pararrayos.
En 1776, Charles Agustín de Coulomb
(1736−1806) inventó la balanza de torsión con la cual,
midió con exactitud la fuerza entre las cargas
eléctricas y corroboró que dicha fuerza era
proporcional al producto de las cargas individuales e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que las separa. Coulomb es la unidad de medida de
Carga eléctrica.
Historia de la electricidad
Aportes de grandes filósofos y científicos:
En 1800, Alejandro Volta (1745−1827) construye la
primera celda Electrostática y la batería capaz de
producir corriente eléctrica. Su inspiración le vino del
estudio realizado por el Físico Italiano Luigi Galvani.
Luigi Galvani (1737−1798) realizó estudios sobre las
corrientes nerviosas−eléctricas en las ancas de ranas.
Galvani propuso la teoría de la Electricidad Animal, lo
cual contrarió a Volta, quien creía que las
contracciones musculares eran el resultado del
contacto de los dos metales con el músculo. Inventó la
pila.
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Historia de la electricidad
Aportes de grandes filósofos y científicos:
Desde 1801 a 1815, Sir Humphry Davy
(1778−1829) desarrolla la electroquímica (nombre
asignado por él mismo), explorando el uso de la pila
de Volta o batería, y tratando de entender como ésta
funciona.
En 1801 observa el arco eléctrico y
la incandescencia en un conductor energizado con
una batería.
Entre 1806 y 1808 publica el resultado de sus
investigaciones sobre la electrólisis, donde logra la
separación del Magnesio, Bario, Estroncio, Calcio,
Sodio, Potasio y Boro.
En 1807 fabrica una pila con más de 2000 placas
doble, con la cual descubre el Cloroy demuestra que
es un elemento, en vez de un ácido.
En 1815 inventa la lámpara de seguridad para los
mineros.
En 1819, El científico Danés Hans Christian Oersted
(1777−1851) descubre el electromagnetismo, cuando
en un experimento para sus estudiantes, la aguja de la
brújula colocada accidentalmente cerca de un cable
energizado por una pila voltaica, se movió. Este
descubrimiento fue crucial en el desarrollo de la
Electricidad, ya que puso en evidencia la relación
existente entre la electricidad y el magnetismo.
En 1823, Andre−Marie Ampere (1775−1836) establece
los principios de la electrodinámica, cuando llega a la
conclusión de que la Fuerza Electromotriz es producto
de dos efectos: La tensión eléctrica y la corriente
eléctrica. Experimenta con conductores, determinando
que estos se atraen si las corrientes fluyen en la misma
dirección, y se repelen cuando fluyen en contra.
Ampere produce un excelente resultado matemático de
los fenómenos estudiados por Oersted.
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Historia de la electricidad
Aportes de grandes filósofos y científicos:
En 1826, El físico Alemán Georg Simon Ohm
(1789−1854) fue quien formuló con exactitud la ley de
las corrientes eléctricas, definiendo la relación exacta
entre la tensión y la corriente. Desde entonces, esta ley
se conoce como la ley de Ohm.
Ohm es la unidad de medida de la Resistencia Eléctrica.
En 1831, Michael Faraday (1791−1867) a los 14 años
trabajaba como encuadernador, lo cual le permitió tener
el tiempo necesario para leer y desarrollar su interés por
la Física y Química. A pesar de su baja preparación
formal, dio un paso fundamental en el desarrollo de la
electricidad al establecer que el magnetismo produce
electricidad a través del movimiento.
En 1835, Simule F.B. Morse (1791−1867), mientras
regresaba de uno de sus viajes, concibe la idea de un
simple circuito electromagnético para transmitir
información, El Telégrafo.
En 1845, Gustav Robert Kirchhoff (1824−1887) Físico
Alemán a los 21 años de edad, anunció las leyes que
permiten calcular las corrientes, y tensiones en redes
eléctricas. Conocidas como Leyes de Kirchhoff I y II.
En 1870, James Clerk Maxwell
(1831−1879) Matemático Inglés formuló las cuatro
ecuaciones que sirven de fundamento de la teoría
Electromagnética. Dedujo que la Luz es una onda
electromagnética, y que la energía se transmite por
ondas electromagnéticas a la velocidad de la
Luz Maxwell es la unidad del flujo Magnético.
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Historia de la electricidad
Aportes de grandes filósofos y científicos:
En 1881, Thomas Alva Edison (1847−1931) produce
la primera Lámpara Incandescente con un filamento
de algodón carbonizado. Este filamento permaneció
encendido por 44 horas.
En 1881 desarrolló el filamento de bambú con 1.7
lúmenes por vatios. En 1904 el filamento
de tungsteno con una eficiencia de 7.9 lúmenes por
vatios. En 1910 la lámpara de 100 w con
rendimiento de 10 lúmenes
En 1884, Heinrich Rudolf Hertz
(1847−1894) demostró la validez de las ecuaciones
de Maxwell y las
reescribió, en la forma que hoy en día es conocida.
En 1888 Hertz recibió el reconocimiento por sus
trabajos sobre las Ondas Electromagnéticas:
propagación, polarización y reflexión de ondas.
Con Hertz se abre la puerta para el desarrollo de la
radio.
Nikola Tesla con 111 patentes en EEUU y más de 300 en el resto del mundo. Inventa:
Transferencia inalámbrica de energía
Corriente alterna
Armas de energía directa
Radio
Bombilla sin filamento
Dispositivos de electroterapia
Sistemas de propulsión por medios electromagnéticos
Bobina de Tesla: entregaba en la salida una energía de alto voltaje y alta frecuencia.
Principios teóricos del radar
Lámpara fluorescente
Submarino eléctrico
Oscilador vibracional mecánico
Envío de electricidad con un solo cable
Estudios sobre Rayos X, etc.
ELECTRICIDAD EN EL SIGLO XX:
En 1911 Millikan realizó su famoso experimento de la gota de aceite. Dicho experimento consistió en dejar caer gotas de aceite desde una cierta altura. Las gotas, como es lógico, caían por efecto de su peso, debido a la gravedad terrestre. Sin embargo, si al mismo tiempo se conectaba un campo eléctrico dirigido hacia arriba se producía una fuerza eléctrica de repulsión que tendía a hacer que la gota se moviera hacia arriba. En función del tamaño de la gota y de la fuerza eléctrica podían ocurrir tres cosas:
¤ Si la fuerza de atracción de la Tierra (el peso) de la gota era mayor que la de repulsión
eléctrica, la gota seguía cayendo, aunque a menor velocidad. ¤ Si la fuerza de repulsión eléctrica era mayor que el peso, la gota de aceite invertía el sentido de su movimiento y subía. ¤ Si ambas fuerzas se igualaban la gota permanecía quieta en el aire.
Experimentos de Millikan:
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ELECTRICIDAD EN EL SIGLO XX:
Se denomina superconductividad a la
capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales
para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni
pérdida de energía en determinadas condiciones. Fue
descubierto por el físico neerlandés Heike Kamerlingh
Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden.
La televisión: En 1937 comenzaron las transmisiones
regulares de TV electrónica en Francia y en el Reino
Unido. Esto llevó a un rápido desarrollo de la industria
televisiva y a un rápido aumento de telespectadores,
aunque los televisores eran de pantalla pequeña y
muy caros. Estas emisiones fueron posibles por el
desarrollo del tubo de rayos catódicos y el iconoscopio.
John Logie Baird
Se conoce como frecuencia modulada una señal
con una onda que puede transmitir información; y
debido a su naturaleza permite mandar señales de
alta definición como sucede con la radio F.M y
transmisión televisiva. Debido a sus capacidades,
puede transmitir:
Señal televisiva,
Señal radiofónica de alta definición,
Señal telefónica,
Datos digitales, entre otros.
Edwin Armstrong el 26 de dic. de 1933
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Generación de electricidad por centrales nucleares:
El funcionamiento de una central nuclear se basa en el aprovechamiento del calor para mover una turbina por la acción
del vapor de agua, la cual está conectada a un generador eléctrico. Para conseguir el vapor de agua se utiliza como
combustible, también el uranio o el plutonio.
El proceso se puede simplificar en cinco fases:
1. Debido a la fisión del uranio que se lleva a cabo en el reactor nuclear, se libera una gran cantidad de energía que
calienta el agua hasta evaporarla.
2. Este vapor se transporta al conjunto turbina–generador mediante un circuito de vapor.
3. Una vez ahí, las aspas de la turbina giran por la acción del vapor y mueven el generador que trasforma la energía
mecánica en electricidad.
4. Una vez el vapor de agua ha pasado por la turbina, se envía a un condensador donde se enfría y se vuelve líquido.
5. Y nuevamente se transporta el agua para volver a conseguir vapor, cerrando así el circuito del agua.
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Generación de electricidad por combustibles fósiles:
La generación de electricidad a partir de combustibles fósiles ha sido el proceso de
generación más importante del siglo XX y se vislumbra que seguirá siendo dominante
durante la mayor parte del siglo XXI. Es, sin embargo, un proceso crítico para la
humanidad por la alta contaminación que genera.
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La computadora es una máquina electrónica que
recibe y procesa datos para convertirlos en
información conveniente y útil. Un ordenador
está formado, físicamente, por
numerosos circuitos integrados y otros muchos
componentes de apoyo, extensión y accesorios,
que en conjunto pueden ejecutar tareas diversas
con suma rapidez y bajo el control de
un programa.
Konrad Zuse en 1941
La electrónica es la rama de la física y especialización de
la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo
funcionamiento se basa en la conducción y el control del
flujo de los electrones u otras partículas cargadas
eléctricamente.
Lee De Forest con el Tríodo al Vacío
La robótica es la rama de la ingeniería mecánica,
ingeniería eléctrica, ingeniería electrónica y ciencias de la
computación que se ocupa del diseño, construcción,
operación, disposición estructural, manufactura y
aplicación de los robots.
Joseph Frederick Engelberger
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La Electromedicina o Ingeniería Clínica
es la rama de la ciencia que se encarga
del desarrollo, aplicación,
mantenimiento y gestión de los equipos,
instalaciones y accesorios médicos.
Sus orígenes se remontan a finales del siglo XIX con el
descubrimiento de los rayos X por Roentgen y el empleo por primera
vez de un electrocardiógrafo por Einthoven en 1903
La telecomunicación es toda
transmisión y recepción de señales de
cualquier naturaleza, típicamente
electromagnéticas, que contengan
signos, sonidos, imágenes o, en
definitiva, cualquier tipo de información
que se desee comunicar a cierta
distancia.
El internet es un conjunto descentralizado de
redes de comunicación interconectadas que
utilizan la familia de protocolos TCP/IP, lo
cual garantiza que las redes físicas
heterogéneas que la componen como una
red lógica única de alcance mundial. Sus
orígenes se remontan a 1969, cuando se
estableció la primera conexión de
computadoras, conocida como Arpanet,
entre tres universidades en California
(Estados Unidos).
Tim Berners-Lee, el inventor de la Web, y Vinton G. Cerf,
conocido como el 'padre' de Internet.
ELECTRICIDAD EN EL SIGLO XXI:
Celulares y Tablets:
El sistema celular fue creado para
satisfacer la demanda de comunicación
móvil dentro de un espectro de
radiofrecuencia limitado. Esta limitación
es el factor original que motivó y sigue
motivando el desarrollo del teléfono
celular, frente a otros de los varios
factores como la duración de la batería o
el tamaño del aparato. El sistema debe
acomodar miles de usuarios dentro de un
espectro reducido para transmitir cada
vez más información. La transmisión de
voz, pero actualmente también la
demanda de imágenes, vídeos y acceso a
internet, continúan aumentando los
requisitos del sistema.
Martin Cooper, inventor del celular. El
primer celular creado en 1973
Crisis Energética en el Mundo y Panamá
Consumismo
Uso excesivo de
energía
contaminante
Destrucción del
Planeta, Cambio
climático
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La materia es todo aquello que
tiene masa y que, por lo tanto, ocupa
un volumen.
Desde hace muchos años, una de las
grandes preocupaciones de los científicos
ha sido poder conocer la constitución de la
materia para poder llegar a predecir su
comportamiento.
CONCEPTOS IMPORTANTES:
MATERIA
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LA MATERIA ESTÁ FORMADA POR ÁTOMOS…
En los átomos que forman la materia se pueden
distinguir dos partes:
El núcleo, que es la parte central del átomo y que ocupa
una parte muy pequeña. En su interior se encuentran
los protones y los neutrones, entre otras partículas
subatómicas.
La corteza, que es la parte exterior del átomo y ocupa la
mayor parte de su volumen. Esta parte está formada por
un único tipo de partículas
subatómicas, los electrones que se mueven a una gran
velocidad alrededor del núcleo, describiendo unas
trayectorias elípticas llamadas órbitas.
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¿QUÉ SON LAS CARGAS ELÉCTRICAS?
La carga eléctrica es una propiedad de la
materia que permite cuantificar la pérdida o
ganancia de electrones.
La carga eléctrica q puede clasificarse
como carga eléctrica positiva (protones)
y carga eléctrica negativa (electrones).
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LAS CARGAS ELÉCTRICAS…
Los protones (carga +) y electrones (carga -) crean fuerzas de
atracción y de repulsión debido a que estas partículas atómicas
tienen una carga eléctrica.
Se puede establecer una ley muy sencilla en relación a las
fuerzas de atracción y fuerzas de repulsión entre partículas: las
cargas de diferente símbolo se atraen y las del mismo signo se
repelen.
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FUERZA DE ATRACCIÓN Y DE REPULSIÓN ELÉCTRICA
Fuerza de Atracción Eléctrica
Existe cuando las cargas eléctricas
tienen signos contrarios, por ejemplo, una
carga negativa y otra positiva.
Fuerza de Repulsión Eléctrica
Existe cuando las cargas tienen el
mismo signo, por ejemplo dos cargas
negativas se repelen o dos cargas positivas
igualmente se repelen.
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MATERIALES CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y
AISLANTES
Aislantes
Conductores
Semiconductores
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MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN DE MATERIALES…
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Electrización por Frotamiento: Al frotar dos
cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan,
uno con carga positiva y el otro con carga
negativa.
Electrización por Contacto: Se puede cargar un cuerpo
con 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 +.
Electrización por Inducción: Un cuerpo cargado eléctricamente, puede atraer a otro cuerpo que está neutro.
Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la
redistribución de cargas se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se
acercan a este. En este Proceso de Redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo
neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otros negativamente. Decimos entonces que
aparecen cargas eléctricas inducidas, entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en
el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
