Teoria Basica de Electricidad y Electronica - Parte I

±

± ₊₊

Electrones

⁻⁻

Neutrones

Protones

Núcleo

Teoría Básica de la Electricidad y ElectrónicaIntroducción a la electricidad estática – Parte 1

Ing. Gissell María Caraballo

http://electronicaradical.blogspot.com Septiembre 2015

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Introducción La electricidad no se puede percibir por ninguno de los cinco sentidos del hombre, no se puede sentir, ni oler, ni ver, ni gustar, ni

tocar; es posible observar sus efectos en los diferentes dispositivos, equipos e instalaciones de las cuales es necesario utilizar

la electricidad o energía eléctrica. Ejemplos de estos efectos son:

• Oído: escuchar música en la radio o equipo electrónico como: IPad, IPod, Tablet o un dispositivo celular moderno.

• Vista: al encender un televisor estamos observando una imagen (película, programa, top show, o cualquier actividad de

recreación transmitida por el medio televisivo), también puede ser observada por medio de los anuncios publicitarios con

tecnología led en las principales calles y avenidas, gracias a los avances en cuanto a la electrónica en el medio publicitario.

• Tacto: Se puede sentir cuando estamos en contacto con algún cable de electricidad y este realiza una descarga eléctrica en

nuestro cuerpo.

• Olfato: Se puede percibir a través del olor que desprenden ciertos dispositivos electrónicos creados para ambientar lugares

(casa u oficina).

• Gusto: Mediante los alimentos y bebidas que podemos realizar a través de cocinas y extractores de jugos.

La energía eléctrica o electricidad es un fenómeno físico que se origina a raíz de las cargas eléctricas y de la interacción entre

ellas. Así, son los electrones y los protones las dos partículas subatómicas principales que pueden originar la aparición de

energía eléctrica.

La electricidad se puede originar o transmitir provocando el movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro.

Esta situación es muy común ya en la propia Naturaleza, dado que la energía eléctrica se manifiesta de diversas formas,

transformándose en otros tipos de energía. Ejemplos de este fenómeno son las tormentas eléctricas o el sistema nervioso de

los seres vivos.

La electricidad se presenta en dos formas básicas: Electricidad estática y electricidad dinámica. La primera cuando los

electrones están en reposo y la segunda es la utilizada en las casas o cualquier lugar donde se necesite electricidad.

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Electroestática Se puede definir la electroestática como el estudio de la electricidad en reposo, o electricidad estática. La electricidad estática se

puede producir por fricción, ejemplo de ello son:

• Después de peinarse, la electricidad estática del peine hará que este atraiga pequeños trozos de papel o al frotar un globo sobre

el cabello.

• Después de pasar una persona por una alfombra, muy a menudo saltara una chispa, producida por la electricidad estática,

cuando toque un radiador.

• Los camiones acumulan una carga de electricidad estática, si transportan gasolina, y la chispa que se pueda producir puede dar

lugar a graves consecuencias.

• La fricción de las nubes genera electricidad estática que da lugar a los relámpagos.

• El almacenar cargas de electrones en las placas de un condensador y posteriormente soltar la carga es un ejemplo de una

aplicación útil de la electricidad estática.

Nota: Para prevenir tales acumulaciones peligrosas de cargas estáticas en los camiones que transportan gasolina, se pone una cadena que roce

con el suelo y así la electricidad estática pasa a la tierra.

Carga

estática

Carga

estática

Choque de nubes

cargadas estáticamente

generan relámpagos

Inflamable: Gasolina

Camión de combustible

cargado estáticamente.


Estática producida al peinarse o

frotarse un globo sobre la cabeza

Estructura de la materia

Molécula. La partícula mas pequeña en que se

puede dividir una sustancia por medios

mecánicos, químicos u otros, manteniendo siempre las mismas

características químicas se denomina molécula.

Materia. La materia se define como algo que

ocupa un espacio y tiene peso; puede encontrarse en estado solido, liquido

y gaseoso.

Elementos. Cualquier sustancia cuyas

moléculas no se puedan subdividir por medios químicos ordinarios.se denomina elemento.

Tamaño de las moléculas y los átomos. Son tan pequeñas que no pueden ser vista a simple vista, porque

tanto los lentes como los ojos están formados por un gran números de

moléculas.

Átomo. La partícula mas pequeña en que se pueda subdividir un elemento, manteniendo todavía todas las propiedades del elemento original, se denomina átomo. aprox. 10−8 cm de diámetro, equivalente a un Amstrong (Å)

Compuesto. Cualquier sustancia cuyas

moléculas se puedan posteriormente

subdividir y, por tanto, producir átomos de

dos o mas elementos en el proceso, se

denomina compuesto.


Teoría Electrónica de la materia

±± ₊₊

Electrones

⁻⁻

Neutrones

Protones

Núcleo

Estructura del átomo de helio

⁻

₊En el caso del átomo de hidrogeno solo

contiene un protón y un electrón girando sobre

su orbita.

Es una partícula del átomo muy

pequeña cargada negativamente:

su diámetro es del orden de

1/4.000.000.000.000 cm.

Cierto numero de protones están

íntimamente unidos a un numero similar

de electrones y forman un numero

semejantes de electrones. El electrón no

tiene carga por tener igual numero de

electrones y protones.

El protón es una partícula del

átomo muy pequeña cargada

positivamente; su diámetro

1/40.000.000.000.000 cm.

En el átomo los protones y los neutrones

constituyen una masa central estacionaria

alrededor de la cual giran cierto numero de

electrones. Esta masa central se denomina

núcleo. Siempre tiene carga positiva.


Teoría Electrónica de la materia Orbita

Planetas (equivalente

a electrones)

Sol (equivalente a núcleo,

carga positiva)


Teoría Electrónica de la materia Electrones y flujo de corriente

La corriente eléctrica se describe como electrones en movimiento o como un flujo de electrones. El cobre (Cu), el carbón (C), aluminio (Al);

son conductores de la electricidad porque en estos materiales los electrones pueden ser forzados a moverse de átomo en átomo cuando se

aplica una presión eléctrica o voltaje.

6N

6P35N

29P

14N

13P

Electrones de valencia. Contienen un numero menor de

electrones que su máximo posible, por lo tanto no se

encuentran ligados íntimamente al núcleo, esto hace que

puedan salir fácilmente de sus orbitas.

Electrones ligados. Son electrones

ubicados en orbitas inferiores por tanto,

están íntimamente ligados al núcleo, esto

hace que no sean de fácil transferencia de

una orbita a otra.

Carbono (C)6 Neutrones

6 Protones

6 Electrones

Cobre (Cu)35 Neutrones

29 Protones

29 Electrones

Aluminio (Al)14 Neutrones

13 Protones

13 Electrones

Estructura de los átomos de carbono (C), cobre (Cu) y aluminio (Al)


Teoría Electrónica de la materia Electrones y flujo de corriente

Camino de un electrón libre en un conductor de carbón

6N

6P

6N

6P

6N

6P

6N

6P

Al aplicar una presión eléctrica a tales materiales uno o mas de los electrones de valencia pasara progresivamente de un átomo a otro,

estos se conocen como electrones libres.

Cuando fluye una corriente a través de un conductor, los electrones libres son arrastrados de átomo en átomo a lo largo del conductor

a una velocidad relativamente baja, que se estima es del orden de unos pocos centímetros por minutos. Sin embargo, los electrones

libres de los átomos adyacentes transmiten el impulso, de forma semejante a los vagones de un tren que comienza a andar,

aproximadamente la velocidad de la luz, o sea 300.000 km por seg.


Teoría Electrónica de la materia Cargas positivas y negativas

Ley de las cargas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen.

Existen dos formas de cargar un cuerpo u objeto por

contacto o por inducción.

Carga por contacto. Si se pone en contacto con un cuerpo

neutro una varilla cargada negativamente, algunos

electrones pasan de la varilla al cuerpo y, por tanto, este se

carga. El cuerpo neutro se carga por contacto y toma una

carga de la misma polaridad que la varilla cargada.

Carga por inducción. Si acerca, sin llegar a tocar, una

varilla cargada negativamente a un cuerpo neutro

suspendido libremente, se produce una repulsión sobre los

electrones del cuerpo neutro. Si el cuerpo neutro se conecta

a tierra, algunos de los electrones del cuerpo neutro pasan a

tierra y este se carga positivamente. Si hubiera empleado

una varilla cargada positivamente, el cuerpo neutro hubiera

tomado algunos electrones (de la tierra) y se habría cargado

negativamente. En cualquier caso, no hay un paso de

electrones entre en cuerpo libre y la varilla cargada, y el

cuerpo libre se carga por inducción. La polaridad de la carga

del cuerpo libre es contraria a la de la varilla cargada.

±±±±±±±±±±±±

±±±±±±±±±±± ±±±±±±±±±±±±

±±±±±±±±±±±

±±±±±±±±±±±±

±±±±±±±±±±± ±±±±±±±±±±±

-

⁻⁻⁻⁻⁻⁻

-

⁻⁻⁻⁻⁻⁻

-

⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻

-

⁻⁻⁻⁻⁻⁻

-

⁻⁻⁻⁻

⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻

⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻ ⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺

Cuerpo cargado

positivamente

⁻ ⁻ ⁻ ⁻ ⁻

Cuerpo cargado

negativamente

Cuerpo cargado

negativamenteCuerpo que se carga

por contacto

±±±±±±±±±±±

Tierra

Cuerpo

cargado

negativamente

Cuerpo neutro Cuerpo neutro

a) Carga por contacto b) Carga por inducción


Teoría Electrónica de la materia Cargas positivas y negativas

Ley de las cargas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen.

Descarga. La velocidad a la que sale una carga de un cuerpo depende

en gran parte de su forma. Si es agudo, la carga sale rápidamente

porque los electrones se concentran en un área pequeña y originan una

gran presión. Si la descarga tiene lugar en una gran extensión, tal como

una bola o esfera, los electrones se distribuyen en un área grande y la

presión que origina la descarga es relativamente baja.

Relámpago y rayo. Relámpago es la descarga que se produce entre

nubes de cargas distintas y rayo la descarga entre una nube y la tierra.

Durante la subida violenta del aire caliente y húmedo desde la tierra, la

fricción entre el aire y las pequeñas partículas de agua da origen a

cargas. Cuando se forman las gotas de agua, las mas grandes se

quedan cargadas positivamente y las mas pequeñas negativamente.

Cuando las gotas de agua se acumulan, forman nubes, y de aquí que

estas puedan tener cargas negativas o positivas, según la carga de las

gotas de agua que las formen. La carga de una nube puede hacerse tan

grande que se descargue sobre otra nube o sobre el suelo y esta

descarga se denomina relámpago o rayo respectivamente. El trueno que

acompaña al rayo lo origina el súbito calentamiento del aire, que produce

su expansión. El aire de alrededor empuja al aire expandido hacia atrás

y hacia adelante, originando un movimiento de vaivén del aire que

produce el sonido denominado trueno.

Pararrayos. El objeto del pararrayos es ofrecer una protección contra los

rayos, descargando las pequeñas cargas eléctricas tan pronto como se

acumulan. Los pararrayos acaban en una punta porque los objetos agudos

sueltan las cargas mas de prisa que los de cualquier otra forma.

Los pararrayos no evitan los rayos, sino que mas bien evitan que las cargas

se acumulen en los edificios en los que están puestos. El pararrayos deberá

unirse al conductor introducido en el suelo con una profundidad suficiente

como para que siempre este rodeado de tierra humedad; sino se entierra

adecuadamente, el pararrayo puede ser mas bien una amenaza que una

protección, ya que facilitara la descarga de las nubes.

Los objetos altos y aislados en espacios abiertos tales como una alquería o

un árbol aislado en un terreno grande acumulan las cargas rápidamente y

son, por tanto, presa fácil de los rayos. Los edificios con estructura de acero

de una ciudad tienen numerosas partes metálicas que se extienden hasta

dentro de la tierra y, por tanto, tiene una buena protección.


Campos Electroestáticos

⁻ ⁺

El conjunto de todos los vectores fuerza que actúan sobre una carga de prueba que se desplaza en el espacio y que rodea a otra

carga fija, se denomina campo de fuerza electroestática de la carga o simplemente campo eléctrico de la carga. Un campo eléctrico

también puede ser originado por un conjunto de cargas fijas en diferentes puntos del espacio. En este caso la fuerza neta que actúa

sobre una carga de prueba móvil situada en las proximidades del conjunto de cargas es igual a la suma vectorial o resultante de las

fuerzas que cada una de las cargas fijas ejerce sobre la carga de prueba.

Líneas de fuerza. Para representar un campo

eléctrico el físico y químico Michael Faraday

introdujo el concepto de líneas de fuerza. Estas

son solamente líneas imaginarias y se emplean

para representar la dirección y la fuerza del campo.

⁻⁺

Campos electroestáticos. (a) Carga positiva. (b) Carga Negativa

⁺ ⁺

Campos electroestáticos. Cargas iguales

Campos electroestáticos. (a) Cargas opuestas


Campos electroestáticosFuerza entre cargas. En la imagen que se muestran a continuación, las cargas están situadas a 1 cm de distancia. Las cargas se

repelen entre si con una fuerza de una dina. Esto ilustra la unidad de carga electroestática, que, por definición, es aquella que repele

otra igual y del mismo signo situada a 1 cm de centímetro de distancia con una fuerza de una dina. La fuerza entre dos cargas es

directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. De forma

matemática:

𝐹 =𝑞1 𝑞2𝑘𝑑2

F= fuerza, dinas

Q1= Valor de la carga 1

Q2= Valor de la carga 2

D = distancia entre cargas, cm

K= Constante dieléctrica del medio a través del que se ejerce la fuerza (para vacío y el

aire es igual a 1)

Ejemplo.

⁻ ⁻

2 cm

1 dina 1 dina

Q1=10 q2=20

𝐹 =𝑞1 𝑞2

𝑘𝑑2=10𝑥20

1𝑥2𝑥2= 50 dinas (repulsión)


BibliografíaLibros

Fundamentos de Electricidad – Electrónica. Slurzberg y Osterheld. Editorial McGraw Hill Tercera historia.

Física. Camero y Crespo.

Química Teoría 9no Grado Educación básica. Freddy Suarez. Editorial Romor.

Sitios Web

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/ii.-la-naturaleza-electrica-de-la-

materia


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