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Unidad Nº 5: Naturaleza eléctrica de la materia ELECTROSTÁTICA Introducción: La materia está constituida por átomos, los cuales se conforman de protones, neutrones y electrones. El electrón es el componente del átomo que lleva carga eléctrica negativa neutralizada por la carga eléctrica positiva del núcleo o protón. El protón es una partícula, con carga positiva, ubicada dentro del núcleo del átomo junto con los neutrones. La carga del protón Qp y la del electrón Qe son de igual intensidad, y signo contrario. Qe= - 1,6 x 10 -19C Qp= + 1,6 x10-19C [C]: unidad de carga eléctrica del SI “Coulomb”

El protón y el electrón están presentes en todos los núcleos atómicos.

El neutrón es una partícula sin carga que constituye una de las partículas fundamentales que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10-27 kg, aproximadamente un 0,125% mayor que la del protón. La existencia del neutrón fue profetizada en 1920 por el físico británico Ernest Rutherford y por científicos australianos y estadounidenses, pero la verificación experimental de su existencia resultó difícil debido a que la carga eléctrica del neutrón es nula y la mayoría de los detectores de partículas sólo registran las partículas cargadas.

ELECTRIZACIONES. Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban un trozo de ámbar (piedra amarilla) ésta podía atraer partículas de pasto seco. Posiblemente el primero que comenzó a realizar observaciones científicas fue el matemático Thales de Mileto, por allá el año 600 AC. No fue hasta 1.660 que el médico y físico inglés Wiliam Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o sin movimiento de diferentes signos. Es decir una carga (+) y la otra (–). A este fenómeno lo denominó “electricidad” por analogía con el “elektron” nombre que en griego se le daba al ámbar.

FÍSICA Diseño de Interiores y Mobiliario 2014

P R O F . I N G . C E C I L I A A R I A G N O

I N G . D A N I E L M O R E N O

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Se dice que un cuerpo está cargado negativamente si tiene un exceso de electrones y está cargado positivamente si tiene una ausencia de electrones, es decir, si tiene más protones que electrones. Un cuerpo neutro tiene igual cantidad de electrones que de protones. El desequilibrio de cargas se logra mediante electrizaciones por fricción, por inducción y por contacto. Si asumimos que un átomo tiene una forma parecida a nuestro Sistema Solar, es decir: alrededor de un cuerpo central hay otros que están girando a su alrededor. En el caso del átomo, visto de ésta manera, el cuerpo central sería el núcleo y en éste están los protones y los neutrones, férreamente unidos, y los cuerpos que giran alrededor del núcleo son los electrones, ocupando – ellos – órbitas distintas.

Los electrones por sus posiciones orbitales tienen cierta cantidad de energía que los liga al núcleo. A los que están más cerca del núcleo los une una mayor cantidad de energía y los que están en órbitas más lejanas tienen una menor energía que los liga al átomo.

El electrón que ocupa la última órbita, debido a su menor energía que lo liga al núcleo, puede - con facilidad - “escaparse” de su órbita e ir en camino a “buscar” una órbita que dejó libre otro electrón en otro átomo. Es normal que ocurra esto en todo cuerpo, esté o no cargado eléctricamente. A los electrones que están en viaje entre átomo y átomo les llamaremos electrones libres Electrización por fricción: para cargar un cuerpo neutro por el método de fricción se necesitan dos cuerpos neutros eléctricamente. Si no hay seguridad de que lo estén deberán conectarse, brevemente, a tierra para equilibrar sus cargas eléctricas. Una vez que se tiene la seguridad de contar con dos cuerpos neutros eléctricamente se ponen en contacto y se friccionan entre sí. Ocurre que a nivel superficial de ambos cuerpos se produce un traspaso de electrones de uno a otro cuerpo. Aquel que reciba más electrones quedará cargado negativamente y el otro, que cedió más electrones, quedará cargado positivamente.

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica. Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de más positivo a más negativo: Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.

Una manifestación de carga estática la tenemos en las nubes cuando se generan tormentas eléctricas con rayos. Cuando una nube se encuentra completamente ionizada o cargada positivamente, se establece un canal o conducto natural que es capaz de atraer iones cargados negativamente desde la Tierra hasta la nube. Cuando los iones negativos procedentes de la Tierra hacen contacto con la nube, se produce el rayo al liberar ésta la enorme carga de corriente eléctrica estática acumulada.

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Otro ejemplo lo tenemos en los vehículos, que al desplazarse a través de la masa de aire que lo rodea, adquieren carga estática. Cuando eso ocurre podemos llegar a sentir una descarga o calambrazo eléctrico en el cuerpo al tocar alguna de las partes metálicas del vehículo o al tocar a otra persona. Electrización por contacto: aquí necesitamos un cuerpo previamente cargado, por ejemplo negativamente, y otro neutro, para ponerlos en contacto. Después de rato ambos adquieren carga eléctrica del mismo signo. Lo que sucede es que mientras dure el contacto la carga total que existe entre ambos cuerpos tiene a dividirse proporcionalmente según las capacidades que tiene cada uno de ellos para poseer carga eléctrica, consecuencia de esto es que el cuerpo que está cargado (por ejemplo negativamente) le traspasa, a nivel superficial, parte de los electrones que tenía en exceso al que estaba neutro. De esta forma el que estaba neutro quedará cargado negativamente y el que estaba cargado previamente seguirá cargado, pero con menor carga que la que tenía. Al final del proceso ambos cuerpos quedan cargados negativamente y, nuevamente, se tiene que la carga total del conjunto de los dos cuerpos se mantiene constante. Cuerpo con carga negativa Cuerpo neutro

Al separarse los cuerpos Se ponen en contacto

Electrización por inducción: Igual que el método anterior, necesitamos un cuerpo neutro eléctricamente y otro cargado. Supongamos que el cuerpo cargado tiene carga positiva. Cuerpo con carga positiva Cuerpo neutro

Acercamos los cuerpos sin que haya contacto. Veremos que en el cuerpo neutro se produce una polarización (ordenamiento superficial de carga eléctrica), donde el cuerpo cargado positivamente atrae a la carga negativa del que está neutro.

Posteriormente hacemos contacto a tierra en el cuerpo neutro.

Luego se desconecta la conexión a tierra y se separan los cuerpos. Se observará que el cuerpo neutro quedará cargado negativamente y el que estaba positivo continúa así.

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Ejemplo) en la Figura se ve como la bola de derecha se electriza. Explica las electrizaciones presentes en este caso.

MATERIALES MALOS Y BUENOS CONDUCTORES DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA.

Conductores: son todos aquellos materiales o elementos cuyos electrones tiene la posibilidad de moverse libremente. En algunos tipos de materiales, como los metales, los electrones más externos del átomo están tan débilmente enlazados al núcleo que ellos se mueven caóticamente en el espacio que existe entre los átomos. Debido a que estos electrones no-enlazados son libres cuando reciben energía comienzan a moverse de inmediato de un átomo a otro, de una molécula a otra El más utilizado de todos los metales en cualquier tipo de circuito eléctrico es el cobre (Cu), por ser relativamente barato y buen conductor de la electricidad, al igual que el aluminio (Al). Sin embargo, los mejores metales conductores son el oro (Au) y la plata (Ag), aunque ambos se utilizan muy limitadamente por su alto costo.

Semiconductores: Existen también otros elementos denominados metaloides, que actúan como semiconductores de la corriente eléctrica. Entre esos elementos o materiales se encuentran el silicio (Si), el galio (Ga) y el germanio (Ge). Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder electrones cuando reciben energía eléctrica y su característica principal es permitir el movimiento de electrones en un solo sentido e impedirlo en sentido contrario. El cristal de silicio es el elemento más utilizado en la actualidad como material semiconductor para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados y los microprocesadores.

Aislantes: por último están los materiales aislantes, cuyos átomos ni ceden ni captan electrones. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica.

RESISTIVIDAD ELÉCTRICA Todas las sustancias se oponen en mayor o menor grado al paso de la corriente eléctrica, esta oposición es a la que llamamos resistencia eléctrica de los materiales. Los buenos conductores de la electricidad tienen una resistencia eléctrica muy baja, los aisladores tienen una resistencia muy alta. Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en Ohm por metro (Ω·m, a veces también en Ω·mm²/m).

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Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.

Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura. DESCARGAS ELÉCTRICAS: Las descargas eléctricas, si se producen, se realizan desde o hacia una punta o borde. Por esta razón sentimos que nos da la corriente, si ocurre, cuando tocamos un borde de un artefacto que funciona con motor. Producto de la fricción que hay en las piezas del motor el artefacto adquiere carga electrostática y al tocarla hacemos conexión (puente) entre el artefacto y la tierra, produciéndose una descarga que viene del borde del artefacto a nuestro cuerpo. Por esta misma razón, los pararrayos son aparatos metálicos en forma de punta que se colocan sobre los edificios. Esto es más común en países donde ocurren con más frecuencia las tempestades eléctricas. Una descarga eléctrica dura hasta que el cuerpo desde donde se produce la descarga queda en equilibrio electrostático, es decir se neutraliza eléctricamente. En un material mal conductor de la electricidad la carga que adquiere se distribuye uniformemente en todo el cuerpo, en su superficie y en su interior. En un material buen conductor la carga que adquiere se distribuye en toda su superficie, y el cómo se distribuye depende de la forma de la superficie del cuerpo. Si el cuerpo conductor que se carga es una esfera, entonces la carga se distribuye uniformemente en su superficie (figura 1), en cambio si su superficie es irregular, la carga tiene mayor densidad en la parte de la superficie con mayor curvatura (figura 2).

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ATRACCIÓN Y REPULSIÓN DE CARGAS Cuando se aproximan dos cuerpos electrizados con cargas del mismo tipo se repelen y si son de distinto tipo éstas se atraen. Esta atracción o repulsión, que pueden experimentar, se manifiesta con una fuerza atractiva o repulsiva según sea el caso. Charles Coulomb en 1785 descubrió la fuerza de interacción entre cargas eléctricas y encontró que la magnitud de ella es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Es decir, dos cargas se atraen o repelen con mayor intensidad si se encuentran más próximas entre sí, al contrario, si se alejan la fuerza que existe entre ellas disminuye.

CAMPO ELÉCTRICO El campo eléctrico es una magnitud vectorial que indica el manifiesto de fenómenos eléctricos en una región del espacio. Se representa por E. La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca, en un punto cualquiera de dicha región, una carga eléctrica de prueba se observa que aparece una fuerza electrostática.

ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA - VOLTAJE

Las cargas eléctricas según su carga, posición y cercanía a otras cargas, tienen una energía potencial eléctrica [U].

Esa energía por unidad de carga eléctrica se denomina potencial eléctrico [ V ] en un punto del espacio. Supongamos en un cierto lugar del espacio se encuentra una carga eléctrica q, que tiene una energía potencial eléctrica U, entonces el potencial eléctrico en dicho lugar se define

con la expresión matemática: V=

El potencial eléctrico nos permite caracterizar los efectos de una o más cargas sin especificar su signo ni el valor de una carga situada en la posición de interés.

La diferencia de potencial eléctrico [ΔV] o comúnmente llamada voltaje, indica la diferencia

de energía, por unidad de carga eléctrica, que hay entre dos puntos. ΔV=

Esta magnitud es una medida de la fuerza que hay que comunicar a los electrones para que e muevan en un circuito eléctrico.

La unidad del potencial eléctrico es:

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ELECTRODINÁMICA CORRIENTE ELÉCTRICA

El concepto de corriente eléctrica como su nombre lo indica se refiere al flujo de electrones en el espacio en una dirección determinada.

En el caso de la electricidad, la intensidad de la corriente eléctrica es la carga neta que atraviesa una superficie transversal de un conductor en cada unidad de tiempo. Operacionalmente se define:

i=

Siendo ∆Q la carga eléctrica que atraviesa la sección del conductor. ∆t : el tiempo considerado i : es la intensidad de la corriente eléctrica que circula

La unidad de corriente eléctrica es el Ampere: [A]

CIRCUITO ELÉCTRICO Elementos:

Generador de energía: es el dispositivo que entrega energía al circuito, puede ser: una pila, una batería, un grupo electrógeno, el toma corriente, etc. Se simboliza:

Conductores: son los cables metálicos por donde circulan los

electrones.

Llave o interruptor: permite interrumpir el flujo de electrones. Símbolo:

Receptores: son los transformadores de la energía eléctrica en otras formas de

energía. Por ejemplo focos, motores, calentadores, etc.

Muchas veces se simbolizan como resistencias:

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Símbolos:

Entonces el circuito queda:

Sentido de circulación de la corriente eléctrica en un circuito eléctrico:

RESISTENCIAS

Los conductores, los receptores, las baterías, todos los elementos por donde circulan electrones ofrecen resistencia a dicho flujo. Algunas resistencias que se han colocado deliberadamente en plaquetas de circuitos para regular la circulación de electrones por ciertos lugares. Hay resistencias de hilo, formadas por un cilindro aislante sobre el cual se enrolla un hilo conductor, Otras son resistencias de carbón: se utilizan para circuitos de bajo voltaje. Se construyen con un pequeño cilindro de grafito revestido de material aislante.

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La resistencia de un conductor se expresa:

R= A

l.

Siendo:

= resistividad eléctrica, propiedad intensiva de los materiales conductores. l= Longitud del conductor A= Sección del conductor. Cuanto mayor es la longitud, mayor es la resistencia del conductor. Cuanto mayor es la sección, menor es la resistencia del conductor. Debe destacarse que la resistencia de un conductor es independiente de la corriente eléctrica que circula por él. Asociación de resistencias: cuando se conectan dos o más resistencias se pueden presentar diferentes conexiones. En cada una de ellas se puede determinar el valor de una resistencia equivalente (Re), que cumple la función de reemplazar a las resistencias de la conexión.

o en serie: por todas las resistencias circula la misma intensidad de corriente eléctrica.

Ej: luces de una guirnalda. Si uno de los focos se funde se interrumpe la circulación de corriente eléctrica y se apaga la guirnalda.

o en paralelo: todas las resistencias están conectadas entre los mismos nodos.

Ej) conexiones domiciliarias.

o mixtas:

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LEY DE OHM

Se puede comprobar que la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un elemento

de un circuito es directamente proporcional a la diferencia de voltaje entre sus extremos.

La ley de Ohm se define como la relación entre la diferencia de potencial eléctrico o voltaje

entre dos puntos de un conductor y la intensidad de la corriente eléctrica, matemáticamente

se expresa:

i

VR

Aquí se ve como R es la constante de proporcionalidad en la ecuación y representa la Resistencia que el conductor ofrece al flujo de cargas eléctricas a través de él. En un circuito representa a la resistencia de un material con el símbolo R Unidades: [V]=[volt] [R]=[Ω] [i]=[A]

POTENCIA ELÉCTRICA: Todos los receptores eléctricos transforman energía eléctrica en otras formas de energía. La potencia eléctrica es la magnitud que indica la velocidad con la cual se produce dicha transferencia. Es una magnitud escalar que mide la energía consumida por unidad de tiempo. Su unidad es el watt, y se expresa matemáticamente:

W=

, como la Energía recibida es : ΔU= ∆V. ∆Q la

expresión queda: W=

=∆V.

resumiendo: W= ∆v.i En aquellos dispositivos en los cuales se aplique la Ley de Ohm, también se expresa:

W=

ó W= i2.R

También se puede calcular la potencia de un generador eléctrico, reemplazando la energía consumida por la energía entregada al circuito. Aplicación de la ley de Ohm y cálculo de potencias eléctricas en:

a) circuitos con resistencias conectadas en serie:

Cuando dos o más resistencias se hallan en serie, el valor de la resistencia equivalente de la serie, RES, se obtiene sumando los valores de cada una de las resistencias del grupo.

RES = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

Como lo indica la definición de serie, la corriente en cada una de las resistencias debe ser la misma, e igual a la que circularía por la equivalente si se reemplazara el conjunto: iES = i1 = i2= i3 = ... = in.

Por otro lado, la suma de las diferencias de potencial en cada una de las resistencias es igual a la diferencia de potencial del grupo, o sea, la que tendría la resistencia equivalente: ΔVES = ΔV1 + ΔV2 + ΔV3 + ... + ΔVn

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La potencia de la conexión es la sumatoria de las potencias de cada una de las resistencias: W=ΣWi= W1+W2+W3+…..

b) Circuitos con resistencia conectadas en paralelo: Para hallar el valor de una resistencia equivalente de un paralelo, REP, se deben sumar las inversas multiplicativas de cada una de las resistencias en paralelo

Por ser una conexión en paralelo, y todas las resistencias se hallan conectadas entre los mismos nodos, la diferencia de potencial en cada una de las resistencias debe ser la misma, e igual a la que someteríamos a la equivalente si se reemplazara el conjunto: ΔVEP = ΔV1 = ΔV2 = ΔV3 = ... = ΔVn. Por otro lado, la suma de las intensidades de corriente en cada una de las resistencias es igual a la intensidad de corriente del grupo, o sea, la que tendría la resistencia equivalente si reemplazara al conjunto: iEP = i1 + i2 + i3 + ... + in La potencia de la conexión es la sumatoria de las potencias de cada una de las resistencias: W=ΣWi= W1+W2+W3+…..

Nota: Los circuitos eléctricos de nuestras casas están conectados en paralelo. Esto se evidencia por dos características obvias nos lo indican: tal como se ve en una serie cualquiera, el hecho de que se destruya una de las resistencias impediría el paso de la corriente por el resto de las resistencias asociadas. Evidentemente no es eso lo que ocurre en casa: si se quema una lamparita, o la retiro del portalámparas, o simplemente la apago... el resto de la casa permanece con energía. La segunda propiedad es que -tal como se ve en el paralelo- todas las resistencias (todos los artefactos) están sometidos a la misma diferencia de potencial, lo cual era esperable ya que todos mis electrodomésticos traen la indicación de conectar a 220 V

EFECTO JOULE Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, encuentra una dificultad que depende de cada material y que ya se ha definido como resistencia eléctrica. Los electrones al trasladarse por el conductor rozan entre sí transformando energía eléctrica en calor. A ésta transformación se la denomina Efecto Joule.

“La cantidad de calor producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente”.

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Expresión matemática:

donde: Q = Energía calorífica producida por la corriente expresada en : cal I = Intensidad de la corriente que circula, expresada en :A

R = Resistencia eléctrica del conductor: expresada en

t = Tiempo, expresado en :s

Para disminuir el efecto Joule en los conductores se trata de utilizar cables gruesos, ya que al aumentar la sección de los mismos disminuye su resistencia, entonces los choques entre los electrones disminuyen y por consiguiente disminuye el calentamiento.. El problema con esto, claro, es que un cable muy grueso es más caro, que uno fino y además pesa mucho y es menos manejable. Por eso, cuando la corriente que va a circular por él es pequeña, no se elijen cables demasiado gruesos. Cuando se observan los cables de los aparatos eléctricos de una vivienda se ve que algunos son bastante gruesos, sobre todo los de los electrodomésticos por los que más intensidad de corriente eléctrica circula. Y, si alguna vez has visto el cable de un horno eléctrico en una industria o algún otro aparato de gran consumo, observarás que son realmente gruesos, para minimizar el efecto Joule en ellos.

Q= 0,24 J

cal . I

2. R . t

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Trabajo Práctico

Analiza y responde las siguientes situaciones aplicando los conceptos desarrollados en la unidad.

1. ¿Cómo se explica el funcionamiento de un fusible aplicando el efecto térmico de la

circulación de la corriente eléctrica? Grafica la situación. 2. La circulación de corriente eléctrica por una solución, tiene un efecto químico

utilizado en la “Galvanometría”. Explica en qué consiste y describe el cromado de un metal utilizando ésta técnica.

3. Completa:

Dispositivos de seguridad eléctrica

Llave térmica o termomagnética

Disyuntor o Interruptor diferencial

¿Cuál es su función?

¿A quién protege? Y por qué?

¿Cómo y dónde se conecta?

Indica, un ejemplo, de valor de corriente eléctrica para la cual se activa el mecanismo de activación del dispositivo de seguridad.

4. En una conexión eléctrica domiciliaria, se van poniendo en funcionamiento cada vez más artefactos eléctricos. ¿Cómo se modifica:

a) la intensidad de la corriente eléctrica que circula por la llave térmica b) el voltaje de la llave? c) la potencia del circuito?