ELECTRICIDAD Parte I – Electrostática Por: Ing. Nelson Velásquez

ELECTRICIDAD Es un fenómeno físico que ocurre cuando la materia pierde o gana electrones. El estudio de la electricidad se divide en dos ramas: Electrostática – estudia las cargas en reposo Electrocinética – estudia las cargas en movimiento

Electrostática Ing. Nelson Velásquez Es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en reposo. Estos fenómenos comúnmente ocurren en materiales aislantes de la electricidad.

Origen de las cargas Toda materia está compuesta por átomos. Los átomos están constituidos por protones (+), neutrones (0) y electrones (-). Éstos últimos son partículas móviles. Entran y salen de los átomos mientras las demás permanecen en su sitio.

Diferencia entre materiales aislantes y conductores La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad. En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor.

Origen de las cargas Habitualmente existen igual número de electrones que protones en los átomos (y por tanto en todos los cuerpos). En este caso un cuerpo es neutro. Pero si los electrones se mueven fuera del cuerpo, predominarían en número los protones. En este caso el cuerpo queda positivo ― ― ― ― ― ― Neutro (0)Positivo (+)

Origen de las cargas Por el contrario, si el cuerpo adquiere los electrones, éstos predominarían en número sobre los protones. En este caso el cuerpo queda negativo. ++ ― ― ++ ― ― ― Neutro (0) Negativo ( ― )

Polaridad Cuerpos con electricidad del mismo signo se repelen y cuerpos con electricidad de diferente signo se atraen.

¡Atención! En todo caso, los que se mueven son los electrones. Los protones y neutrones son inmóviles en condiciones normales.

Electrostática Los cuerpos pueden adquirir cargas por medio de los siguientes formas: ◦ Fricción o frotamiento ◦ Inducción ◦ Contacto Al menos 2 de las 3 formas suelen producirse juntas en el mismo evento electrostático.

Fricción o frotamiento Al frotar dos materiales distintos, un número de electrones pasan de uno al otro, resultando uno positivo (el que cede los e-) y otro negativo (el que los adquiere).

Fricción o frotamiento Se denomina triboelectricidad (del griego tribein, "frotar" y electrón, "ámbar") al fenómeno de electrificación por frotamiento. Hay materiales cuyos núcleos atómicos tiene mayor afinidad por los electrones que otros, lo que da lugar a la transferencia.

Serie Triboeléctrica Es una secuencia ordenada de materiales con base a su electrización por frotamiento. La secuencia es vertical e inicia con los materiales que tienden a ceder electrones (que se cargan positivamente) y progresivamente hacia abajo continúa con los que tienden a adquirir electrones (que se cargan negativamente).

Serie Triboeléctrica Frotando dos materiales de la secuencia, el que esté en la posición más alta se cargará positivamente, mientras que el que se sitúe más abajo se carga negativamente. Además cuanto más separados estén los materiales en la tabla, más intensa es su electrización.

Inducción Cuando un cuerpo cargado se acerca a otro descargado sin tocarlo, puede producir en este una separación entre algunas de sus cargas positivas y negativas. Tal efecto se conoce como inducción eléctrica.

Inducción ― ― ― Neutro (0) ― ― ― Neutro Inducido (0) ――― ――― Negativo ( ― ) + +

Inducción De esta manera es posible interpretar por qué las barras de plástico o de vidrio cargadas atraen trocitos de papel. La barra cargada provoca una redistribución de las cargas en el papel por inducción, lo que origina una atracción entre la barra y los papelitos, pues las cargas positivas (o negativas) del papel se ubican más cerca de la barra de plástico (o vidrio).

Contacto Cuando un cuerpo cargado se acerca a otro descargado sin tocarlo, puede producir en este una separación entre algunas de sus cargas positivas y negativas (inducción, como ya vimos). Pero si los cuerpos entran en contacto, lo que comúnmente ocurre es que los electrones excedentes del cuerpo negativo se distribuyen equitativamente entre ambos cuerpos, quedando ambos neutros, ambos positivos o ambos negativos. Por lo que, tras el contacto, ambos cuerpos tiendan a repelerse o a no presentar afinidad alguna.

Contacto ― ― ― Neutro Inducido (0) ――― + Negativo ( ― ) ― ― ― CONTACTO Y TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ――― ― ― ― ―― ― + Negativo ( ― ) ATRACCIÓN REPELENCIA

Formas de Electrización Ing. Nelson Velásquez En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido en un cuerpo eléctricamente neutro, por una causa externa al mismo.

Carga por fricción o frotamiento También llamado el efecto triboeléctrico. Una aplicación muy conocida de este fenómeno es el generador de Van der Graff.

Carga por el efecto fotoeléctrico En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones generados son captados por un conductor para aprovechar la energía.

Carga por electrólisis Algunas sustancias en disolución acuosa son capaces de conducir la electricidad y aún de generarla. Son los electrolitos. Los electrolitos fuertes como los ácidos, son utilizados para fabricar diversos tipos de baterías. También ciertos álcalis son funcionales como electrolitos fuertes.

Carga por efecto termoeléctrico Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes (este circuito se denomina termopar). Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Efecto Piezoeléctrico La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica generando cargas en su superficie. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible.

Campos Eléctricos Las cargas eléctricas ejercen fuerzas sobre los objetos sin estar en contacto directo. Este fenómeno se llama campo eléctrico y se define como sigue: “Espacio situado alrededor de una carga dentro del cual se ejercen fuerzas de atracción o repulsión”.

Campo eléctrico de una carga positiva y otra negativa sin interacción

Interacción entre 2 campos eléctricos de signo positivo

Interacción entre 2 campos eléctricos de signo opuesto

Interacción entre 2 campos eléctricos de signo negativo

Ley de Coulomb El físico francés Charles Coulomb ( ) estudió la fuerza (F) entre dos cuerpos cargados y determinó las siguientes relaciones: La fuerza de atracción o repulsión es directamente proporcional a la intensidad de las cargas eléctricas (Q 1 y Q 2 ). La fuerza de atracción o repulsión es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) entre las cargas.

Ley de Coulomb k Q 1 Q 2 d2d2 F = Donde: F = fuerza en Newtons (N) Q = carga en Colombios (C) d = distancia en metros (m) k = constante de Coulomb = 9 x10 9 Nm 2 /C 2

Ley de Coulomb Si la fuerza resultante es positiva, significa que es fuerza de repulsión. Si la fuerza resultante es negativa, significa que es fuerza de atracción.

Permitividad del medio La ecuación de Coulomb, supone que las cargas interactúan en el vacío. Según la densidad del medio en que interactúan 2 cargas, la intensidad de la fuerza puede disminuir. Por ello, un factor que se agrega a la ecuación es el coeficiente de permitividad ( Є r ) que corrige el valor de la fuerza según el medio.

Ley de Coulomb k Q 1 Q 2 Є r d 2 F = Donde: F = fuerza en Newtons (N) Q = carga en Colombios (C) d = distancia en metros (m) Є r = coeficiente de permitividad k = constante de Coulomb = 9 x10 9 Nm 2 /C 2

Simplificando F ЄrЄr F (medio) = Donde: F = fuerza en Newtons (N) en el vacío Є r = coeficiente de permitividad

Coeficientes de Permitividad Relativa ( Є r) de algunos Medios