COLEGIO LA GIROUETTE Electricidad Introducción Rafael Cautivo Sánchez

¿Qué es la electricidad? Fenómeno de la Naturaleza. Conocido desde la antigüedad (Griegos: el elektron) La materia, bajo ciertas condiciones, adquiere propiedades especiales: Atracciones y Repulsiones. Estudio Científico (B. Franklin) Propiedad general de la materia. Necesidad de una Teoría (Modelo)

El Elektron (Elektron) Piedra color ámbar que, al frotarla con seda o lana, adquiere una propiedad nueva: la de atraer hilachas, pelusas y cuerpecitos pequeños. Después de ser frotado Elektron Seda Atracción de pequeños cuerpos

Modelo eléctrico de la materia. Cualitativo La materia estaría constituida por dos tipos de partículas, que denominaremos Cargas. (P) Cuando estas partículas se encuentran en igual cantidad, el cuerpo esta Neutro. (D) Si ellas se encuentran en distinta cantidad, el cuerpo esta electrizado. (D) Las cargas del mismo tipo se repelen entre si y las de distinto tipo se atraen. (L) Al frotar dos cuerpos neutros, pero de distinto material, pasa un tipo de carga de uno al otro, quedando ambos electrizados con diferente tipo de carga. (P) Al frotar VIDRIO con SEDA, el vidrio adquiere electricidad POSITIVA y la SEDA, electricidad NEGATIVA. (D) Las fuerzas eléctricas (de atracción o repulsión dependen de la distancia entre las cargas. A mayor distancia menor fuerza. (L) ¿Qué significan la (P), la (D) y la (L)

El Modelo Atómico Se trata de un Modelo para la materia que da cuenta de muchas de sus propiedades, incluida las eléctricas; pero es más reciente, más compleja y, la idea es, en lo posible llegar a entender, por lo menos, sus orígenes. ...De momento podemos olvidarlo. Nube de electrones (-) Núcleo (+)

Modelo en imágenes. Cargas Representación Cuerpo neutro Cuerpo NEUTRO y Cuerpo ELECTRIZADO Cargas Representación Cuerpo neutro Cuerpo positivo Cuerpo negativo

Benjamín Franklin Para rayos

Repulsiones y atracciones

Electrización por frotación Cuerpos Neutros Frotación Cuerpos Electrizados

Electrización por frotación Experimento con teflón Frotación con los dedos

Cargas Positivas y Negativas Definición VIDRIO SEDA Cuerpos Neutros Frotación Cuerpos Electrizados VIDRIO SEDA

Fuerza eléctrica y la distancia.

Conductores y Aisladores Cuerpo al cual se le colocan cargas en la zona que se indica + + + + + + + + Posibles comporta-miento + + + + + + + + Las cargas permanecen en el lugar en que se las coloco Las cargas se distribuyen en la periferia de todo el cuerpo. Nombre: AISLADOR CONDUCTOR

Conductor electrizado Note que en los conductores, el exceso de carga eléctrica se distribuye en los límites del cuerpo. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Conductores y Aisladores (Conceptos Relativos) En general, podemos decir que, bajo determinadas condiciones, todos los materiales son, en alguna medida, CONDUCTORES. Cuando veamos esto desde el punto de vista cuantitativo, podremos asignarle a cada material un número que exprese su capacidad de conducción. De momento digamos que los materiales, desde este punto de vista, se distribuyen del modo siguiente: Silicio, Selenio, Germanio Cerámica, H2O Gomas Al, Cu, Au Aisladores o malos conductores Semi conductores Conductores

Conductores y Aisladores (Conceptos Relativos) Ciertos objetos que comúnmente consideramos aisladores, en ciertas condiciones son conductores.

Conductores y Aisladores (Conceptos Relativos) + H2O

Conductores y Aisladores (Conceptos Relativos) NaCl + H2O

Electrización por contacto. Cuerpos Conductores: A, electrizado y B Neutro. Contacto y separación + + + + + + + + + + + + A B + + + + + + + + + + + + A B Parte de las cargas que posee inicialmente A, pasan al cuerpo B durante el contacto.

Electrización por contacto. ¿Qué ocurre si el cuerpo B es más grande que A? + + + + + + + + + + + + A B Contacto y separación

Electrización por contacto. ¿Qué ocurre si el cuerpo B es más grande que A? ¿Qué ocurrirá si B es infinitamente grande en relación a A? + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + A B Contacto y separación + + + + + + + + + + + + A B

Conexión a Tierra Sea un cuerpo A electrizado y B neutro e infinitamente grande en relación al primero. Ambos conductores. Antes del contacto Después del contacto + + + + + + A B

Conexión a Tierra (Importancia) Enchufe domiciliario La “Dirección General de Servicios Eléctricos” fiscaliza la conexión a Tierra. (Es una Ley) Rojo (Fase) Verde Blanco o negro Seguridad para las personas

Conexión a Tierra (Propósito) En los artefactos con caja metálica, la conexión a tierra debe estar conectada a la caja.

Conexión a Tierra (Propósito)

Conexión a Tierra (Propósito) Necesidad en computadores e impresoras

Inducción y Polarización (Acción a distancia) (Separación de las cargas) 1º Escena: Un cuerpo conductor Neutro 2º Escena: Se aproxima un cuerpo electrizado: + + + (Inductor) (Inducido) Sin llegar a tocarlo.

Atracción entre un cuerpo electrizado y uno neutro. Cuerpo electrizado (Inductor) + + + + + + + + + + + + Fuerza que A aplica sobre las cargas negativas. Fuerza total sobre el cuerpo neutro Cuerpo Neutro (polarizado) - - - - - - + + + + + + Fuerza que A aplica sobre las cargan positivas,

Electrifican por Inducción. 1º Escena. Hay un cuerpo conductor neutro. 2º Escena. Se aproxima por la izquierda un cuerpo electrizado (inductor).El cuerpo se polariza 3º Escena. Se conecta y desconecta a Tierra el cuerpo (por la derecha) 4º Escena. Se retira el cuerpo inductor. El cuerpo inicial queda electrizado.

Algunos Experimentos Balanza de torsión + + + + + + + + + + + + Hilo de seda + Vidrio, plástico PVC, aluminio, etc + + + + + + + + + + + Al acercar un objeto electrizado se produce una notoria torsión en la varilla que cuelga.

El Electroscopio (En estado neutro) Eje de Giro Soporte (metal) Aislante Tambor (metal)

El Electroscopio (En estado electrizado) Aislante Soporte

El Electroscopio (Inducción)

El Electroscopio (Contacto)

El Electroscopio (Contacto)

Estudio cuantitativo de la Electricidad Esto implica: Definir carga eléctrica. Determinar los factores de los cuales depende la fuerza eléctrica. Lo que, a su vez, significa: Algunas abstracciones matemáticas. Algunas observaciones experimentales.

1 Carga eléctrica (q, Q) Carga eléctrica puntual: es un cuerpo electrizado cuyas dimensiones resultan insignificantes en relación as la situación en que es considerado (es un concepto equivalente al de partícula) Las designaremos con las letras “q” o “Q” Pueden ser positivas o negativas.

2 Igualdad de carga eléctrica Diremos que dos cargas qA y qB son iguales; es decir: qA = qB Si ambas producen, en igualdad de condiciones, los mismos efectos sobre una tercera carga q. FA q qA qB FB q Si FA = FB, entonces qA = qB. En general, Si FA = n FB, entonces, qA = n qB.

2 ¿De qué factores depende la fuerza entre dos cuerpos electrizados? De la cantidad de carga “q” De la distancia “r” entre ellas Del medio en que se encuentran inmersas. Fue el Físico Charles Agustín Coulomb, basado en los trabajos de Newton, quien aclarara los puntos anteriores.

a) ¿Cómo depende de la cantidad de carga? qA qB F 2qA qB 2F 6F 3qA 2qB mnF mqA nqB Es decir, lógicamente se deduce que, las fuerzas eléctricas son directamente proporcionales al producto de las cargas; es decir Fe = K1qAqB (K1 es una constante de proporcionalidad)

b) ¿Cómo depende de la distancia? Para responder a esto la lógica no es suficiente: se requiere de un experimento. Coulomb realizó algo como: tg a = Fe Fg ángulo a Fe Como podemos conocer Fg = mg y medir a , conocemos Fe Fg r a

El Experimento de Coulomb Al medir La fuerza eléctrica (Fe) entre las cargas cuando se encuentran a distintas distancias (r), encontramos que ella es inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia; es decir: 1 Fe = K2 r2 K2 es una constante de proporcionalidad. Nótese que, si la distancia entre dos cargas aumenta al doble o al triple, entonces la fuerza eléctrica entre ellas se reduce a la cuarta y a la novena parte respectivamente.

La Ley de Coulomb Fe = K1 qAqB Fe = K2 qAqB Fe = Ke Considerando lo que tenemos: 1 Fe = K1 qAqB Fe = K2 r2 Se puede resumir en una sola expresión: Fe = Ke qAqB r2 La cual es conocida como ley de Coulomb. Ke es una constante (constante eléctrica) cuyo valor depende del medio en que se encuentren las cargas qA y qB

Comparación entre las Fuerzas Eléctricas y Gravitacionales. Las dos, junto con las fuerzas nucleares (Fuertes y débiles) son básicas en nuestro universo. Sólo rigen a distinta escala. Hay una gran semejanza en la estructura matemática de la Ley de Coulomb y la Ley de Gravitación Universal de Newton. mAmB Fe = Ke qAqB r2 Fg = G r2 Semejanzas en r2 semejanzas en los productos mAmB y qAqB Diferencias en las constantes Diferencias en los signos.

Unidad de carga eléctrica (Cb) Diremos que una carga eléctrica es de 1 Coulomb (1 Cb), si colocada a 1 metro de otra idéntica, se repele con ella con una fuerza de 9 x109 Newton cuando el medio en que se encuentran es el vacío. Vacío 9x109 N 1 Cb 1 Cb 9x109 N 1 metro Problema histórico

Valor de la Constante Eléctrica Despejando Ke de la Ley de Coulomb: Fe r2 Ke = qA qB Reemplazando en ella los datos anteriores (definición de Cb), tenemos que, en el vacío: Nm2 Ke = 9x109 Cb2

Algunos datos importantes: El electrón: Carga eléctrica e = - 1,6 x10-18 Cb. Masa de electrón me = 9,1 x 10-31 Kg. Ke en distintos medios: Vacío Ke = 9x109 Nm2 /Cb2 Aire Ke = 9x109 Nm2 /Cb2 Agua Ke = 7,2x1011 Nm2 /Cb2

Algunos problemas: El alumno debe se capaz de resolver diferentes problemas en que interactuen hasta cuatro cargas eléctricas puntuales: Ejemplo 1. Una carga qA de 2x10-5 Cb mantiene en equilibrio un pequeño cuerpo de 4x10-12 Kg, aquí en la superficie terrestre y en el aire ¿Qué carga posee este último cuerpo si la distancia entre sus centros es de 10 cm.? Evidentemente la fuerza gravitacional y la eléctrica que actúan sobre el cuerpo (que designaremos por B), deben ser iguales pero con sentidos opuestos; luego: A r qA qB mg = Ke B r2

Concepto de Campo Eléctrico El concepto de Campo es de una gran importancia en Ciencias y, particularmente en Física. La idea consiste en atribuirle propiedades al espacio en vez de considerar a los verdaderos causantes de los fenómenos que ocurren en dicho espacio. Para comprender esto veamos un par de ejemplos: Un campo de temperaturas (Escalar) Un campo de velocidades (Vectorial) Campo gravitacional (Vectorial) Homogéneo No homogéneo

Concepto de Campo Puerta Estufa Campo de Temperaturas (escalar) 20º C Sala de clases Termómetro 20º C P 30º C 40º C Puerta 50º C 60º C Estufa 70º C Líneas de Campo de temperaturas

Concepto de Campo La intensidad del Campo de Temperaturas en el punto P corresponde a lo que mide el termómetro que está en él. Es una magnitud escalar puesto que no posee dirección asociada . La causa verdadera de que la temperatura de las isotermas sea 40º C. se debe a la estufa, la puerta, la temperatura exterior, las dimensiones de la sala, etc. Evidentemente no depende del instrumento con que se mide la Intensidad del Campo de Temperaturas; es decir, no depende del Termómetro. P 40ºC

Concepto de Campo Campo de velocidades (vectorial) Río o corriente de agua En cada punto el agua se mueve con una velocidad específica (dirección y módulo)

Concepto de Campo Campo gravitacional homogéneo (Es, en realidad un campo de aceleraciones gravitacionales) Sala de clases Todos los puntos de la sala de clases tienen la propiedad de que masas colocadas en ellos experimentan la misma aceleración; es decir: g = Cont. Este Campo gravitacional depende del planeta en que se encuentre la sala de clases.

Concepto de Campo Eléctrico Sea un punto P del espacio. Para dicho punto se define la Intensidad del Campo Eléctrico, que designaremos por E, del modo siguiente. Coloquemos en dicho punto una carga de prueba q0+. Si Fe es la fuerza eléctrica que actúa sobre ella (Debido a las otras cargas eléctricas que existen en el espacio y que desconocemos), entonces: E = F q0+

Concepto de Campo Eléctrico Como se puede ver, el Campo Eléctrico es un campo vectorial. Posee, en cada punto, la dirección y sentido de Fe Posee la dirección en que actúa la fuerza eléctrica. Su unidad (M.K.S.) es el Newton / Coulomb. No depende ni del valor de la fuerza que se mida (F) ni del valor de la carga de prueba que se use (q0+) (Del mismo modo que en el campo de temperaturas no depende del termómetro).

Concepto de Campo Eléctrico Ejemplo: Sea el punto P del espacio. ¿Cuál será la intensidad de Campo Eléctrico en dicho punto? P

Concepto de Campo Eléctrico Coloquemos en P una carga q0+ = 0.1 Cb. Supongamos que sobre ella actúa una fuerza eléctrica igual a Fe = 120 N. en la dirección... q0+ = 0.1 Cb P

Concepto de Campo Eléctrico Tenemos que E = 120 N / 0,1 Cb = 1200 N/Cb. En la misma dirección y sentido de Fe; es decir... E = F q0+ Fe = 120 N q0+ = 0.1 Cb P

Concepto de Campo Eléctrico Hemos calculado la intensidad de Campo Eléctrico (E); pero ¿qué significa? P q0+ = 0.1 Cb E = 1200 N/Cb

Concepto de Campo Eléctrico Significa que en el espacio existen otras cargas eléctricas que generan un campo Eléctrico en él. Puede existir, por ejemplo una carga positiva Q, o bien.... E = 1200 N/Cb P Q +

Concepto de Campo Eléctrico Una carga negativa, o una positiva y una negativa. muchas cargas que producen el mismo efecto. Q - E = 1200 N/Cb P + Q

Concepto de Campo Eléctrico Una carga negativa, o una positiva y una negativa. muchas cargas que producen el mismo efecto. Q - E = 1200 N/Cb + Q P + Q

Líneas de Campo Eléctrico En un espacio, en que existe un campo eléctrico, tiene sentido imaginar líneas por donde acelerarían cargas eléctricas puntuales q0+ que fueran colocados en ellos. Estas cargas de pruebas son imaginarias, y su valor no interesa. Si en cierto experimento fueran reales, al dejarlas libres en un espacio en que existe un Campo Eléctrico, las veríamos acelerar siguiendo trayectorias que nos mostrarían la forma de dicho campo

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q+) Se parecen mucho a las líneas del campo gravitacional de un planeta Q+ q0+

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q-) Se parecen mucho a las líneas del campo gravitacional de un planeta Q- q0+

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q) A una Distancia r de una carga eléctrica Q, la intensidad de Campo Eléctrico (E) es, según la Ley de Coulomb: q0+ Q q0 r2 Fe = Ke q0 Q Fe q0 r Q r2 = Ke Q r2 E = Ke

Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2) Las líneas de campo son, si ambas cargas son de signo contrario:

Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2) Las líneas de campo son, si ambas cargas son del mismo signo:

¿Qué puede decirse de las cargas?

¿Qué puede decirse de las cargas?

Potencial Eléctrico (V) Sea un punto P cualquiera de un espacio en que existe un campo eléctrico Sea E la Energía que se requiere para trasladar una carga de prueba (q0) desde un punto definido como de potencial cero hasta el punto P; entonces, el potencial de P es: V = E/q0 Como E se mide en Joules y q en Coulomb, entonces: V se mide en Joules/Coulomb = J/C = Volts = V P q0 V = 0

Potencial Eléctrico (V) ¿Qué significa... + + 12 Volts 220 Volts 1,5 Volts