ELECTROSTATICA

COMPETENCIA ESPECÍFICA DE LA UNIDAD

Aplicar el concepto de carga eléctrica para determinar la corriente en un conductor.

Analizar las propiedades de los materiales para encontrar su resistencia.

ELECTRODINÁMICA

Estudio de las relaciones entre los fenómenos eléctricos, magnéticos y mecánicos. Incluye el análisis de los campos magnéticos producidos por las corrientes, las fuerzas electromotrices inducidas por campos magnéticos variables, la fuerza sobre las corrientes en campos magnéticos, la propagación de las ondas electromagnéticas y el comportamiento de partículas cargadas en campos magnéticos y eléctricos.

La electrodinámica clásica se ocupa de los campos y las partículas cargadas en la forma original descrita sistemáticamente por James Clerk Maxwell, en tanto que la electrodinámica cuántica aplica los principios de la mecánica cuántica a los fenómenos eléctricos y magnéticos. La electrodinámica relativista trata de la conducta de las partículas cargadas y de los campos, cuando la velocidad de ellas se aproxima a la de la luz.

En 1831, luego de una larga serie de experimentos, Michael Faraday encontró una relación nueva entre efectos eléctricos y magnéticos. Se sabía, luego de los trabajos de Oersted y Ampère, entre otros, que una corriente eléctrica (un campo eléctrico) crea efectos magnéticos. Faraday estaba convencido de la simetría en las leyes de la naturaleza, y de la observación de la inducción electrostática y la "inducción" de efectos magnéticos por corrientes eléctricas creía que un campo magnético debía crear efectos eléctricos. Sin embargo, la relación era más sutil: son las variaciones en el tiempo del campo magnético las que crean un campo eléctrico.

La electrodinámica se fundamenta, precisamente, en el movimiento de los electrones o cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse.

Todos los cuerpos conocidos en la naturaleza, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se componen de átomos o moléculas de elementos químicos simples o compuestos. Las moléculas del agua que tomamos para aliviar la sed, por ejemplo, están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O).

En un vaso de agua están presentes miles de millones de moléculas formadas por esos dos elementos químicos.

Todos los átomos o moléculas simples se componen de un núcleo formado por protones y neutrones, y alrededor de ese núcleo gira constantemente una nube de electrones situados en una o en varias órbitas, según el elemento químico de que se trate, de forma similar a como giran los planetas alrededor del sol. Es decir, que cada átomo viene siendo un sistema solar en miniatura, tal como se puede ver en la ilustración del átomo de cobre (Cu), que aparece a la izquierda.

Los protones de los átomos poseen siempre carga eléctrica positiva, los neutrones carga neutra y los electrones carga eléctrica negativa.

La cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo neutro siempre es igual a la de los electrones que se encuentran girando en sus respectivas órbitas. Un átomo en estado neutro tiene el mismo número de cargas negativas que positivas.

2.1 CARGA, CORRIENTE, VOLTAJE Y POTENCIA

CARGA

Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas.

La materia se compone por átomos. Los mismos tienen un núcleo de protones (que tienen carga positiva) y neutrones (carga neutra). En la periferia del átomo, se encuentran los electrones (carga negativa) describiendo órbitas alrededor del núcleo.

Los electrones de las órbitas más alejadas (electrones libres) pueden abandonar el átomo y agregarse a otro cercano. El átomo que tiene un electrón menos queda cargado positivamente, mientras el átomo que ganó un electrón tiene carga negativa.

La carga eléctrica se mide en Coulomb. Un Coulomb es una unidad de carga grande por lo que es común usar submúltiplos como el micro Coulomb (1 μC = 1 10 -6 C). La ley de conservación de cargas dice que dado un sistema aislado no hay cargas que se creen ni se destruyan, sino que la carga se conserva.

La carga eléctrica de un material siempre es múltiplo de la carga eléctrica de un electrón. El signo de la carga eléctrica indica si se trata de carga negativa o positiva.

CORRIENTE

Es el movimiento o flujo libre de electrones a través de un conductor, debido a la presencia de un

campo eléctrico que a su vez es originado por una diferencia de potencial.

NATURALEZA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA:

Electrodinámica es una parte de la electricidad que se encarga de estudiar las cargas eléctricas en movimiento. En un conductor metálico, los electrones se mueven en forma desordenada, no tienen ninguna dirección y sentido definido, sin embargo en promedio el número de electrones que se desplazan en un sentido es igual al número de electrones que se desplazan en sentido contrario, con lo cual el movimiento neto es nulo, con ello concluimos que el flujo neto de electrones es cero.

Intensidad de corriente eléctrica:

La intensidad de corriente es la cantidad de carga eléctrica que pasa a través del conductor por unidad de tiempo (por segundo), por lo tanto el valor de la intensidad instantánea, I, será:

Si la intensidad permanece constante, utilizando incrementos finitos de tiempo, podemos definirla como:

TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA

A) Corriente Contínua:

Se realiza cuando las cargas eléctricas se desplazan en un solo sentido, debido a que el campo eléctrico permanece constante ya que su diferencia de potencial es invariable, ejemplo: en la pila, en la batería, etc.

B) Corriente Alterna:

Se realiza cuando las cargas eléctricas se desplazan cambiando periódicamente de sentido,esto se debe a que el campo eléctrico cambia de sentido con cierta frecuencia, producto del cambio frecuente de la diferencia de potencial; ejemplo: la corriente que generalmente usamos en casa.

VOLTAJE

Es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas.

El Voltaje o la “diferencia potencial eléctrica” es una comparación de la energía que experimenta una carga entre dos ubicaciones.

Para comprender este concepto de forma más simple, pensemos en un material con una carga eléctrica de más electrones de lo que sus átomos pueden sostener (ionizado negativamente) y un material carente de electrones (ionizado positivamente).

El voltaje es el diferencial eléctrico entre ambos cuerpos, considerando que si ambos puntos establecen un contacto de flujo de electrones ocurriría una transferencia de energía de un punto al otro, debido a que los electrones (con carga negativa) son atraídos por protones (con carga positiva), y a su vez, que los electrones son repelidos entre sí por contar con la misma carga.

Desde el punto de vista atómico, es la medición la energía que se requiere para energizar un electrón y desplazarlo de su posición original en el átomo a otro punto dado. Desde el punto de vista de un campo eléctrico estático, es el trabajo que debe imprimirse por cada unidad de carga para moverla entre dos puntos. El voltaje entre dos extremos de un conducto se calcula en función de la energía total requerida para desplazar una carga eléctrica pequeña a través de ese conducto, dividido entre la magnitud de dicha carga. El voltaje puede ser causado por campos eléctricos estáticos, por corriente eléctrica a través de un campo magnético, por campos magnéticos que varían con el tiempo o una combinación de las 3. Se mide en voltios, coulombs o julios y se simboliza como ∆V) y puede representar ya sea a la fuente de energía o una energía perdida, usada o almacenada. Los instrumentos para medir el voltaje pueden ser los voltímetros (que miden la corriente a través de una resistencia eléctrica fija), los potenciómetros (que balancean el voltaje desconocido contra un voltaje conocido en un circuito puente) y el osciloscopio.

POTENCIA

Una magnitud que puede ser escalar o vectorial, que sirve para describir la evolución o variación probable de otra magnitud.

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).

Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.

La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en kilovatios-hora (kWh). Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria

...