Electricidad

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación

Liceo Bolivariano “José María Carreras”

Casanay, Edo-Sucre

Física

Electricidad

Profesor:

Alumnos:

Casanay, 12 de Febrero del 2014

INTRODUCCIÓN

La electricidad, por sus múltiples aplicaciones ha transformado la historia de la humanidad, se le considera como la más variable de todas las formas de energía, ésta se puede manifestar de muchas maneras en la naturaleza, originando influencias en el espacio físico que la rodea, así como las perturbaciones ocurridas llamadas campos eléctricos. La distribución de estas cargas da lugar al campo eléctrico, considerado como el espacio alrededor de un cuerpo determinado.

En la presente investigación se le da respuesta a estas interrogantes: Qué es un campo eléctrico, su Intensidad definida como el cociente que resulta al dividir la fuerza entre la carga de prueba, Líneas de fuerza creada por una carga puntual, magnitud y su flujo.

Así mismo, la Ley de Gauss y sus aplicaciones, también se hace mención de la vida de Robert Andrews Millikan y en qué consistió su experimento, entre otros.

CONTENIDO

1. ¿Qué es un campo eléctrico?

2. Intensidad del campo eléctrico en un punto.

3. Líneas de fuerza de un campo eléctrico creada por una carga puntual y sus propiedades.

4. Magnitud del campo eléctrico creado por una carga puntual.

5. Flujo del campo eléctrico.

6. Ley de gauss y sus aplicaciones.

7. ¿Quién fue Robert Andrews Millikan, qué demostró y en qué consistió su experimento?

8. Potencial eléctrico.

9. Diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.

10. Superficie equipotencial.

11. Electrón-voltio.

12. Energía Potencial Eléctrica.

13. Condensador o capacitadores.

14. Tipos de condensadores.

15. Capacitancia o capacidad eléctrica.

16. Farad y submúltiplos.

17. Tabla de constantes dieléctricas.

¿Qué es un campo eléctrico?

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

Intensidad del campo eléctrico en un punto.

Consideremos una carga (-t- q), la cual crea a su alrededor un campo eléctrico. A esta carga se le llama carga puntual por ser fija en un punto del espacio figura 2.2(a). Dentro del campo creado por que se ubica una carga qo, la cual es llamada carga móvil o carga de prueba, considerada positiva por conveniencia, tal y como se ha definido anteriormente. Esta carga de prueba es repelida por la carga puntual (+ q) con una fuerza F.

Líneas de fuerza de un campo eléctrico creada por una carga puntual y sus propiedades.

Con el objeto de hacer más fácil el estudio del campo eléctrico, se recurre a una representación geométrica de él, es decir, representar el campo eléctrico mediante diagramas. Faraday siempre se lo imagino en términos de líneas de fuerza, la cual se define así:

Una línea de fuerza es una línea imaginaria que presenta la propiedad de que el vector campo eléctrico E sea tangente a ella en cada uno de

sus puntos.

Las figuras mostradas a continuación nos ayudarán a entender las líneas de fuerza:

Aquí se muestra una línea de fuerza y el vector campo eléctrico en cada uno de los puntos A, B, C y D.

Propiedades de la línea de fuerza

Existe un conjunto de reglas que nos permite trazar una línea de fuerza:

1. Dos líneas de fuerza de un mismo punto nunca se cruzan. Esto se explica porque en cada punto se tendría un sólo vector E y por éste punto debe pasar sólo una línea de fuerza.

2. Las líneas de fuerza se inician en una carga positiva y terminan en una carga negativa.

3. 3.- La tangente a una línea de fuerza en cada punto es la dirección de E en ese punto.

Magnitud del campo eléctrico creado por una carga puntual.

La magnitud del campo eléctrico creado por una carga puntual, viene dada por la siguiente expresión:

Si el campo es creado por varias cargas puntuales, el campo resultante se determina a Través de una suma vectorial.

El campo eléctrico total debido a un grupo de cargas, es igual al vector resultante de la Suma de los campos eléctricos de todas las cargas.

Flujo del campo eléctrico

El flujo del campo eléctrico se define de manera análoga al flujo de masa. El flujo de masa a través de una superficie S se define como la cantidad de masa que atraviesa dicha superficie por unidad de tiempo.

Ley de gauss y sus aplicaciones

Carlos Gauss (1777-1855)

Carlos Gauss, a pesar de haber sido un gran matemático le dedicó gran parte de su vida al estudio de dos ciencias:

La Astronomía y la Física: Su vida transcurrió entre el 1777, año en que nació en la ciudad de Brunswick, y el 1855 año en que murió en la ciudad de Gotinga.

Para enunciar la ley de Gauss se debe considerar una superficie imaginaria y cerrada, llamada superficie gaussiana. La ley de Gauss se puede enunciar como:

El flujo eléctrico a través de una superficie cerrada que encierra las cargas q1, q2, q3…

Gaussiana

Aplicaciones:

• Si un conductor electrizado está en equilibrio electrostático, las cargas eléctricas se hallarán distribuidas en su superficie y el campo eléctrico será nulo en todos sus puntos internos.

• El campo eléctrico creado por una esfera cargada en puntos fuera de ella es igual al que produciría si toda la carga estuviera concentrada en su centro.

¿Quién fue Robert Andrews Millikan, qué demostró y en qué consistió su experimento?

Robert Andrews Millikan nace en Morrisom (Estado Unidas) en el año de 1868. Muere en el año 1953.

Realiza sus estudios en b Universidad dc Berlín y al regresar a su país natal es nombrado catedrático de la Universidad dc Chicago. Es aquí donde realiza sus famosos experimentos, los cuales le llevaron largos años y que hoy en día es conocido como el experimento de Millikan. Dicho experimentos le permitió medir el valor de la carga del electrón.

Entre otro de sus trabajos se suele mencionar la comprobación experimental de la ecuación de Einstein, referida al efecto fotoeléctrico, obteniendo un valor bastante preciso de la constante de Planck.

Millikan fue objeto de muchos homenajes, por el hecho de convenirse en un famoso investigador. Esto le trajo como consecuencia la ocupación de altos cargos, tales como el representar a su país en la llamada

Liga de las Naciones.

Fue en el año 1923, cuando recibe el premio Nobel de Física por sus trabajos de la determinación de la carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.

Potencial eléctrico

El potencial eléctrico en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica a velocidad constante.

Matemáticamente se expresa por:

Diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos

Considérese una carga de prueba positiva en presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la diferencia de potencial eléctrico se define como:

Superficie equipotencial

Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de los puntos de un campo escalaren los cuales el "potencial de campo" o valor numérico de la función que representa el campo, es constante. Las superficies equipotenciales pueden calcularse empleando la ecuación de Poisson

Electrón-voltio

Electrón-voltio Es una de las unidades aceptadas para su uso en el SI (Sistema Internacional de unidades) pero que no pertenece estrictamente a él.

Energía Potencial Eléctrica

La energía potencial se puede definir como la capacidad para realizar trabajo que surge de la posición o configuración. En el caso eléctrico, una carga ejercerá una fuerza sobre cualquier otra carga y la energía potencial surge del conjunto de cargas. Por ejemplo, si fijamos en cualquier punto del espacio una carga positiva Q, cualquier otra carga positiva que se traiga a su cercanía, experimentará una fuerza de repulsión y por lo tanto tendrá energía potencial. La energía potencial de una carga de prueba Q en las inmediaciones de esta fuente de carga será:

Donde k es la constante de Coulomb.

En electricidad, normalmente es más conveniente usar la energía potencial eléctrica por unidad de carga, llamado expresamente potencial eléctrico o voltaje.

Condensador o capacitadores

Un condensador, es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

Tipos de condensadores

Los condensadores están divididos en dos grandes grupos: fijos y variables.

Los condensadores fijos: Son los de papel, los cerámicos y los eléctricos. En los de papel las placas están constituidas por láminas de aluminio de alta pureza, y su dieléctrico es un papel de alta calidad. En los de cerámicas, las placas son de plata y usan cerámica como dieléctrico. En los electrolíticos las placas son una de aluminio y la otra es un electrolito, usando oxido de aluminio como dieléctrico.

Los condensadores variables: Son aquellos a las cuales es posible variarle su capacidad a través de medios mecánicos, usándose aire o plástico como dieléctrico.

Capacitancia o capacidad eléctrica

La capacitancia o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión matemática:

Dónde:

C: es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.

Q: es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;

V: es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.

Farad y submúltiplos

Farad (símbolo F), en honor a Michael Faraday, a la unidad de capacidad eléctrica del Sistema Internacional de Unidades (SI).

Un faradio es la capacidad de un condensador entre cuyas armaduras existe una diferencia de potencial eléctrico de 1 voltio (1 V) cuando está cargado de una cantidad de electricidad igual a un culombio (1 C).

Tabla de los submúltiplos y múltiplos del Sistema Internacional de Unidades.

Múltiplos del Sistema Internacional para faradio (F)

Submúltiplos Múltiplos

Valor Símbolo Nombre Valor Símbolo Nombre

10−1 F dF decifaradio 101 F daF decafaradio

10−2 F cF centifaradio 102 F hF hectofaradio

10−3 F mF milifaradio 103 F kF kilofaradio

10−6 F µF microfaradio 106 F MF megafaradio

10−9 F nF nanofaradio 109 F GF gigafaradio

10−12 F pF picofaradio 1012 F TF terafaradio

10−15 F fF femtofaradio 1015 F PF petafaradio

10−18 F aF attofaradio 1018 F EF exafaradio

10−21 F zF zeptofaradio 1021 F ZF zettafaradio

10−24 F yF yoctofaradio 1024 F YF yottafaradio

Tabla de constantes dieléctricas

Constante dieléctrica Ke

Material aislante Ke(A/cm) Material aislante Ke (A/cm)

Aceite de colza 2,2 Hule duro 2,8

Aceite de parafina 2,2 Hule vulcanizado 2,7

Aceite de raíz 3 Laca 3,5

Aceite de ricino 4,7 Lacre de sello 4,3

Aceite mineral para transformador 2,2 Mármol 4

Aceite de oliva 3 Mica 8

Aceite vegetal para transformador 2,5 Micanitap 5

Agua 80 Papel 2,3

Aire 1 Papel pescado 4,2

Aislamiento para cables 2,5 Parafina 2,2

Aislamiento para cables de alta tensión 4,2 Petróleo 2,2

Aislamiento para cables telefónicos 1,5 Pizarra 4

Asbesto-Hule 4 Porcelana 4,4

Baquelita 2,7 Tela 4

Cartón 4,5 Terpentina 2,2

Cuarzo 4,5 Vidrio 5

Ebonita 2,5 Vidrio (Zeiss) 1,6

Fibra volcánica 2,5

CONCLUSIÓN

La electricidad, se encuentra en casi todo lo que rodea el ambiente, en este sentido, se puede decir que su campo está representado por la unión entre cuerpos, su intensidad simboliza la fuerza que actúa sobre la unidad de carga positiva colocada en un punto. De este modo, la carga eléctrica constituye una propiedad fundamental de la materia, que se despliega a través de ciertas fuerzas, denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos.

Se deduce que toda carga altera las propiedades del espacio que la rodea y el campo eléctrico constituye la causa física de las fuerzas eléctricas.

En otro orden de idea, se puede decir La ley de Gauss constituye una de las ecuaciones fundamentales de la electrostática, debido a que es esencial en la resolución de problemas, en donde sea preciso conocer el valor del campo eléctrico, pero su utilización dependerá del grado de simetría que tenga la distribución de carga, como en el caso de esferas, cilindros y láminas planas uniformemente cargadas.

Así como también, a través de la ley de Gauss se puede determinar el campo eléctrico creado por distribuciones continúas de cargas, con una geometría sencilla, para realizar este método es necesario que se cumplan dos condiciones a saber, que el campo sea normal a la superficie, y que el área de la misma sea conocida, esto hará más factible su estudio.

Finalmente, se concluye que el teorema de Gauss permite calcular la expresión del campo electrostático creado por algunas distribuciones de carga.

BIBLIOGRAFÍA

• Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté

(vol. II)

• Halliday, Resnick & Walter, “Física”, Ed. Addison- Wesley.

• Masot, F. (2011) Campo Eléctrico. Universidad de Sevilla.España

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