PRINCIPIOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

UNIDAD 1

PRINCIPIOS DE ELECTRICIDAD

Y

 MAGNETISMO

1.1. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Y ELECTRICIDAD[pic 1]

        Para comprender el funcionamiento de los conductores, semiconductores, aisladores y en general, los elementos presentes en un circuito eléctrico, es fundamental  considerar la estructura de la materia.

        Toda la materia ya sea sólida, líquida ó gaseosa está compuesta de   átomos (Figura 1.1).

[pic 2]

        A su vez, los átomos se enlazan entre sí formando moléculas. Las moléculas por su parte pueden unirse formando estructuras cristalinas.

        Los átomos están constituidos por partículas elementales, siendo los  electrones las partículas  más importantes para la electricidad. Las propiedades de las partículas elementales son: la carga eléctrica y el efecto electromagnético. A continuación, se revisan los conceptos básicos de la electricidad y el magnetismo.

1. El campo eléctrico

Es una forma de energía que rodea una carga y que se manifiesta como fuerza de atracción o repulsión sobre otras cargas presentes en su entorno.

1. El campo magnético

Es también una forma de energía que se manifiesta como fuerza de atracción o repulsión sobre otras cargas al estar estas partículas en movimiento.

1.1.3. Electrones

Son partículas con carga eléctrica negativa (–q), dispuestas  en órbitas o capas alrededor del núcleo del átomo, que permiten explicar la corriente eléctrica en un conductor.

Los átomos pueden ganar o perder electrones, quedando cargados eléctricamente, creando Iones.

1.1.4. Conducción

Los fenómenos eléctricos se explican por el movimiento de electrones libres entre los átomos. Los electrones de la última capa, pueden ser desprendidos con relativa facilidad convirtiéndose en electrones libres, explicando de esta manera la conducción eléctrica. Para liberarlos, es necesario  la aplicación de una energía externa. Dependiendo de la estructura molecular, hay materiales que liberan fácilmente estos electrones constituyéndose en conductores. Otros, en cambio, pueden liberarlos bajo condiciones muy especiales (semiconductores) y otros no los liberan para los niveles usuales de energía, constituyéndose en aisladores

1.1.5. Conductores

Debido a que los electrones de la última capa están débilmente ligados al núcleo, al aplicarles ciertos niveles de  energía,  los electrones libres viajan por todo el volumen del sólido dando origen a la corriente eléctrica.

Los metales conductores, como ser: cobre, oro, plata, aluminio, etc.  tienen una estructura molecular que les permite disponer de electrones libres, lo que  explica la alta conductividad de estos materiales. Algo semejante ocurre con el carbón que también forma una estructura cristalina.

1.1.6. Aisladores

Llamados también dieléctricos, son materiales de  baja conductividad, es decir, no tienen  electrones libres, como ser: goma, porcelana, vidrio.

1.1.7. Semiconductores

Son materiales intermedios entre conductores y aisladores con relación a la conducción eléctrica.  Los ejemplos clásicos de estos materiales son el germanio y el  silicio, los cuales son usados en la construcción de diodos y  transistores, elementos de gran aplicación  en la electrónica análoga y digital.

1.1.8. Electrólisis e ionización 

La transformación  de una sustancia  producida por el paso de la electricidad recibe el nombre de electrólisis, y electrólito es toda sustancia que al disolverse en el agua da lugar a una disolución conductora de la energía eléctrica.

Cuando se introducen dos electrodos en una disolución o en una cubeta con alguna sal fundida, el electrodo positivo, recibe el nombre de ánodo y el  negativo,  el nombre de cátodo.

Los electrólitos poseen iones cargados negativamente e iones cargados positivamente, responsables de la conductividad eléctrica. Esta teoría recibe el nombre de teoría de la ionización. Los iones con carga positiva ceden su carga  al cátodo  recibiendo por esta razón el nombre de catión,  y los iones con carga negativa ceden su carga  al ánodo y se llaman anión.  La conductividad de corriente, a través del electrólito, se produce por efecto de convección,  transportando los iones, las cargas a los electrodos. Así, la conducción electrolítica  difiere de la conducción metálica en que hay en ellos un transporte de materia y está acompañada de transformación química.

Aprovechando la propiedad de la electrólisis, se puede refinar el cobre, extraer el aluminio del óxido de aluminio, recubrir un metal con otro como niquelar, cromar, platear, etc.

1.2. FUERZA ENTRE CARGAS ELÉCTRICAS 

[pic 3]

La ley de Coulomb (Charles Coulomb 1736 – 1806) permite cuantificar la fuerza de atracción y repulsión entre dos o más cargas eléctricas puntuales en reposo. Las dos cargas interactúan  entre sí dando lugar a 2 fuerzas F de origen eléctrico, de igual magnitud y sentido contrario(Figura 1.2).

“Si las cargas son del mismo sentido, se repelen y si son de distinto sino, se atraen”.

La Ley de Coulomb establece que:

La fuerza en el vacío, sobre cada una de las cargas, es igual al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la  distancia que las separa, es decir:

1.3. CAMPO ELÉCTRICO Y CONDENSADORES

1.3.1. Campo Eléctrico

Cuando se tiene una carga “Q” de valor importante, y se ubica una carga de prueba +qo en las cercanías de “Q”, se experimenta entre ellas una fuerza de atracción o repulsión y  se dice entonces, que existe  un campo eléctrico producido por la carga “Q”

1.3.2. Condensador

        Es un dispositivo que permite acumular carga eléctrica.  Un condensador se compone básicamente de dos placas paralelas conductoras, separadas por un material aislante denominado dieléctrico(Figura 1.3). Si el área de las placas es “A” y el espesor del dieléctrico es “d”, entonces, la capacidad o capacitancia “C” es:

[pic 5]

En donde ∈ es la permitividad absoluta, expresada en farad/m (f/m) y es igual al producto de la constante dieléctrica “K” y la permitividad del vacío  ∈0.[pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

∈ =  K∈0

            ∈0 vale 8.85 x 10-12 [f/m].  

En la Tabla 1.1 siguiente, se presenta una lista de constantes dieléctricas de diversos materiales.

Una manera simple de cargar un condensador consiste en conectarlo a una batería de V volts.  La carga “q” almacenada en un condensador de capacitancia C es:

[pic 12]

Tabla 1.1 Constantes dieléctricas típicas valores aproximados

( T = 20ºC; presión atmosférica; f < 1 MHZ)

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