Bloque 3
Comprendes
las leyes de la electricidad
Introducción
En este bloque se presentan los conceptos
referenciales a la electricidad, sus manifestaciones, aplicaciones y características,
con la finalidad de que comprendas la importancia que tiene en el estudio de la
física clásica. Asimismo se abordan los temas de electrostática y electrodinámica,
ramas de la física que permiten entender el comportamiento de las cargas eléctricas.
La electricidad se origina por las cargas
eléctricas, las cuales se pueden encontrar en reposo o en movimiento. La
electrostática es la rama de la física que estudia el comportamiento de la carga
eléctrica o cantidad de electricidad presente en un cuerpo y los fenómenos
asociados a las cargas eléctricas en reposo. La electrodinámica es la parte de
la física que estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en
movimiento.
La electricidad (del griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos. Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.
También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes que rigen el fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas. Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes eléctricas por inducción —fenómeno que permite transformar energía mecánica en energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y distribución y a su gran número de aplicaciones.
La electricidad es originada por las cargas
eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas. Cuando
varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas
electrostáticas. Cuando las cargas eléctricas están en movimiento
relativo se ejercen también fuerzas magnéticas.
Se conocen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos
que conforman la materia contienen partículas
subatómicas positivas
(protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay partículas
elementales cargadas
que en condiciones normales no son estables, por lo que se manifiestan sólo en
determinados procesos como los rayos cósmicos y las desintegraciones
radiactivas.
La electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen
entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio
de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son
cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones
del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de
los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y
repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
Históricamente,
la electrostática fue la rama del electromagnetismo que
primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue
descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en
la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron
definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las
leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden
ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.
La electrodinámica es la rama del electromagnetismo que trata de la evolución temporal en
sistemas donde interactúan campos eléctricos y magnéticos con cargas en movimiento.
Electrodinámica
clásica (CED)
Albert Einstein desarrolló la relatividad especial merced
a un análisis de la electrodinámica. Durante finales del siglo XIX los físicos
se percataron de una contradicción entre las leyes aceptadas de la
electrodinámica y la mecánica clásica. En
particular, las ecuaciones de Maxwell predecían resultados no intuitivos como
que la velocidad de la luz es la
misma para cualquier observador y que no obedece a la invariancia de Galileo. Se creía,
pues, que las ecuaciones de Maxwell no eran correctas y que las verdaderas
ecuaciones del electromagnetismo contenían un término que se correspondería con
la influencia del éter lumínico.
Después de que los experimentos no arrojasen
ninguna evidencia sobre la existencia del éter, Einstein propuso la
revolucionaria idea de que las ecuaciones de la electrodinámica eran correctas
y que algunos principios de la mecánica clásica eran inexactos, lo que le llevó
a la formulación de la relatividad especial.
Unos quince años antes del trabajo de Einstein,
Wiechert y más tarde Liénard, buscaron las expresiones de los campos
electromagnéticos de cargas en movimiento. Esas expresiones, que incluían el
efecto del retardo de la propagación de la luz, se conocen ahora como potenciales de Liénard-Wiechert. Un hecho importante que se desprende del retardo, es que un conjunto
de cargas eléctricas en movimiento ya no puede ser descrito de manera exacta
mediante ecuaciones que sólo dependa de las velocidades y posiciones de las
partículas. En otras palabras, eso implica que el lagrangiano debe contener dependencias de
los "grados de libertad" internos del campo.
La electrodinámica
cuántica (ó QED, Quantum Electro Dynamics), como
sugiere su nombre, es la versión cuántica de la electrodinámica. Esta teoría
cuántica se describe el campo electromagnético en términos de fotones intercambiados
entre partículas cargadas, al estilo de la teoría
cuántica de campos. Por tanto, la electrodinámica cuántica se centra
en la descripción cuántica del fotón y
su interacción/intercambio de energía y momento lineal con las partículas
cargadas.Se puede señalar que la formulación de la teoría de la relatividad restringida se compone de dos partes, una de ellas «cinemática», descrita anteriormente, y que establece las bases de la teoría del movimiento – y, por consiguiente, del conjunto de la teoría– dándoles su expresión matemática, y una parte «electrodinámica» que, combinando las propuestas de la primera parte con la teoría electromagnética de Maxwell, Hertz y Lorentz , establece deductivamente un cierto número de teoremas sobre las propiedades de la luz y, en general de las ondas electromagnéticas como, asimismo, la dinámica del electrón.
Antecedentes históricos de la electricidad
Se dice que fue el filósofo griego Tales de Mileto el primero en estudiar los fenómenos eléctricos. Aproximadamente en el año 600 a.C. Tales observo que al frotar una barra de ámbar con un trozo de lana o cuero, aquella era capaz de atraer pequeños objetos, como hojas o paja. Los griegos observaron que ciertas piedras que contenían magnetita eran capaces de atraerse entre sí y a pequeños objetos de hierro. Hasta el siglo XVII cuando William Gilbert estableció la diferencia entre materiales conductores y aislantes, a partir de la atracción que tenían con los imanes.
En el siglo XVIII se establecen las bases de la electroestática: Watson introduce el concepto de corriente eléctrica; Benjamín Franklin inventó el pararrayos; Coulomb estableció una expresión matemática que relaciona la fuerza que existe entre dos cargas eléctricas.
Carga eléctrica e interacción entre cargas
La carga eléctrica, al igual que la masa, constituye una propiedad fundamental de la materia.
La carga eléctrica se puede transferir de un cuerpo a otro; por lo general un cuerpo con exceso de carga positiva cede electrones a otro, cargándolo negativamente.
Materiales conductores y aislantes
Un material conductor permite el flujo de corriente a través de él, es decir, la carga introducida fluye libremente y se redistribuye.
Las aislantes son aquellos que no permiten en paso de la corriente electrica (madera, vidrio, etc) mientras que los conductores si (los metales: cobre, oro, plata).
Existe otro tipo de materiales llamados semiconductores los cuales al aumentar su temperatura aumenta su conductividad.
Ley de Coulomb
El físico francés Charles A. Coulomb (1736-1806) realizo una serie de experimentos utilizando una balanza de torsión, con la que percibió que entre 2 cuerpos cargados eléctricamente se ejercía una fuerza, misma que podía ser de atracción o de repulsión (dependiendo del signo de las cargas) y que estaba en relación con la distancia a la que se encontraban dichos cuerpos.
Coulomb enuncio la siguiente ley: la fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos cargados eléctricamente, es directamente proporcional al producto de su carga eléctrica, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
La ley de
Coulomb puede expresarse como:
La
magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de
ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa.
La
constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en
el que se encuentran las cargas.
Campo eléctrico
En el caso de la carga eléctrica es posible describir su influencia sobre otras definiendo el campo eléctrico como la fuerza eléctrica por unidad de carga (positiva). El campo eléctrico € que existe en un punto es la fuerza electroestática experimentada por una carga eléctrica colocada en ese punto y dividida entre la misma.
El campo puedo presentarse por las llamadas líneas de campo eléctrico, o línea de fuerza, las cuales fueron propuestas originalmente por el físico ingles Michael Faraday (1791-1867).
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. Matemáticamente se describe como un campo
vectorial en el cual
una carga
eléctrica puntual de
valor q sufre los efectos de
una fuerza eléctrica F dada por la siguiente ecuación:
En los
modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo
magnético, en campo
tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2
Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto
en cargas
eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones
de los fenómenos eléctricos, como la ley de
Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las
investigaciones de Michael
Faraday y los estudios
posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes
completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo
magnético.
Esta definición general indica que el campo no es
directamente medible,
sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su
seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el
principio de inducción electromagnética en el año 1832.
La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio (N/C), Voltio por metro (V/m) o, en unidades
básicas, kg·m·s−3·A−1 y la ecuación dimensional es MLT-3I-1.
Potencial eléctrico
Al trasladar una carga entre dos puntos A y B de un campo eléctrico, en sentido contrario a la línea de fuerza y a velocidad constante, esta realizara un trabajo para contrarrestar la fuerza que recibe. Este trabajo depende de la magnitud de la carga y es igual a la diferencia de energía potencial que existe entre ambos puntos.
El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe
realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde 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 unitaria q desde
la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica.
Matemáticamente se expresa por:
El
potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por
cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe
recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo
electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las
perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz. Si se considera que las
cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el
potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el
exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del sistema internacional es el voltio(V). Todos los
puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una
superficie equipotencial.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica se mide Coulomb/ segundo, unidad que se le denomina Ampere (A). Cuando la corriente eléctrica pasa a través del conductor se producen algunos efectos, por ejemplo: la temperatura del conductor aumenta y se genera campo magnético alrededor de él.
La corriente o intensidad
eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un
material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se
expresa en C/s (culombios sobre segundo),
unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un
movimiento de cargas, produce un campo
magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.
El instrumento usado para medir la intensidad de la
corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro,
colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.
Resistencia eléctrica y ley de Ohm
La resistencia
eléctrica de un objeto es una
medida de su oposición al paso de
La
resistencia de cualquier objeto depende únicamente de su geometría y de su resistividad,
por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la
resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la
temperatura a la cual se encuentra sometido. Esto significa que, dada una
temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá
constante. Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede
definirse como la razón entre la caída de tensión y la corriente en dicha
resistencia, así:
donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.
La ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos, existiendo una
constante de proporcionalidad entre estas dos magnitudes. Dicha constante de
proporcionalidad es la conductancia eléctrica, que es inversa a
la resistencia eléctrica.
La
ecuación matemática que describe esta relación es:
Donde, I es la corriente que pasa a través del
objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las
terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y Res
la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm
dice que la R en esta relación es constante,
independientemente de la corriente.
Los circuitos eléctricos son representaciones graficas de elementos conectados entre sí para formar una trayectoria por la cual circula una corriente eléctrica, en la que la fuente de energía y el dispositivo consumidor de energía están conectados por medio de cables conductores, a través de los cuales circula la carga.
Circuito en serie
La corriente eléctrica en un circuito eléctrico en serie es la misma en todos sus elementos. La cual resistencia equivalente en un circuito eléctrico en serie es la sumatoria de los valores de cada una de las resistencias que lo integran.
Circuito en paralelo
En voltaje en un circuito eléctrico en paralelo es el mismo en todos sus elementos. La corriente eléctrica total del circuito será igual a la sumatoria de todas las corrientes individuales de los elementos que lo componen. La resistencia equivalente en un circuito eléctrico en paralelo es igual al inverso de la suma algebraica de los inversos de la resistencia que lo integran y su valor siempre será menor que cualquiera de la resistencia existentes en el circuito.
Circuito mixto
La intensidad total de la corriente es un circuito mixto depende de la resistencia total ofrecida por el circuito cuando se le conecta a una fuente de voltaje.
Potencia eléctrica y el efecto Joule
La rapidez con la
que la energía eléctrica se convierte en otra forma, como energía mecánica, calor
o luz, se llama potencia eléctrica.
La potencia eléctrica es igual al producto de la corriente por voltaje.
P
= IV
Donde:
P = potencia
eléctrica (Watt)
I
= intensidad de la corriente (Amperes)
V = diferencia de
potencial (Volts)
Cuando I esta expresada
en amperios y V en volts, P estará en Watts.
Si el conductor o
el dispositivo a través del cual circula la corriente, obedece la Ley de Ohm,
la potencia consumida puede expresarse en cualquiera de las formas:
P = I . V = I2 . R = V2/R
Se conoce como efecto
Joule al fenómeno por el cual
si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material
conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su
descubridor, el físico británico James Prescott Joule.
El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto
provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la
temperatura en el propio cable.
El voltaje y la corriente eléctrica pueden ser medidos con instrumentos denominados voltímetros y amperímetros, respectivamente. Se pueden encontrar tanto digitales como análogos, en los cuales el dispositivo principal de su funcionamiento es el galvanómetro.
El amperímetro es un dispositivo para medir la corriente eléctrica y debe conectarse en el circuito de manera tal que la corriente pase directamente a través de él (serie). El voltímetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B, en un circuito, y debe conectarse entre estos puntos (paralelo).
Un amperímetro ideal debe tener una resistencia muy pequeña debido a que se conecta es serie con el circuito y es necesario que no afecte el valor de la medición. Un voltímetro debe tener una resistencia muy alta para que no se produzca un aumento de corriente y modifique el valor del voltaje.
,
experimenta los efectos de una
