ELECTRICIDAD

Parte I – Electrostática

Por: Ing. Nelson Velásquez

ELECTRICIDADEs un fenómeno físico que ocurre

cuando la materia pierde o gana electrones.

El estudio de la electricidad se divide en dos ramas:

Electrostática – estudia las cargas en reposo

Electrocinética – estudia las cargas en movimiento

ElectrostáticaIng. Nelson Velásquez

Es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en reposo.Estos fenómenos comúnmente ocurren en materiales aislantes de la electricidad.

Origen de las cargas

Toda materia está compuesta por átomos.

Los átomos están constituidos por protones (+), neutrones (0) y electrones (-).

Éstos últimos son partículas móviles. Entran y salen de los átomos mientras las demás permanecen en su sitio.

Diferencia entre materiales aislantes y conductores

La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad.

En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor.

Origen de las cargas

Habitualmente existen igual número de electrones que protones en los átomos (y por tanto en todos los cuerpos). En este caso un cuerpo es neutro.

Pero si los electrones se mueven fuera del cuerpo, predominarían en número los protones. En este caso el cuerpo queda positivo.

+

+

+ ―

――

+

+

+ ―

――

Neutro (0) Positivo (+)

Origen de las cargas

Por el contrario, si el cuerpo adquiere los electrones, éstos predominarían en número sobre los protones. En este caso el cuerpo queda negativo.

++

――

++ ―

――

Neutro (0) Negativo (―)

Polaridad

Cuerpos con electricidad del mismo signo se repelen y cuerpos con electricidad de diferente signo se atraen.

¡Atención!

En todo caso, los que se mueven son los electrones.

Los protones y neutrones son inmóviles en condiciones normales.

ElectrostáticaLos cuerpos pueden adquirir cargas por medio de los siguientes formas:◦Fricción o frotamiento◦Inducción◦Contacto

Al menos 2 de las 3 formas suelen producirse juntas en el mismo evento electrostático.

Fricción o frotamiento

Al frotar dos materiales distintos, un número de electrones pasan de uno al otro, resultando uno positivo (el que cede los e-) y otro negativo (el que los adquiere).

Fricción o frotamientoSe denomina triboelectricidad

(del griego tribein, "frotar" y electrón, "ámbar") al fenómeno de electrificación por frotamiento.

Hay materiales cuyos núcleos atómicos tiene mayor afinidad por los electrones que otros, lo que da lugar a la transferencia.

Serie TriboeléctricaEs una secuencia ordenada de

materiales con base a su electrización por frotamiento.

La secuencia es vertical e inicia con los materiales que tienden a ceder electrones (que se cargan positivamente) y progresivamente hacia abajo continúa con los que tienden a adquirir electrones (que se cargan negativamente).

Serie TriboeléctricaFrotando dos materiales de la

secuencia, el que esté en la posición más alta se cargará positivamente, mientras que el que se sitúe más abajo se carga negativamente. Además cuanto más separados estén los materiales en la tabla, más intensa es su electrización.

Inducción

Cuando un cuerpo cargado se acerca a otro descargado sin tocarlo, puede producir en este una separación entre algunas de sus cargas positivas y negativas. Tal efecto se conoce como inducción eléctrica.

Inducción

+

+

+ ―

――

Neutro (0)

+

+

+――

―

Neutro Inducido (0)

― ― ―

― ― ―

Negativo (―)

+

+

Negativo (―)

Inducción

De esta manera es posible interpretar por qué las barras de plástico o de vidrio cargadas atraen trocitos de papel. La barra cargada provoca una redistribución de las cargas en el papel por inducción, lo que origina una atracción entre la barra y los papelitos, pues las cargas positivas (o negativas) del papel se ubican más cerca de la barra de plástico (o vidrio).

Contacto

Cuando un cuerpo cargado se acerca a otro descargado sin tocarlo, puede producir en este una separación entre algunas de sus cargas positivas y negativas (inducción, como ya vimos).

Pero si los cuerpos entran en contacto, lo que comúnmente ocurre es que los electrones excedentes del cuerpo negativo se distribuyen equitativamente entre ambos cuerpos, quedando ambos neutros, ambos positivos o ambos negativos. Por lo que, tras el contacto, ambos cuerpos tiendan a repelerse o a no presentar afinidad alguna.

Contacto+

+

+――

―Neutro Inducido (0)

― ― ― +

Negativo (―)

+

+

+――

―

CONTACTO Y TRANSFERENCIA DE ELECTRONES

― ― ― +

+

+

+―

――― ―― +

Negativo (―)Negativo (―)

ATRACCIÓN

REPELENCIA

Formas de ElectrizaciónIng. Nelson Velásquez

En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido en un cuerpo eléctricamente neutro, por una causa externa al mismo.

Carga por fricción o frotamiento El vidrio adquiere una carga

eléctrica positiva al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico, una explicación sobre los materiales y como se cargan puede hallarse en el efecto triboeléctrico.

Carga por el efecto fotoeléctrico

Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

Carga por electrólisis

La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo.

Carga por efecto termoeléctrico Es la electricidad generada

por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Efecto Piezoeléctrico

La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Campos EléctricosLas cargas eléctricas ejercen

fuerzas sobre los objetos sin estar en contacto directo.

Este fenómeno se llama campo eléctrico y se define como sigue:

“Espacio situado alrededor de una carga dentro del cual se ejercen fuerzas de atracción o repulsión”.

Campo eléctrico de una carga positiva y otra negativa sin interacción

Interacción entre 2 campos eléctricos de signo positivo

Interacción entre 2 campos eléctricos de signo opuesto

Interacción entre 2 campos eléctricos de signo negativo

Ley de CoulombEl físico francés Charles Coulomb

(1736-1806) estudió la fuerza (F) entre dos cuerpos cargados y determinó las siguientes relaciones:

La fuerza de atracción o repulsión es directamente proporcional a la intensidad de las cargas eléctricas (Q1 y Q2).

La fuerza de atracción o repulsión es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) entre las cargas.

Ley de Coulomb

k Q1 Q2

d2F =

Donde:

F = fuerza en Newtons (N)Q = carga en Colombios (C)d = distancia en metros (m)k = constante de Coulomb = 9 x109 Nm2/C2

Ley de Coulomb

Si la fuerza resultante es positiva, significa que es fuerza de repulsión.

Si la fuerza resultante es negativa, significa que es fuerza de atracción.

Permitividad del medioLa ecuación de Coulomb, supone

que las cargas interactúan en el vacío.

Según la densidad del medio en que interactúan 2 cargas, la intensidad de la fuerza puede disminuir.

Por ello, un factor que se agrega a la ecuación es el coeficiente de permitividad (Єr) que corrige el valor de la fuerza según el medio.

Ley de Coulomb

k Q1 Q2

Єr d2F =

Donde:

F = fuerza en Newtons (N)Q = carga en Colombios (C)d = distancia en metros (m)Єr = coeficiente de permitividadk = constante de Coulomb = 9 x109 Nm2/C2

Simplificando

F

ЄrF (medio) =

Donde:

F = fuerza en Newtons (N) en el vacíoЄr = coeficiente de permitividad

Coeficientes de Permitividad Relativa (Єr) de algunos Medios

Medio Aislador Permitividad Relativa (Єr)

Vacío 1.0000

Aire 1.0005

Gasolina 2.35

Aceite 2.8

Vidrio 4.7

Mica 5.6

Glicerina 45

Agua 80.5