FISICA ELECTRICIDAD Y

MAGNETISMO.

¿Qué es la electricidad?.

Es la interacción entre objetos

eléctricamente cargados.

Carga eléctrica.Al igual que la masa la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, esta relacionada con partículas que constituyen el átomo

“el electrón y el protón”.

átomos, los componentes básicos de la materia ordinaria de toda clase.

Los electrones se consideran como partículas en órbita alrededor de un núcleo que contiene la mayoría de la masa del átomo en forma de protones y partículas eléctricamente neutras neutrones.

Una distinción básica es que solo hay una masa en la naturaleza y se sabe que las fuerzas gravitacionales son solo atractivas. Sin embargo las cargas eléctricas existen en dos tipos, positiva (+) y negativas (-). Los protones llevan una carga positiva y los electrones llevan una carga negativa. Las diferentes combinaciones de los dos tipos de carga producen fuerzas eléctricas atractivas o repulsivas.

La dirección de las fuerzas cuando las cargas interactúan entre si están dadas por el siguiente principio llamado “LEY DE LA CARGA o LEY DE CARGA-FUERZA”

“CARGAS IGUALES SE REPELEN Y CARGAS

DESIGUALES SE ATRAEN”

La carga y masa de los electrones y protones se indica en la tabla siguiente:

Partícula Carga eléctrica masa

Electrón -1.602 x 10-19 C 9.109 x 10-31 kg

Protón +1.602 x 10-19 C 1.673 x 10-27 kg

Neutrón 0 1.675 x 10-27 kg

Con frecuencia usamos varios términos cuando analizamos objetos cargados. Decir que un objeto tiene una carga neta significa que un objeto tiene un exceso de cargas positivas o negativas.

Los átomos cargados positivamente se llaman iones positivos. Los átomos con un exceso de electrones se llaman iones negativos.

Ejemplo 1. usted arrastra los pies sobre un piso alfombrado en un día seco y la alfombra adquiere una carga positiva neta.a)Usted tendrá 1) una deficiencia o 2) un exceso de electrones.b)Si la carga adquirida tiene una magnitud de 2.15 nC ¿Cuántos electrones se transfirieron?

Al tratar con cualquier fenómeno eléctrico, otro importante principio es el de la conservación de la carga:

“LA CARGA NETA DE UN SISTEMA AISLADO

PERMANECE CONSTANTE”

Conductores, aisladores eléctricos.

Ciertos materiales permiten que las cargas eléctricas se desplacen con facilidad de una región del material a otra, pero otras no.Por ejemplo el alambre de cobre se describe como un conductor de electricidad, ya que permite que las cargas eléctricas se desplacen fácilmente a través de ellos, no así los aislantes.

El los conductores los electrones de valencia de los átomos, están débilmente ligados, como resultado es fácil removerlo del átomo y que se muevan en el conductor, esto es los electrones de valencia no están permanentemente ligados aun átomo en particular. Sin embargo, en los aislantes incluso los electrones que están menos ligados, lo están tan fuertemente, que es difícil removerlos del átomo

FUERZA ELECTRICA.

Sabemos que la dirección de las fuerzas eléctricas sobre cargas q interactúan están dadas por la ley carga-fuerza. Sin embargo ¿Qué sucede con su magnitud? Coulomb investigo esto y encontró que la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales (muy pequeñas) q1 y q2 depende directamente del producto de las cargas e inversamente del cuadrado de la distancia entre ellas.

Así la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales se describe mediante una ecuación llamada:

«LEY DE COULOMB».

1) La fuerza electrostática que ejercen entre si dos cargas puntuales son iguales y de signo contrario.  2) Para una configuración de 2 o más cargas puntuales. La fuerza sobre una carga particular es la suma vectorial de las fuerzas sobre ella que provocan todas las demás cargas.

CAMPO ELECTRICO.

Campo eléctrico.

El campo eléctrico es el intermediario a través del cual un cuerpo con carga comunica su presencia.

Un campo eléctrico se concibe como rodeando todo conjunto de cargas.La idea central del concepto de campo eléctrico es la siguiente: una configuración de cargas crea un campo eléctrico en el espacio cercano. Si en este campo eléctrico se coloca otra carga, el campo ejerce una fuerza eléctrica sobre ella

Por lo tanto:

Las cargas crean campos, y estos, a su vez, ejercen fuerza sobre otras cargas.

La fuerza es una magnitud vectorial; por tanto, el campo eléctrico también es una magnitud vectorial. Se define la intensidad el campo eléctrico E en un punto como el cociente la fuerza eléctrica F que experimenta una carga de prueba q en ese punto entre la carga q.

Si hay mas de una carga generando campo eléctrico, entonces el campo eléctrico total o neto en cualquier punto se encuentra usando el principio de superposición para campos eléctricos que se enuncia como sigue:

Para una configuración de cargas, el campo eléctrico total o neto en cualquier punto es la suma vectorial de los campos eléctricos que se deben a las cargas individuales.

LINEAS ELECTRICAS DE FUERZA.

Una manera conveniente de representar gráficamente el patrón del campo eléctrico es usando líneas eléctricas de fuerza o líneas de campo eléctrico.

Las reglas generales para dibujar e interpretar líneas de campo eléctrico son las siguientes:

1.- Cuanto mas cercas estén las líneas del campo, mas intenso es el campo eléctrico.

2.- Las líneas de campo eléctrico empiezan en cargas positivas y terminan en cargas negativas.

3.- el numero de líneas que salen o entran a una carga es proporcional a la magnitud de esta.

4.- Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan

Apliquemos ahora esas reglas y el principio de superposición para hacer un mapa del patrón de líneas de campo eléctrico que genera un dipolo eléctrico.

Un dipolo eléctrico consiste en dos cargas eléctricas iguales pero de signo contrario.

Ley de Gauss.

La ley de Gauss establece que el flujo eléctrico total a través de cualquier superficie cerrada (una superficie que encierre un volumen definido) es proporcional a la carga eléctrica total dentro de la superficie.

ENERGIA CINETICA.

La energía cinética es la energía que posee un objeto debido a su movimiento, esta energia depende de la velocidad y masa del objeto según la ecuación E = 1mv2, donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado.

ENERGIA POTENCIAL:

En un sistema físico, la energía potencial es energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración.

La energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en energía cinética.

Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.

Energía potencial eléctrica.

Empecemos con uno de los patrones de campo eléctrico más simple: el campo eléctrico entre dos grandes placas paralelas, cargadas opuestamente.

Supongamos que una carga pequeña positiva “q” es movida con rapidez constante contra el campo eléctrico E directamente de la placa negativa A la placa positiva B. Una fuerza externa con la misma magnitud que la fuerza eléctrica F=qE es requerida para lograr esto. El trabajo hecho por la fuerza externa es positivo ya que la fuerza y el desplazamiento son en la misma dirección. Así la cantidad de fuerza realizado por la fuerza externa es W=qEd.

Si la carga de prueba es liberada cuando llega a la placa positiva esta aceleración de regreso a la placa negativa, ganando energía cinética. Al mover la carga de la placa A a la placa B, la fuerza externa ha incrementado la energía potencial eléctrica de la carga Ue, en una cantidad igual al trabajo hecho sobre la carga (Ua>Ub).

Por lo que el cambio de energía potencial eléctrica de la carga es:

Diferencia de potencial eléctrico.

La diferencia de potencial eléctrico, ΔV, entre dos puntos cualesquiera en el espacio se define como el cambio de energía potencial, o trabajo hecho por carga unitaria de prueba positiva, Así la diferencia de potencial eléctrico es:

ΔV= ΔU/q

La diferencia de potencial se llama comúnmente voltaje

Diagramas de circuitos y símbolos.

Para analizar y visualizar un circuito que son representaciones esquemáticas de alambres, baterías y aparatos, tal como están conectados. Cada elemento del circuito se representa por su propio símbolo en el diagrama del circuito.

Corriente eléctrica.

Para mantener una corriente eléctrica requiere de una fuente de voltaje y un circuito completo, es decir, una trayectoria continua de conducción. La gran mayoría de los circuitos tiene un interruptor que se usa para “abrir” y “cerrar” el circuito. Un circuito abierto elimina la continuidad de la trayectoria, lo que detiene el flujo de carga en los alambres.

Resistencia y ley de ohm.

Cualquier objeto que ofrece resistencia considerable a la corriente eléctrica se llama resistor y se representa en los diagramas mediante el símbolo en zigzag. Este símbolo se utiliza para representar todos los tipos existentes de resistores, desde los cilindros codificados en colores sobre tableros de circuitos impresos a los dispositivos y aparatos eléctricos como secadoras de cabello y bombillas de luz.

Factores que influyen en la resistencia.La resistencia de un objeto de sección transversal uniforme, como un tramo de alambre, depende de cuatro propiedades: 1) tipo de material, 2) su longitud, 3) su área transversal, 4) su temperatura.

Como podría esperarse la resistencia de un objeto es inversamente proporcional al área de su sección transversal (A) y directamente proporcional a su longitud(L).

Potencia eléctrica.

Cuando en un circuito existe una corriente sostenida, los electrones reciben energía de la fuente de voltaje, por ejemplo de una batería. Conforme esos portadores de carga pasan por componente del circuito, entran en colisión con lo átomos del material (es decir encuentran resistencia)y pierden energía. La energía transferida en las colisiones da por resultado un incremento en la temperatura de los componentes. De esta manera la energía eléctrica se transforma, por lo menos parcialmente, en energía térmica.

Circuitos eléctricos básicos.

Combinaciones de resistencias en serie, en paralelo y en serie-paralelo.El símbolo de resistencia puede representar cualquier tipo de elemento de un circuito, por ejemplo una bombilla o un tostador. Además como es costumbre la resistencia de un alambre se considera insignificante.

Resistores en serie.

Se dice que los elementos de un circuito están conectados en serie o conectado extremo a extremo. Cuando las resistencias están en serie la corriente debe ser la misma a través de todos los resistores.

Resistores en paralelo.

Cuando los resistores están conectados en paralelo a una fuente de fem la caída de voltaje a través de cada resistor es la misma.

A diferencia de los resistores en serie, la corriente en un circuito en paralelo se divide en trayectorias diferentes. La corriente total que sale de la batería es igual a la suma de esas corrientes.