INACAP IQUIQUE

ELECTRICIDAD APLICADA I

Docente

Andrea A. Caprile Calderón

TEMAS:

Clasificación de los sólidos según conductividad

Cuerpos y elementos cargados

Representación del campo electrostático

La Ley de Coulomb

INTEGRANTES:

Robinson Alquinta

Edson A. Hurtado M.

Luis Cárdenas

Humberto Serna

Buddy Arenas

27 de marzo 2013

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Contenido

INTRODUCCIÓN 3

1. CLASIFICACIÓN DE LOS SOLIDOS SEGÚN CONDUCTIVIDAD 4

1.1 Conductores 4

1.2 Aislantes 5

1.3 Semiconductores 5

2. REPRESENTACIÓN DEL CAMPO ELECTROSTÁTICO 7

3. CUERPOS Y ELEMENTOS CARGADOS 10

3.1 ¿Qué es la electricidad estática? 10

3.2 Electricidad Dinámica 10

4. LEY EXPERIMENTAL DE COULOMB 12

CONCLUSIONES 15

BIBLIOGRAFÍA 16

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INTRODUCCIÓN

El siguiente trabajo de investigación tiene como objetivo dar a conocer con un poco más detalle algunos de los temas del ramo Electricidad Aplicada I, profundizando un poco más en Ley de Coulomb, en aprender, diferenciar y comprenderLos tipos de sólidos según su conductividad,Cuerpos y elementos cargados y la Representación del campo electrostático.

El contenido de este trabajo ha sido desarrollado para el fácil entendimiento y comprensión de los temas anteriormente mencionados, al igual como una pequeña guía de estudio con los temas abordados.

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1.- CLASIFICACIÓN DE LOS SÓLIDOS SEGÚN SU CONDUCTIVIDAD

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo para conducir la corriente eléctrica. Su unidad de medida es el siemens por metro S/m

Para explicar y entender la conductividad en los sólidos tenemos que aludir la teoría electrónica de Bohr y a cuantificación de la energía.Los átomos pueden tener un máximo de 7 orbitas, y cada una de ellas acepta un numero de electrones. Tenemos entonces que la primera orbita tendrá: 2 electrones, la segunda 8electrones, la tercera 18 electrones y la cuarta 32 electrones. Así los electrones que se encuentran más cerca del núcleo son atraídos con más fuerza por los protones, que los electrones que están más lejos. Como los electrones que se encuentra en cada orbita poseen energía a estas se les llama niveles de energía, y la cantidad de energía que poseen depende de la cantidad de electrones en ellas.Desde el punto de vista de la electricidad nos interesa estudiar la última orbita de cada átomo pues los electrones que se encuentran en ella determinan las propiedades química y físicas de los elementos y son los responsables de los fenómenos eléctricos. Dichos electrones reciben el nombre de electrones de valencia y pueden ser un máximo de 8.De acuerdo a la cantidad de electrones de valencia los átomos de un elemento, estos pueden clasificarse como: Conductores, Aislantes y semiconductores1.1Conductores: a este grupo pertenecen los átomos que tienen menos de cuatro electrones de valencia. Los cuales tienden a perder dichos electrones para lograr su equilibrio. Estos materiales reciben el nombre de metales y a este grupo pertenece por ejemplo: cobre, el oro, la plata y el aluminio como lo muestran las imágenes

Cu: Cobre 29 N° atómico Au: oro 79 N° atómico

Los átomos con 1 electrón de de valencia son los mejores conductores.

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1.2 Los aislantes: son aquellos son aquellos que poseen más de 4 electrones de valencia. Son llamados metaloides porque tienden a ganar electrones necesarios para lograr su equilibrio. Ejemplo de estos son: el fosforo con 5 electrones de valencia, el azufre con 6 y el cloro con 7.

Fosforo: 15 electrones Azufre: 16 electrones

1.3 Semiconductores: Estos poseen cuatro electrones de valencia y sus propiedades se encuentran en un punto medio entre el conductor y aislante. Ejemplos de estos son el silicio y el germanio podemos verlos en la imagen 1.3

Silicio 14 electrones Germanio 32 electrones

Para concluir este tema hablaremos de los electrones libres en los metales.

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Los átomos tienen la habilidad de relacionarse entre sí por medio de enlaces, empleando para ello los electrones de valencia. Dichos enlaces pueden ser de dos tipos.Enlace covalente: se produce cuando los átomos comparten los electrones de valencia, con sus átomos Enlace iónico: Es aquel en el cual un átomo cede electrones a otro átomo vecino.Cuando un electrón de valencia se escapa de su órbita de convierte en un electrón libre. Dicho electrón puede entrar fácilmente en la última orbita de un átomo que ha perdido un electrón. Al mismo tiempo, el electrón de un segundo átomo se libera y entra en la última orbita de otro átomo y así muchos electrones libres pasan de un átomo a otro, moviéndose desordenadamente dentro de un conductor Pero no produce corriente, porque los efectos eléctricos generados durante este proceso se anulan.

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2.- REPRESENTACIÓN DEL CAMPO ELECTROESTÁTICO

La materia está compuesta por átomos, y los átomos de partículas cargadas (cargas positivas y cargas negativas), un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no tiene carga), tiene el mismo número de cargas positivas y negativas. Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros, ya que nunca pierden protones. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material se considera más negativo.

Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto, se caracteriza porque es permanente y se produce tras una transmisión de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la forma de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado, sin ponerlo en contacto con él; se trata en este caso, de una electrización a distancia por inducción o influencia. Si el cuerpo está cargado positivamente, la parte del Cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización Es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con otro cuerpo, como aprecio Tales de Milete en el siglo sexto antes de Cristo.

La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos de un paño de seda puede cargar eléctricamente una lámina de vidrio, así se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, Desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

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El campo electroestático es un campo considerado en reposo, se toma como un caso especial del campo eléctrico. Un campo electroestático no depende del tiempo, es decir es estacionario. Para este tipo de campos la Ley de Gauss todavía tiene validez debido a que esta no tiene ninguna consideración temporal, sin embargo la Ley de Faraday debe ser modificada.Las líneas de campo son líneas perpendiculares a la superficie del cuerpo, de manera que su tangente geométrica en un punto coincide con la dirección del campo en ese punto. Un campo eléctrico estático puede ser representado geométricamente con líneas tales que en cada punto el campo vectorial sea tangente a dichas líneas, a estas líneas se las conoce como "líneas de campo". Matemáticamente las líneas de campo son las curvas integrales del campo vectorial. Las líneas de campo se utilizan para crear una representación gráfica del campo, y pueden ser tantas como sea necesario visualizar.

En esta imagen se puede apreciar dos representaciones de líneas de campos eléctricos iguales y opuestos respectivamente.

Recopilación de información:Todos alguna cuando pequeño o quizás no tan pequeños, jugamos con el campo electroestático sin darnos cuenta. Tomábamos los globos, los frotábamos y jugábamos a erizarnos los bellos del cuerpo sin saber cómo o porque ocurría este fenómeno. Nunca nos imaginamos que era a causa de un campo creado por cargas eléctricas diferentes las cuales se atraen a nivel atómico y causa la atracción de materiales de carga opuestas.

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En ambas imágenes se muestra la representación del campo electroestático en la manera más básica.

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3.- CUERPOS Y ELEMENTOS CARGADOS

La carga eléctrica es una propiedad fundamental e intrínseca de la materia(al igual que la masa), que tiene las siguientes propiedades:

Presenta dos polaridades: positiva (+) y negativa (-). Cantidades iguales de ambas polaridades se anulan entre sí.

La carga total de todo el universo (suma algebraica de todas las cargas existentes) se conserva, esto es, la carga no se puede crear ni destruir. No obstante debe notarse que esto no implica que cargas postivas y negativas puedan anularse entre sí.

Además de esta propiedad de conservación global, la carga también se conserva localmente. Esto quiere decir que si cierta carga desaparece en un sitio y aparece en otro, es porque, “ha viajado” de un punto a otro.

La carga esta cuantizada: cualquier carga que existe en la naturaleza es un múltiplo entero de una carga elemental. Esta carga elemental corresponde a la carga del protón.

3.1 ¿Qué es la electricidad estática?

Recibe también el nombre de electrostática. Como su nombre lo indica, se refiere a los electrones estáticos o en reposo, es decir sin movimiento, aunque hablar de electrones en reposo no es muy común porqué estos siempre se visualizan como partículas inquietas y saltarinas se produce por la acumulación de cargas en un punto material.

Un cuerpo cargado siempre afecta a los demás cuerpos que lo rodean ya sea atrayendo o repeliendo sus electrones. Todo material cargado positivamente tiene en el escasez de electrones, mientras que todo material con carga negativa tiene exceso de electrones.

Los materiales cargados tienden a volver a su estado de equilibrio y para lograrlo necesitan descargarse. Al hacer esto, lo consiguen desprendiendo energía la cual se manifiesta generalmente por medios de acciones mecánicas o por simples chispas. El proceso por el que se adquiere carga el material contiguo se le llama inducción electrostática.

3.2 Electricidad Dinámica

Para que la electricidad sea realmente útil, ésta debe permanecer en movimiento, es decir, debe ser dinámica o activa y la fuente que la genere debe estar en

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constante renovación de sus cargas eléctricas para que no pierda su capacidad en pocos segundos de trabajo

El conde italiano Alessandro Volta (1745-1827) inventó la pila eléctrica en 1799, lo que originó una revolución científica en ese tiempo; se dio cuenta que mediante la acción química pueden restituirse constantemente las cargas eléctricas y que a medida que circula la corriente por el circuito los electrones que salen del terminal negativo de la batería sustituidos, por la misma cantidad de estos ( pertenecientes al conductor) que entran por el positivo de la misma.

Sólo después de que Volta descubrió una fuente de electricidad constante, se pudo conocer lo que es en realidad un circuito eléctrico, y por consiguiente, lo que es la electricidad dinámica.

Esto nos da una idea de la magnitud tan importante de las fuerzas eléctricas. No obstante en la naturaleza hay muchas situaciones en las que la interacción eléctrica no se manifiesta debido a la compensación tan precisa que ocurre entre cargas positivas y negativas. De hecho los agregados de materia generalmente se presentan en forma neutra, es por ello las grandes interacciones de materia (planetas, estrellas, etc.) es fundamentalmente de carácter gravitatorio. No obstante esto no implica que la interacción entre cargas eléctricas sea irrelevante, sino que por el contrario, estas interacciones están en la base de multitud de fenómenos fundamentales, por ejemplo: la formación y estabilidad de los átomos, las fuerzas moleculares, las fuerzas de rozamiento, las tensiones mecánicas, las fuerzas de contacto, etc.

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4.-LEY EXPERIMENTAL DE COULOMB

Se tiene registrado del conocimiento de la electricidad desde el año 600 A.C, cuando los griegos acuñaron el término electricidad del vocablo ílektron, ámbar. Algunos pensadores griegos pasaban horas frotando pedazos de ámbar sobre sus mantas, observaron como este podía atraer pelusa y pedacitos de paño, pero, como su interés se basaba más en la filosofía y la lógica, y no en la ciencia experimental, tuvieron que pasar muchos siglos para que este efecto de atracción se considerara “una fuerza vital”.

El Dr. Gilbert, médico real inglés, experimentó, y en el año 1600 afirmó, que el vidrio, el azufre, el ámbar y otros materiales “no sólo se atraían entre sí, pajas y hollejos, sino también casi todos los metales, madera, hojas, piedra, tierra, y aun el agua y el aceite.

Poco después, un coronel, perteneciente al Cuerpo de Ingeniería del Ejército Francés, el coronel Charles Coulomb, efectuó una serie de experimentos, por medio de una delicada balanza de torsión inventada por el mismo, para determinar cuantitativamente la fuerza que ejercía la balanza entre dos objetos que tenían una carga estática de electricidad. Esta tiene mucha similitud con la ley gravitacional de Newton, Coulomb afirma que la fuerza entre dos objetos muy pequeños se parados en el vacío o en el espacio libre por una distancia comparativamente grande en relación con el tamaño de los objetos, es proporcional a la carga en cada uno e inversamente proporcional el cuadrado de la distancia que los separa o sea.

Donde Q1 y Q2 son las cantidades de carga positiva o negativa, R es la separación y k es una constante de proporcionalidad. Si se utilizan en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Q se mide en colombios (C), R en metros (m) y la fuerza en Newton (N). Esto se cumple si la constante k se escribe como

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El factor 4π aparecerá en el denominador de la ley de Coulomb, pero no en las ecuaciones más útiles (incluyendo las ecuaciones de Maxwell) que posteriormente se obtendrán con ayuda de la ley de Coulomb. La nueva constante ∈se denomina “permitividad del espacio libre” y tiene una magnitud de medida en faradios por metro (F/m).

∈=8.854×10−12= 10−936π1 F/m

La cantidad ∈ no es adimensional, ya que la ley de Coulomb demuestra que sus unidades son C2/N.m2. El faradio será definido más adelante y se mostrará que sus

dimensiones son C2/N.m. Se han anticipado esta definición al utilizar antes la unidad F/m en la fórmula anterior.

La ley de Coulomb resulta ahora.

F=Q1Q 2

4 πϵ ∙ R2

El Newton es una unidad de fuerza igual a 0.2248 lb f y es la fuerza requerida para dar a 1 kilogramo (kg) una masa de aceleración de 1 metro por segundo (m/

s2). El Coulomb es una unidad de carga extremadamente grande, pues la cantidad

más pequeña de carga conocida del electrón o la del protón, que en unidades mks tiene un valor de 1.602 x 10−19 C y de aquí que una carga negativa de un coulomb

representa alrededor de 6 x 1018 e2. La ley de Coulomb muestra que la fuerza entre

dos cargas de un coulomb cada una separadas a un metro, es de 9.109 x 10−31Kg

y un radio de un orden de magnitud de 3.8 x 10−15 m. Esto no significa que el electrón sea esférico, tan sólo sirve para describir el tamaño de la región en la cual puede encontrarse un electrón en movimiento lento. Todas las otras partículas cargadas conocidas, incluyendo el protón, tienen masas y radios mayores y un ocupan un volumen probabilístico mayor que el del electrón. Escribir la forma vectorial del cuadro anterior (fórmula) requiere el hecho adicional(también proporcionado por Coulomb) de que la fuerza actúa a lo largo de la línea que une

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a las dos cargas y es repulsiva si las cargas son similares en signo, y atractiva si son de signos opuestos.

“La fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos cargados eléctricamente, es directamente proporcional al producto de sus masas eléctricas o cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Tal fuerza se aplica en los respectivos centros de la cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une”

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CONCLUSIONES

En los temas investigados se llegó a la conclusión que el hombre siempre ha sentido fascinación por los fenómenos que lo rodean, los cuales han generado curiosidad y estudio a lo largo de su historia, desde los antiguos griegos hasta nuestra era, aún quedan cosas por estudiar y que no se tiene una verdad absoluta acerca del comportamiento del fenómeno llamado electricidad, lo que sabemos hasta ahora gracias a los hombres de ciencia como Coulomb, Bohr, Volta, Tesla, han sido la base de teorías y notaciones científicas que nos han llevado a tratar de explicar y comprender lo que nos rodea.

Las investigaciones han llevado al hombre a hacer más fácil sus tareas, desde el momento que aprendió a utilizar adecuadamente la electricidad y lo mucho que le queda por aprender de esta.

Podemos concluir de este trabajo y su contenido: La conductividad en los Sólidos, La electroestática, los Cuerpos Cargados y la Ley de Coulomb. Son el principio de todo estudio eléctrico y electrónico. Cabe destacar que se cita a Gilbert, Bohr, Volt, Coulomb, y la verdad sin ellos no podríamos explicar los fenómenos eléctricos y químicos de los elementos, a través de los átomos

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BIBLIOGRAFÍA

- H. Hayt, Jr., Buck John A. (2006©) Teoría Electromagnética (7ma Edición). México D.F. MC GRAW-HILL// INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE .C.V

- Revista CEKIT. S.A (2001) Electrónica Básica (1era Edición).Pereira Colombia. EDITORIAL CONOSUR S.A BUENOS AIRES ARGENTINA

- http://www.etitudela.com/

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