RESUMEN DE LO MAS IMPORTANTE DEL BLOQUE 3&4 IV ''F''

COMPRENDES LAS LEYES DE LA ELECTRICIDAD

ELECTRICIDAD: La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.^1 2 3 4 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.⁵ 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

CARGA ELECTRICA

La carga eléctrica al igual que la masa constituye una propiedad fundamental de la materia. Se manifiesta a través de fuerzas denominadas electrostáticas que son las responsables de los fenómenos eléctricos, existen dos tipos de carga eléctrica la positiva & negativa. Su unidad de medida  en el sistema internacional es el Coulomb (C) el cual se abordara a detalle con posterioridad. 

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. Estas cargas positivas & negativas interactúan entre si , dos electrones se rechazan entre si & dos protones se rechazan entre si. En este sentido podemos mencionar que las cargas del mismo signo eléctrico se repelen & las del mismo signo eléctrico se atraen. 

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, 

constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.

Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, 

pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.

Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. 

Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, 

pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre

cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la 

distancia que existen entre ellos.

La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las 

cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, 

y tiene la dirección de la línea que las une.

 La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario".

Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:

a) cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que 

éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática);

Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección  y sentido.

b) las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción); 

es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, 

pero de sentido contrario:

Fq₁ → q₂ = −Fq₂ → q₁ ;

Campo eléctrico

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante 

unmodelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.¹

 Matemáticamente se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor  

sufre los efectos de una fuerza eléctrica  

dada por la siguiente ecuación:

(1)

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, 

en campo tensorial cuadridimensional, denominadocampo electromagnético F^μν.²

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricascomo 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.

CALCULO DEL CAMPO ELÉCTRICO

1.Campo de una carga puntual.

En las figuras 8.a y 8.b, se ilustran la magnitud y el sentido del campo eléctrico de  una carga puntual positiva o negativa, en el punto donde se encuentra la carga de prueba  +q0. El sentido y dirección del campo quedan bien definidos por el vector unitario

La fuerza ejercida sobre  la  carga de prueba   + qo por una   carga   q  es,

y como el campo eléctrico en la posición de la carga de prueba es,

el campo debido a la carga  q en el punto r es

El sentido del campo es  radial hacia fuera (si q es +)o hacia adentro (si q es -). 

Campo debido a un grupo de cargas puntuales.

En este caso el campo eléctrico en el punto P (Fig. 9) es la suma vectorial de los campos debido a cada una de las cargas, es decir,

Campo debido a una distribución continua de carga.

En este caso ( fig. 10), el campo debido a un elemento diferencial de carga dq es:     
                  
de modo que el campo total se obtiene por integración en dq:

donde dq esta dado por,                   

ρ=densidad de volumen,      

dV= elemento diferencial de volumen,              

σ=densidad de superficie,

ds=elemento diferencial de superficie,                

λ= densidad de longitud, y,

dl=elemento diferencial de longitud.

Figura 10

A CORRIENTE ELÉCTRICA

Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).

Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM. Ese planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas.

Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan". Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere

LEY DE OHM'

La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son: 1.     Tensión o voltaje "E", en volt (V). 2.     Intensidad de la corriente "  I ", en ampere (A). 3.     Resistencia "R" en ohm ( ) de la carga o consumidor conectado al circuito. Circuito eléctrico cerrado compuesto por una pila de 1,5 volt, una resistencia o carga eléctrica "R" y la.circulación de una intensidad  o flujo de corriente eléctrica " I " suministrado por la propia pila.

Debido a la existencia de materiales que dificultan más que otros el paso de la corriente eléctrica a través de los mismos, cuando el valor de su resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, a medida que la resistencia aumenta la corriente disminuye y, viceversa, cuando la resistencia al paso de la corriente disminuye la corriente aumenta, siempre que para ambos casos el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante. Por otro lado y de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión o voltaje es directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje aumenta o disminuye, el amperaje de la corriente que circula por el circuito aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia conectada al circuito se mantenga constante.

Efecto Joule

Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de loselectrones 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.

Causas del fenómeno

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

Ley de Joule

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico   por la densidad de corriente  :

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule, del valor de la resistencia eléctrica y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente y directamente proporcional al valor la resistencia y al tiempo. Pero el calor no es el único efecto de la corriente eléctrica, también lo es la luz (lámpara incandescente).El paso de la corriente eléctrica por conductores producen en ellos una elevación de temperaturas: este fenómeno se denomina efecto joule.

INSTRUMENTOS ELECTRICOS DE MEDICION

La importancia de los instrumentos eléctricos de medición es incalculable, ya que mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia. Además que permiten localizar las causas de una operación defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales, como es bien sabido, no es posible apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato mecánico.

La información que suministran los instrumentos de medición eléctrica se da normalmente en una unidad eléctrica estándar: ohmios, voltios, amperios, culombios, henrios, faradios, vatios o julios.

Unidades eléctricas, unidades empleadas para medir cuantitativamente toda clase de fenómenos electrostáticos y electromagnéticos, así como las características electromagnéticas de los componentes de un circuito eléctrico. Las unidades eléctricas empleadas en técnica y ciencia se definen en elSistema Internacional de unidades. Sin embargo, se siguen utilizando algunas unidades más antiguas.

MAGNETISMO

El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que enlaza ambas fuerzas, es el tema de este curso, se denomina teoría electromagnétic. La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructuraatómica de la materia.

2. Teoría Electromagnética

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo.. En 1831, despúes de que Hans Oersted comenzará a describir una relación entre la electricidad y el magnetismo, y el francés André Marie Ampére seguido por el físico francés Dominique François profundizarán en dicho campo, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luzcomo un fenómeno electromagnético.
Después de que el físico francés Pierre Ernst Weiss postulará la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada, lo que permitió que más tarde otros científicos predijeran muchasestructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas

3. El campo magnético

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas.

En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza.
La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando unabrújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza.
Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafosde masas.

4. Fuerzas Magnéticas entre distribuciones de corriente

Se aplica la expresión al cálculo de la fuerza que ejerce una distribución sobre sí misma se obtiene un valor nulo. Esto no quiere decir que una distribución no ejerza fuerza sobre sus elementos de corriente, sino que la fuerza total sobre el conjunto de sus elementos de corriente es nula.

La fuerza total sobre un elemento de corriente debe ser ortogonal al mismo
La fuerza entre dos elementos de corriente, en principio, no es necesariamente radial, pero como las distribuciones tienen divergencia nula, sólo contribuye la componente radial. Así que la suma de las fuerzas que dos elementos de corriente ejercen el uno sobre el otro es nula. Dos elementos de corriente paralelos se atraen sis sus corrientes llevan el mismo sentido y se repelen si llevan sentidos contrarios.

La intensidad de la corriente eléctrica es la carga que atraviesa la sección normal S del conductor en la unidad de tiempo.
Sea n el número de partículas por unidad de volumen, v la velocidad media de dichas partículas, S la sección del haz y q la carga de cada partícula.
La carga Q que atraviesa la sección normal S en el tiempo t, es la contenida en un cilindro de sección S y longitud v·t.
Carga Q= (número de partículas por unidad de volumen n)·(carga de cada partícula q)· (volumen del cilindro Svt)
Q=n·qS·v·t
Dividiendo Q entre el tiempo t obtenemos la intensidad de la corriente eléctrica.
i=nqvS
La intensidad es el flujo de carga o la carga que atraviesa la sección normal S en la unidad de tiempo, que será el producto de los siguientes términos:

·         Número de partículas por unidad de volumen, n

·         La carga de cada partícula, q.

·         El área de la sección normal, S

·         La velocidad media de las partículas, v.

Fuerza sobre una porción de conductor rectilíneo.
En el espectrómetro de masas o en el ciclotrón, ya hemos estudiado la fuerza que ejerce un campo magnético sobre un portador de carga, y el movimiento que produce.

LEY DE FARADAY 

La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa

La inducción electromagnética fue descubierta casi simultáneamente y de forma independiente por Michael Faraday y Joseph Henry en 1830. La inducción electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.

Supongamos que se coloca un conductor eléctrico en forma de circuito en una región en la que hay un campo magnético. Si el flujo F a través del circuito varía con el tiempo, se puede observar una corriente en el circuito (mientras el flujo está variando). Midiendo la fem inducida se encuentra que depende de la rapidez de variación del flujo del campo magnético con el tiempo.

LEY DE LENZ

Ley: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce".

La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.

El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

donde:

§   = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).

§   = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).

§   = Superficie del conductor.

§   = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:

En este caso la Ley de Faraday afirma que la V_ε inducido en cada instante tiene por valor:

§  V_ε 

Donde V_ε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.

Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la formuló en el año 1834.

GENERADOR & MOTOR ELECTRICO    

Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.

Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor.

La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por la reacción magnética.

El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores.

INTRODUCCION MUTUA & AUTOINDUCCION

La introducción mutua es el fenómeno por el cual una corriente variable en un circuito induce una fem en otro. La variación de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnético variable, el cual origina un flujo magnético también variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella , de acuerdo con la ley de Faraday.

La autoinducción consiste en una inducción de la propia corriente sobre si misma. Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo también variable debido a su propio campo magnético, lo que dará lugar a una fem autoinducida.

La autoinducción consiste en una inducción de la propia corriente sobre si misma. Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo también variable debido a su propio campo magnético, lo que dará lugar a una fem autoinducida.