TEMAS SELECTOS DE FÍSICA

LA ELECTRICIDAD

La palabra electricidad proviene del vocablo griego elektron, que significa ámbar. El ámbar es una resina fósil transparente de color amarillo, producido en tiempos muy remotos por árboles que actualmente son carbón fósil.

              Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales de Mileto, quien vivió aproximadamente en el año 600 a.C El señalaba que al frotar el ámbar con una piel de gato, podía atraer algunos cuerpos ligeros como polvo, cabellos o paja.

La electricidad es una manifestación de la energía, y para su estudio se ha dividido en:

a)    Electroestática, estudia las cargas eléctricas en reposo

b)      Electrodinámica, estudia las cargas eléctricas en movimiento

c)       Electromagnetismo, estudia la relación entre las corrientes eléctricas y el campo magnético

En los últimos setenta años el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamente porque se han comprobado sus ventajas sobre otras clases de energía; por ejemplo: puede transformarse con facilidad, se transporta de manera sencilla y a grandes distancias a través de líneas aéreas no contaminantes. También puede utilizarse en forma de corrientes muy potentes para alimentar enormes motores eléctricos, o bien, en pequeñas corrientes a fin de hacer funcionar dispositivos electrónicos.

TIPOS DE ENERGIA

MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES

Los materiales conductores de electricidad  son aquellos que se electrizan en toda su superficie, aunque solo se frote un poco de la misma. En cambio, los materiales aislantes o malos conductores de electricidad, también llamados dieléctricos, solo se electrizan en los puntos donde hacen contacto con un cuerpo cargado, o bien, en la parte frotada.

En general, los materiales son aislantes si al electrizarlos por frotamiento y sujetarlos con la mano, conservan su carga aun estando conectados con el suelo por medio de algún cuerpo. Los materiales son conductores si se electrizan por frotamiento solo cuando no están sujetos por la mano y se mantienen apartados del suelo por medio de un cuerpo aislante.

Algunos ejemplos de materiales aislantes son: la madera, el vidrio, el caucho, las resinas y los plásticos, la porcelana, la ceda, la mica y el papel. Como conductores tenemos a todos los metales, soluciones de ácidos, bases y sales disueltas en agua, así como el cuerpo humano. Cabe mencionar que no hay un material cien por ciento conductor, ni un material cien por ciento aislante; En realidad, todos los cuerpo son conductores eléctricos, pero unos los son más que otros; Por eso es posible hacer, en términos prácticos una clasificación como la anterior. Aun mas entre conductores y aislantes existen otros materiales intermedios llamados semiconductores, como el carbón, germanio y silicio contaminados con otros elementos, y los gases húmedos.

UNIDADES DE CARGA ELÉCTRICA.

Un cuerpo tiene carga negativa s posee exceso de electrones y carga positiva si tiene carencia o déficit de ellos. Por tal motivo la unidad elemental para medir carga eléctrica es el electrón, pero como es una unidad muy pequeña se utilizan unidades practican de acuerdo con el sistema de unidades empleados.

En el sistema internacional (SI) se utilizan el coulomb (C) y en el sistema SGS, la unidad electrostática de carga (ues) o estatcoulomb.  La equivalencia entre estas unidades es la siguiente:

1 coulomb= 1C = 6.24x10¹⁸  electrones

1 estatcoulomb  =  1ues = 2.08x10⁹ electrones

1 C = 3X10⁹ ues

1 electron = -1.6x10^-19 C

1 proton = 1.6x10^-19 C

Microcoulomb= µC = 1x10^-6 C

Nanocoulomb= nc = 1x10^-9 C

CAMPO ELÉTRICO

Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferentes signos se atraen y las de igual signo se rechazan, aun cuando se encuentran separadas. Esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor; la región de influencia recibe el nombre de campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ellos es fácil detectar su presencia, así como medir su intensidad.

El electrón y todos los cuerpos electrizados tienen a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influencia. El campo eléctrico es inherente a la naturaleza del electrón e independientemente de sus movimientos. No así el campo magnético que aparece solo cuando el electrón está en movimiento.

Como el campo eléctrico no se puede ver el inglés Michael Faraday introdujo, el 1823, el concepto de líneas de fuerza para poder representarlo gráficamente.

INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO

Para poder interpretar esto, se emplea una carga positiva (por convención) de valor muy pequeño llamada carga de prueba, de esta manera sus efectos, divido el campo eléctrico, se pueden despreciar. Esa pequeña carga de prueba q se coloca en el punto de espacio a investigar. Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que en ese punto del espacio existe un campo eléctrico cuya intensidad E es igual a la relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha carga de q. 

Por tanto: E= F/q  donde E es igual a la intensidad de campo eléctrico en N/C o dina entre ues.

F=fuerza que recibe la carga de prueba en Newtons (N) o dinas

q=al valor de carga de prueba en Coulomb (C) o ues

La intensidad del campo eléctrico E es una magnitud vectorial toda vez que la fuerza F también lo es por ello, los campos eléctricos se suman vectorialmente. Así pues, la dirección y sentido del vector representativo de la intensidad del campo eléctrico en un punto será igual a la de la fuerza que actúa en un punto sobre la carga de prueba, la cual como señalábamos es positiva por convención.

El valor de la intensidad del campo eléctrico E no es constante, sino que disminuye a medida que aumenta la distancia. Sin embargo, el valor de E será el mismo para todos los puntos con igual distancia del centro de una carga.

LEY DE GAUSS 

La ley de Gauss es una de las ecuaciones de Maxwell, las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. Para cargas estáticas la ley de Gauss y la ley de Coulomb son equivalentes. Esta ley permite calcular fácilmente los campos eléctricos que resultan en distribuciones simétricas de carga, tales como una corteza esférica o una línea infinita.

El planteamiento más general de este resultado se conoce como ley de Gauss:

El número total de líneas de fuerza eléctricas que cruzan cualquier superficie cerrada de una dirección hacia afuera es numéricamente igual a la carga total neta contenida dentro de esa superficie.

N=∑ԑ₀E_nA=∑q

La ley de Gauss se utiliza para calcular la intensidad de campo cerca de la superficie de carga.

APLICACIONES DE LA LEY DE GAUSS

Puesto que la mayoría de los conductores cargados tienen grandes cantidades de cargas sobre ellos, no resulta práctico considerar las prácticas en forma individual. Generalmente se habla de la densidad de carga σ, definida como la carga por unidad de área de la superficie.

σ=q/A                  q= σA

LEY DE OHM; RESISTENCIA

La resistencia  se define como la oposición a que fluya la carga eléctrica. Aunque la mayoría de los metales son buenos conductores, de la electricidad, todos ofrecen cierta oposición a la que el flujo de la carga eléctrica pase a través de ellos. Esta resistencia es fija para gran número de materiales específicicos, de tamaño, de forma y temperatura conocidas. Es independientemente de la FEM  aplicada de la corriente que pase a través de ellos.

El primero en estudiar cuantitativamente los efectos de la resistencia para limitar el flujo de carga, fue Georg  Simon Ohm, en  1829. El descubrió que, para un resistol dado, a una temperatura particular, la corriente es directamente proporcional al voltaje aplicado. Así como la rapidez de flujo de agua entre dos puntos depende de la diferencia de altura que hay entre ambos, la rapidez  de flujo de carga eléctrica entre dos puntos depende de la diferencia de potencial que existe entre ellos. A esta proporcionalidad se le conoce como la ley de Ohm;

La ley que circula por un conductor dado es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus puntos externos.

Por lo tanto, la corriente  I que se observa con un voltaje V es un indicio de la resistencia. Matemáticamente, la resistencia R de un conductor dado puede ser calcular a partir de:

R=V/I                                          V=IR

Cuando mayor sea la resistencia R, tanto menor será la corriente I para un voltaje dado V. La unidad de medición de la resistencia, es el Ohm, cuyo símbolo de letra griega mayúscula omega Ω.

1 Ω= 1V/1ª

Una resistencia de Ohm permitirá una corriente de un Ampere A, cuando se aplica a sus terminales una diferencia de un volt.

FUERZA ELECTROMOTRIZ

Una vez que un capacitor se descarga completamente, ya no habrá una diferencia de potencial que promueva el flujo de carga adicional. Si existiera algún medio para mantener el capacitor continuamente cargado, se lograra mantener una corriente continua. Esto requiere que los electrones se suministraran en forma continua a la placa negativa para reemplazar a los que han salido; es decir, debe suministrarse energía para reemplazar la energía perdida por la carga en el circuito eléctrico externo. De este modo, se podrá mantener la diferencia de potencial entre las placas, permitiendo el flujo de carga continua. Un dispositivo que tiene la capacidad de mantener la diferencia de potencial entre dos puntos se le llama fuente de fuerza electromotriz (fem).

Las fuerzas de fem mas conocidas, son la batería y el generador. La batería convierte la energía química en energía eléctrica, y el generador transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

Una fuente de fuerza electromotriz (fem) es un dispositivo que contiene la energía química, mecánica u otras formas de ella en la energía eléctrica necesaria para mantener un flujo continuo de carga eléctrica.

En un circuito eléctrico la fuente de fem, se representa casi siempre por medio del símbolo E.

LEYES DE KIRCHHOFF

Una red eléctrica, es un circuito complejo que consiste en trayectorias cerradas o mayas por donde circula la corriente. Es complicado aplicar la ley de ohm cuando se trata de redes complejas, que incluyen varias mayas y varias fem , el científico alemán Gustav Kirchhoff desarrollo un procedimiento mas directo para realizar circuitos de este tipo en el siglo XIX. Su método se apoya en dos leyes.

       PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF:

La suma de las corrientes  que llegan a una unión igual a la suma de las corrientes que salen de esa unión.

∑ Ientrada  = ∑ Isalida

       SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF:

La suma de las fem alrededor de cualquier malla cerrada de corriente es igual a la suma de todas las caídas IR alrededor de dicha malla.

∑ E  =  ∑ IR

Un nodo en cualquier punto de un circuito, donde fluyen 3 o más cables. La primera ley simplemente  establece que la carga debe fluir en forma continua; no se puede acumular en un  nodo. La corriente suministrada a cada carga es inversamente proporcional  a la resistencia de esa rama.

La suma  de las corrientes que entran al nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de él.

La segunda ley es un postulado de la conservación de la energía. Si se parte de cualquier punto del circuito y se sigue por cualquier trayectoria o malla cerrada, la energía que se gana por unidad de carga debe ser igual a la energía que se pierde por unidad de carga.

La energía se gana gracias a la conversión de energía química, o energía mecánica en energía eléctrica mediante una fuente de fem. La energía se puede perder, ya sea en forma de caídas de potencial en IR o en el proceso de invertir la corriente  a través de una fuente de fem. En el último caso, la energía eléctrica se convierte en energía química necesaria para cargar una batería o energía eléctrica que se convierte en energía mecánica para el funcionamiento de un motor.

HIPERVINCULO: 

http://books.google.com.mx/booksid=SghjkM6MwygC&pg=PA643&dq=ley+gauss&hl=es&sa=X&ei=KEz1Uv-zNpTlygGJnYGwBQ&ved=0CCoQ6AEwAA#v=onepage&q&f=false

BIBLIOGRÁFICA:

TIPPENS, Paul E. Física conceptos y aplicaciones. Mc Graw Hill; México D.F, Enero del 2005, Sexta    edición. pp: 521-529, 539,621.

PÉREZ, Montiel Héctor. Fisica general.Publicaciones cultural; México D.F, Año 2000, Segunda edición. pp: 373-397, 435-438, 456.

INTEGRANTES:

Irasema Janet Caballero Ramirez

Fátima Cruz López

Xóchitl Livier Santiago López

Ayrlin Obelia Santiago Pacheco

Jessica Araceli Santos Carreño