Naturaleza de la electricidad

NATURALEZA DE LA
ELECTRICIDAD
Jorge Luis Jaramillo
Fundamentos de la Electricidad
PIET EET UTPL marzo 2014

Créditos
Esta presentación fue preparada estrictamente como material de apoyo a la jornada presencial
del curso de Fundamentos de la Electricidad, del programa de Ingeniería en Electrónica y
Telecomunicaciones que se imparte en el Universidad Técnica Particular de Loja.
La secuencia de contenidos corresponde al plan docente de la asignatura, y, para la elaboración
se han utilizado aportes propios del docente, y, una serie de materiales y recursos disponibles
gratuitamente en la web.

Contenido
•Electricidad
•Historia de la electricidad
•Nociones de electrotecnia
•A manera de resumen: magnitudes fundamentales
•Discusión y análisis

Electricidad
La electricidad (del griego elektron o ámbar) es un fenómeno físico cuyo
origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos
mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, etc.
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.

Electricidad
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 electroestáticas. 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 radioactivas.

Electricidad
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de un
mismo fenómeno físico, denominado electromagnetismo, descrito
matemáticamente por las ecuaciones de Maxwell.
El movimiento de una carga eléctrica produce un campo magnético, la
variación de un campo magnético produce un campo eléctrico y el
movimiento acelerado de cargas eléctricas genera ondas
electromagnéticas.

Contenido
•Historia de la electricidad

Historia de la electricidad
Tales de Mileto
639 – 547 aC
Batería de
Bagdad
226 dC
William Gilbert
1544 - 1603
Charles Francois
du Fay
1698 – 1739
Pieter van
Musschenbroek
1692 – 1761
Alessandro
Volta
1745 - 1827
Electricidad
estática
¿Baterías?
Conductores
y
dieléctricos
Cargas
positivas y
negativas
Capacitores Pila eléctrica

Charles de Coulomb
1736 - 1806
Benjamin Franklin
1706 - 1790
André-Marie
Ampère
1775 - 1836
Michael Faraday
1791 - 1867
Georg Simon Ohm
1789 - 1854
Ley de atracción de cargas Pararrayos
Corriente
eléctrica
Inducción
electromagnética
Ley de Ohm

Samuel Morse
1791 - 1872
William
Thomson
1824 -
Zénobe
Gramme
1826 - 1901
Alexander
Graham Bell
1847 - 1922
James Clerk
Maxwell
1831 - 1879
Telégrafo
Primer cable
trasatlántico
Dínamo de
Gramme
Teléfono
Teoría del campo
electromagnético

Nikola Tesla
1856 - 1943
Joseph John
Thomson
1856 - 1940
Robert Andrews
Millikan
1868 - 1953
Thomas Alva
Edison
1847 - 1931
George
Westinghouse
1846 - 1914
Máquinas de CA
El
descubrimiento
del electrón
Determinación
de la carga del
electrón
La industria de
la generación de
ee

Contenidos
•Nociones de electrotecnia

Nociones de electrotecnia
Estructura del átomo

La fuerza de atracción entre el núcleo del átomo y los
electrones, decrece a medida de que aumenta la
distancia desde el núcleo.
Los electrones de las últimas capas se pueden perder
fácilmente, con lo que el átomo se transforma en un
ión positivo o cation.
También puede ocurrir que las últimas capas de un
átomo adquieran un mayor número de electrones, con
lo que el átomo se transforma en un ión negativo o
anion.
Los electrones de la orbita más externa se denominan
electrones de valencia. A ellos se debe la capacidad del
átomo de recombinarse y formar moléculas. En estas
moléculas se comparten uno o mas electrones de la
ultima capa de cada átomo. Los electrones
compartidos constituyen el enlace covalente.
Comportamiento de los electrones externos del átomo

Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo, mayor
es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado a su
átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón
en la estructura atómica.
Niveles energéticos del átomo
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Eg > 5 eV
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Eg
Banda de valencia
Energía
Electrones
de valencia
unidos a la
estructura
atómica
Electrones
libres para
establecer la
conducción
Las bandas
se traslapan
1 eV = 1,6 x 10-19 J
Eg = 1,1 eV (Si)
Eg = 0,67 eV (Ge)
Eg = 1,41 eV (GaAs)
Dieléctrico
Conductor

La conducción de la electricidad depende del número
de electrones libres por unidad de volumen en cada
cuerpo
En los átomos de los conductores no todos los
electrones forman parte del enlace. Algunos
electrones están débilmente ligados al átomo por lo
que pueden pasar fácilmente de un átomo a otro, a
través de los espacios libres de la red. A estos
electrones se les da el nombre de electrones libres, y,
son la causa de que los metales sean buenos
conductores de calor y de electricidad.
Los dieléctricos, al contrario que los conductores, no
disponen de electrones libres, debido a que necesitan
de todos los electrones de valencia.
Los semiconductores se convierten, en determinadas
condiciones, en conductores.
Electrones libres y conductividad
+ + + +
+ + + +
+ + + +

Se denomina corriente eléctrica al movimiento
dirigido de electrones libres a través del circuito
cerrado de un conductor, alimentado por una fuente
de fem.
La intensidad de la corriente eléctrica, por su parte,
depende del número de electrones que atraviesa la
sección transversal del conductor, en un tiempo
determinado.
Ya que todos los electrones tienen la misma carga, la
fuerza de repulsión entre ellos es igual. Por lo tanto,
existe la misma separación entre ellos durante su
movimiento.
Corriente eléctrica
Átomos
Electrones
Corriente eléctrica

Sin conocer que la causa de la corriente eléctrica eran los electrones libres, Faraday eligió como sentido de
la corriente, el que va desde la polaridad positiva (más) hacia la polaridad negativa (menos) del
generador. Esta dirección se conoce como dirección técnica de la corriente eléctrica y es contraria a la
dirección natural de la corriente eléctrica.
Dirección técnica de la corriente eléctrica
G cargaFuente de
alimentación
+
-
Movimiento de los electrones
Sentido de la corriente

Alrededor de una carga, ubicada en una región del
espacio, se crea una zona de influencia llamada
campo eléctrico.
El campo eléctrico se pone de manifiesto con la
presencia de una segunda carga, al aparecer fuerzas
de atracción o repulsión entre las cargas.
La presencia de las dos cargas afecta la región del
espacio. Para describir el campo eléctrico existente se
calcula la energía potencial de cada carga, con
respecto a la carga de unidad positiva. Este concepto
se conoce como potencial eléctrico, y, se simboliza
por la letra V.
Potencial eléctrico y diferencia de potencial

Sea el campo eléctrico de la carga +q, situada en el
punto 0 en la figura mostrada. Para calcular la
diferencia de potencial eléctrico (o tensión) entre los
puntos A y B, se sitúa una carga de prueba +q0 (+q0 <
+q ) en A, y, la movemos uniformemente hasta B,
midiendo el trabajo realizado (TAB). Entonces, la
diferencia de potencial eléctrico se define como:
El trabajo TAB puede ser positivo, negativo, o, nulo. En
cada caso, el potencial eléctrico de B es mayor, menor,
o, igual que el potencial de A.
V
VA
VB
+q +q0 r
A B
0

Si el punto A es un punto alejado (situado en el infinito), entonces el potencial de A tiende a
cero, lo que permite definir el potencial en un punto como:
O, lo que es lo mismo:
La unidad del potencial eléctrico es el voltio, V, en honor de Volta, y, se expresa como
Joule/Coulomb.

Si la tensión (voltaje) a la salida del generador es o no constante,
tanto en valor como en sentido, en un circuito cerrado podrá
aparecer una de tres tipos de corriente:
• Continua
• Alterna
• Mixta
La corriente continua, es una corriente eléctrica que circula siempre
en el mismo sentido y con la misma intensidad.
La corriente alterna, es aquella que cambia periódicamente de
sentido e intensidad.
La corriente mixta es el resultado de la superposición de corriente
continua y corriente alterna.
.
Clases de corriente eléctrica
I
I
tI
t
T
f
1
Im
áx
-
Imáx
I
t

Los elementos pasivos de un circuito (resistencias, inductancias y capacitancias), absorben o almacenan la
energía procedente de la fuente, y, están definidos por la forma en que el voltaje y la corriente se
relacionan con el elemento.
.
Elementos pasivos de un circuito

Se conoce como resistencia eléctrica R, a la dificultad que presentan los distintos
materiales, al paso de la corriente eléctrica, en función de su estructura y de su
constitución. En el SI, la unidad para la resistencia es el ohmio ( ).
La resistencia eléctrica también se presenta como la magnitud inversa a la
conductancia:
Se conoce como resistividad ρ, al factor que hace que cada material presente una
resistencia distinta, para iguales dimensiones físicas (longitud y sección). La
resistividad es constante para cada material.
Resistencia eléctrica

La resistencia y la resistividad están
ligadas por la expresión:
Se conoce como conductividad σ , al
factor relacionado con la facilidad con la
que los electrones libres se mueven a
través del material.
La resistencia y la conductividad, están
ligadas por la expresión:

La resistencia eléctrica “reside” en el resistor.
Los resistores se unen en los circuitos en dos
configuraciones: en serie, y, en paralelo.
En una configuración en serie, los resistores
pueden ser “reemplazados” por un único
equivalente, cuya resistencia equivale a la
suma de la resistencia de cada uno de los
resistores.
En una configuración en paralelo, los
resistores pueden ser “reemplazados” por un
único equivalente, cuya conductancia
equivale a la suma de la conductancia de
cada uno de los resistores.
BA
R3R2R1
B
Req
A
R3R2R1Req
BA
R3
R2
R1
R3
1
R2
1
R1
1
Req
1

Se conoce como condensador a un componente
diseñado para almacenar electricidad sobre una
superficie pequeña.
Se define como capacidad eléctrica de un
condensador al cociente entre la carga de una de
las armaduras y la tensión o diferencia de
potencial que existe entre las mismas. En el SI, la
capacidad eléctrica se mide en faradios (F).
Para el caso de un condensador plano, se
cumple que:
En dónde,
C, es la capacidad, F
ε, es la permitividad del dieléctrico
A, es la superficie enfrentada de las armaduras,
m2
d, es el espesor del dieléctrico, m
Capacidad eléctrica
armaduras
dieléctrico
V
Q
C
d
A
C ε
Unidades:
1 [ F] (microfaradio)= 10-6 F
1 [nF] (nanofaradio) = 10-9 F
1 [pF] (picofaradio) = 10-12 F

Los condensadores se unen en los circuitos
en dos configuraciones: en serie, y, en
paralelo.
En una configuración en serie, los
condensadores pueden ser “reemplazados”
por un único equivalente. La inversa a la
capacidad de este condensador equivale a la
suma de las inversas de las capacidades de
cada uno de los condensadores.
En una configuración en paralelo, los
condensadores pueden ser “reemplazados”
por un único equivalente, cuya capacidad
equivale a la suma de la capacidad de cada
uno de los condensadores.
Capacidad eléctrica
BA
C3C2C1
B
Ceq
A
C3
1
C2
1
C1
1
Ceq
1
BA
C3
C2
C1
C3C2C1Ceq

Un inductor o bobina es un componente pasivo
de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno
de la autoinducción, almacena energía en forma
de campo magnético.
En una bobina, se define como inductancia L, a
la relación entre el flujo magnético Ф y la
intensidad de corriente eléctrica I. En el SI, la
inductancia se mide en henrios (H):
1 H = 1[Wb/A]
Inductancia

Las bobinas se unen en los circuitos en dos
configuraciones: en serie, y, en paralelo.
En una configuración en serie, las bobinas
pueden ser “reemplazadas” por una única
equivalente, cuya inductancia equivale a la
suma de las inductancias de cada una de las
bobinas.
En una configuración en paralelo, las bobinas
pueden ser “reemplazadas” por una única
equivalente. La inversa de la inductancia de
esta bobina equivale a la suma de las inversas
de las inductancias de cada una de las
bobinas.
Inductancia
BA L3L2L1
BLeqA
L3L2L1Leq
BA
L3
L2
L1
L3
1
L2
1
L1
1
Leq
1

Los elementos activos de los circuitos, son fuentes
de voltaje o corriente, capaces de suministrar
energía a la red eléctrica.
Las fuentes de tensión ideales, son aquellas que
proporcionan entre sus terminales una tensión
definida por una determinada ley,
independientemente del circuito al que están
conectadas.
Las fuentes de corriente ideales, son aquellas que
proporcionan entre sus terminales una corriente
definida por una determinada ley,
independientemente del circuito al que están
conectadas.
Elementos activos de los circuitos
+
V
+
-
V
I

Las fuentes de tensión se configuran en serie, caso en el cual
son “reemplazadas” por una fuente equivalente cuya
tensión es igual a la suma de las tensiones de cada una de las
fuentes.
Las fuentes de corriente se configuran en paralelo, caso en el
cual son “reemplazadas” por una fuente equivalente cuya
corriente es igual a la suma de las corrientes de cada una de
las fuentes.
Si una fuente de tensión y una de corriente, se configuran en
paralelo, pueden ser reemplazadas por una fuente de
tensión.
Si una fuente de tensión y una de corriente, se configuran en
serie, pueden ser reemplazadas por una fuente de corriente.

Si el valor de la tensión o de la intensidad de corriente de
una fuente de tensión o de corriente, depende de la
intensidad o de la corriente en algún punto específico del
circuito, entonces nos referimos a fuentes dependientes.
La simbología utilizada para representar fuentes
dependientes, coincide con la simbología empleada para
fuentes no dependientes, acompañada de la expresión
matemática que define la dependencia de la tensión o de la
corriente.

En la práctica, tanto las fuentes de tensión como de corriente distan mucho del
concepto ideal, y, varían su resistencia interna en función del desgaste

En los circuitos eléctricos, las fuentes de tensión y
corriente, “aportan o ceden” energía, mientras que los
elementos pasivos la “receptan o absorven”.
La energía “cedida” por una fuente (generador), es
función de la tensión de salida, y, de la carga eléctrica
entregada.
La potencia “aportada” por un generador, es función
de la energía entregada y del tiempo transcurrido.
Energía y potencia de una fuente
V·I·tE
qVE
IVP
t
E
P

Toda energía eléctrica absorbida por un conductor homogéneo
(elemento resistivo), en el que no existen fems (fuerzas
electromotrices), y, que está recorrido por una corriente
eléctrica, se transforma íntegramente en calor.
En la forma más operativa, la energía transformada en calor en
un elemento resistivo es proporcional al producto del cuadrado
del voltaje aplicado al elemento y al tiempo transcurrido, e,
inversamente proporcional a la resistencia del elemento.
En la forma más operativa, la potencia disipada en forma de
calor en un elemento resistivo, es proporcional al cuadrado del
voltaje aplicado al elemento, e, inversamente proporcional a la
resistencia del elemento.
Energía y potencia en los elementos de un circuito
t
R
V
E
tIRE
tIVE
2
2
R
V
P
IRP
IVP
2
2

Si la corriente eléctrica que circula por una bobina crece (su
derivada es positiva), y, el voltaje en la bobina es positivo,
entonces este dispositivo actúa como receptor y “consume”
energía.
Cuando la corriente eléctrica disminuye (su derivada es
negativa), y, el voltaje en la bobina es negativo, entonces este
dispositivo actúa como fuente y “cede” energía.
2
I.L
2
1
E
dt
dI
I.LP
IVP

Si el voltaje en los terminales de un condensador crece (su
derivada es positiva), mientras que la corriente eléctrica que
fluye es positiva, entonces este dispositivo actúa como receptor
y “consume” energía.
Cuando el voltaje disminuye (su derivada es negativa), y, la
corriente es negativa, entonces este dispositivo actúa como
fuente y “cede” energía.
2
V.C
2
1
E
dt
dV
V.CP

Contenido
•A manera de resumen: magnitudes fundamentales

Magnitudes fundamentales
•Tensión o voltaje. Indica la diferencia de energía entre dos puntos de
un circuito. (V).
•Intensidad. La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de
electrones que pasan por un punto determinado del circuito en la
unidad de tiempo. (A).
•Resistencia. La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un
elemento del circuito al paso de la corriente. (Ω).
Magnitudes fundamentales de la electricidad

• Carga eléctrica. Se define como la cantidad de carga que pasa por la
sección de un conductor, en 1 segundo, cuando la corriente eléctrica es
de 1 A. (C).
•Conductividad. La conductividad eléctrica es la propiedad de los
materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden
moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico.
(Siemens/m)
•Resistividad. La resistividad es una magnitud inversa a la
conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los
electrones en sus desplazamientos. (Ω/m).

•Frecuencia. Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente para
indicar el número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso
periódico en la unidad de tiempo. (Hz)
•Corriente eléctrica. Se denomina así al flujo ordenado de electrones
dentro de un conductor que conforma un circuito cerrado, en presencia
de un campo eléctrico.

•Corriente alterna. Se denomina
corriente alterna (CA/AC) a la
corriente eléctrica en la que la
magnitud y dirección varían
cíclicamente. La forma de onda de la
corriente alterna más comúnmente
utilizada es la de una onda sinoidal.
•Los sistemas de CA son
monofásicos, trifásicos o polifásicos

•Corriente directa o continua. La
corriente continua (CC/DC) es el
flujo continuo de electrones a través
de un conductor entre dos puntos de
distinto potencial. A diferencia de la
CA, en la CC las cargas eléctricas
circulan siempre en la misma
dirección.

•Cargas resistivas
Tipos de carga

•Cargas inductivas
Tipos de carga

•Cargas capacitivas
Tipos de carga

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