Una aproximación o introducción de a la electrostática o cargas eléctricas en el espacio (no tan vacio) pero separadas una distancia, donde ejerce fuerza de atracción o repulsión según el tipo de esta; sea + o -

1. Unidad 3. Principios de electricidad.
Objetivo de unidad: Investigar y describir con interés los
fenómenos electromagnéticos, diseñando circuitos o aparatos
y calculando experimentalmente sus propiedades y leyes que
les sirvan para valorar el progreso de estas tecnologías en el
bienestar de la vida del ser humano.
La electrostática: es la rama de la Física que analiza los efectos
mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de
su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en
equilibrio.
La carga eléctrica es la propiedad de la
materia responsable de los
fenómenos electrostáticos,
cuyos efectos aparecen en
forma de atracciones y
repulsiones entre los cuerpos
que la poseen.
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2. Electrostática: Carga eléctrica.
• Alrededor del año 600 a. C., el filósofo griego Tales de Mileto descubrió
que si frotaba un trozo de la resina vegetal fósil llamada ámbar, en
griego élektron, este cuerpo adquiría la propiedad de atraer pequeños
objetos. Algo más tarde, otro griego, Teofrasto (310 a. C.), realizó un
estudio de los diferentes materiales que eran capaces de producir
fenómenos eléctricos y escribió el primer tratado sobre la electricidad.
• A principios del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la
electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la
navegación con brújulas magnéticas. El físico real británico William
Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad, creada a partir del
término griego elektron (ámbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analizó
sus experimentos y fue el primero en comentar que había fuerzas de
atracción entre ciertos cuerpos y de repulsión entre otros.
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3. • Definimos átomo como la partícula más pequeña en que un elemento puede
ser dividido sin perder sus propiedades químicas. Aunque el origen de la
palabra átomo proviene del griego, que significa indivisible, los átomos están
formados por partículas aún más pequeñas, las partículas subatómicas.
• Generalmente, estas partículas subatómicas con las que están formados los
átomos son tres: los electrones, los protones y los neutrones. Lo que diferencia
a un átomo de otro es la relación que se establecen entre ellas.
• Los electrones tienen una carga negativa y son las partículas subatómicas más
livianas que tienen los átomos. La carga de los protones es positiva y pesan
unas 1.836 veces más que los electrones. Los únicos que no tienen carga
eléctrica son los neutrones que pesan aproximadamente lo mismo que los
protones.
• Los protones y neutrones se encuentran agrupados en el centro del
átomo formado el núcleo atómico del átomo. Por este motivo también se les
llama nucleones. Los electrones aparecen orbitando alrededor del núcleo del
átomo.
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4. Fuerza Electromagnética
• La fuerza electromagnética es la interacción que se da entre cuerpos que poseen
carga eléctrica. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza.
• Cuando las cargas están en reposo, la interacción entre ellas se denomina fuerza
electrostática.
• Dependiendo del signo de las cargas que interaccionan, la fuerza electrostática
puede ser atractiva o repulsiva. La interacción entre cargas en movimiento da
lugar a los fenómenos magnéticos.
• Históricamente los fenómenos eléctricos y magnéticos se descubrieron y
estudiaron de forma independiente, hasta que en 1861 James Clerk Maxwell
unificó todos ellos en las cuatro ecuaciones que llevan su nombre.
• En el Sistema Internacional, la unidad de carga eléctrica es el Culombio (C). Un
Culombio es la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un
conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un
amperio.
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5. Ley de Coulomb.
• Se expresa de la siguiente
manera:
• La magnitud de cada una de
las fuerzas eléctricas con que
interactúan dos cargas
puntuales en reposo es
directamente proporcional
al producto de la magnitud
de ambas 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.
K= 9x109 N.m/C2
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6. Potencial eléctrico.
• El potencial eléctrico o potencial electrostático en un
punto, es el trabajo que debe realizar un campo
electrostático para mover una carga positiva desde
dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por
unidad de carga de prueba.
• Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar
una fuerza externa para traer una carga positiva
unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto
considerado en contra de la fuerza eléctrica a
velocidad constante.
• Si se considera que las cargas están fuera de dicho
campo, la carga no cuenta con energía y el potencial
eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la
carga desde el exterior del campo hasta el punto
considerado. La unidad del Sistema Internacional es
el voltio (V).
• Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el
mismo potencial forman una superficie equipotencial.
Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es
que a diferencia de la energía potencial eléctrica o
electrostática, él caracteriza sólo una región del
espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca
ahí.
• Matemáticamente se expresa por:
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7. Trabajo y Potencia de la Corriente Eléctrica
• En los circuitos eléctricos, la energía potencial eléctrica provoca el
movimiento de cargas. Este movimiento, las dota de energía
cinética que posteriormente puede transformarse en energía
mecánica para mover motores, energía lumínica para encender
luces, etc.
• Sin embargo, una parte importante de la energía cinética de las
cargas se reduce debido a los continuos choques que se producen
en los átomos mientras las cargas circulan de un lado a otro,
provocando que parte de esta energía se disipe en forma de calor.
A este fenómeno se le denomina efecto Joule, en honor al Físico
británico James Joule (1818-1889). A continuación vamos a estudiar
este efecto.
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8. Energía potencial electrostática
• La energía potencial electrostática o energía potencial
eléctrica es un tipo de energía potencial (medida en julios) que
resulta de la fuerza de Coulomb y está asociada a la configuración
particular de un conjunto de cargas puntuales en un sistema
definido.
• No se debe confundir con el potencial eléctrico (medido
en voltios).
• El término "energía potencial eléctrica" se suele emplear para
describir la energía potencial en sistemas con campos eléctricos
que varían con el tiempo, mientras que el término "Energía
potencial electrostática" hace referencia a la energía potencial en
sistemas con campos eléctricos constantes en el tiempo.
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9. La corriente eléctrica o intensidad eléctrica
• La corriente eléctrica o intensidad
eléctrica es el flujo de carga
eléctrica por unidad de tiempo que
recorre un material.
• Se debe al movimiento de las cargas
(normalmente electrones) en el
interior del material.
• En el Sistema Internacional de
Unidades se expresa en C/s
(culombios sobre segundo), unidad
que se denomina amperio.
• Una corriente eléctrica, puesto que
se trata de un movimiento de cargas,
produce un campo magnético, un
fenómeno que puede aprovecharse
en el electroimán.
• El instrumento usado para medir la
intensidad de la corriente eléctrica es
el galvanómetro que, calibrado en
amperios, se llama amperímetro,
colocado en serie con el conductor
por el que circula la corriente que se
desea medir
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10. • La Resistividad eléctrica es
la resistencia eléctrica específica
de un determinado material. Se
designa por la letra
griega rho minúscula (ρ) y se mide
en ohm-metro(Ω•m)
• en donde es la resistencia en
ohms, la sección transversal en
m² y la longitud en m. Su valor
describe el comportamiento de un
material frente al paso de corriente
eléctrica: un valor alto de
resistividad indica que el material es
mal conductor mientras que un
valor bajo indica que es un buen
conductor.
• Como ejemplo, un material de 1 m
de largo por 1 m de ancho por 1 m
de altura que tenga 1 Ω de
resistencia tendrá una resistividad
(resistencia específica, coeficiente
de resistividad) de 1 Ω•m .
• Generalmente la resistividad de los
metales aumenta con
la temperatura, mientras que la
resistividad de
los semiconductores disminuye
ante el aumento de la temperatura
• Resistencia Eléctrica: es la
igualdad de oposición que
tienen los electrones al
moverse a través de un
conductor.
• La unidad de resistencia en el
Sistema Internacional es el
ohmio, que se representa con
la letra griega omega (Ω), en
honor al físico alemán Georg
Ohm, quien descubrió el
principio que ahora lleva su
nombre.
• Para un conductor de tipo
cable, la resistencia está dada
por la siguiente fórmula:
.
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11. • La conductividad eléctrica es la
medida de la capacidad (o de la
aptitud) de
un material o sustancia para dejar
pasar (o dejar circular) libremente
la corriente eléctrica.
• La conductividad depende de la
estructura atómica y molecular del
material.
• Los metales son buenos conductores
porque tienen una estructura con
muchos electrones con vínculos
débiles, y esto permite su
movimiento.
• La conductividad también depende
de otros factores físicos del propio
material, y de la temperatura.
• La conductividad es la inversa de
la resistividad; por tanto, , y su
unidad es el S/m (siemens por metro)
o Ω−1·m−1. Usualmente,
la magnitud de la conductividad (σ)
es la proporcionalidad entre el campo
eléctrico y la densidad de corriente
de conducción.
• La Conductancia eléctrica (G) es la
facilidad que ofrece un material al
paso de la corriente eléctrica; es decir,
que la conductancia es la propiedad
inversa de la resistencia eléctrica.
• Al encontrar el recíproco de la
resistencia eléctrica de un material se
tendrá una medida de que tan bien
conducirá éste la electricidad. La
cantidad se llama conductancia, tiene
el símbolo G y se mide en siemens (S).
• No debe confundirse con conducción,
que es el mecanismo mediante el cual
la carga fluye, o con la conductividad,
que es la conductancia específica de
un material.
• La unidad de medida de la
conductancia en el Sistema
Internacional de Unidades es
el siemens.
• Este parámetro es especialmente útil
a la hora de tener que manejar
valores de resistencia muy pequeños,
como es el caso de los conductores
eléctricos.
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12. Circuitos de corriente eléctrica.
• Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales
como resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semi
miconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada.
• Un circuito lineal, que consiste de fuentes, componentes lineales (resistores,
condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de
transmisión o cables), tiene la propiedad de la superposición lineal.
• Además son más fáciles de analizar, usando métodos en el dominio de la
frecuencia, para determinar su respuesta en corriente directa, en corriente
alterna y transitoria.
• Un circuito resistivo es un circuito que contiene solo resistores y fuentes de
voltaje y corriente. El análisis de circuitos resistivos es menos complicado que el
análisis de circuitos que contienen capacitores e inductores. Si las fuentes son de
corriente directa, es denominado un circuito de corriente directa.
• Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un
circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren
diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.
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13. Circuitos de corriente continua
• La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) se refiere
al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de
distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo.
• A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés, de Alternating
Current), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la
misma dirección.
• Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente
constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la
misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la
carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica).
• También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre
en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va (por convenio)
del polo positivo al negativo
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14. • La ley de Ohm, postulada por el físico y
matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley de
la electricidad. Establece que la diferencia de potencial
que aparece entre los extremos de un conductor
determinado es proporcional a la intensidad de la
corriente que circula por el citado conductor.
• Ohm completó la ley introduciendo la noción
de resistencia eléctrica ; que es el factor de
proporcionalidad que aparece en la relación entre
V e I.
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15. Ley de Joule
• Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual
si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía
cinética de los electrones 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 continuas colisiones con los núcleos atómicos y como
consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la
temperatura en el propio cable.
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16. Circuitos en serie, paralelo y mixtos.
• Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los
bornes o terminales de los dispositivos los cuales están unidos para un
solo circuito (generadores, resistencias, condensadores, interruptores,
entre otros.) se conectan secuencial mente
• La terminal de salida del dispositivo uno se conecta a la terminal de
entrada del dispositivo siguiente.
• En un circuito en serie los receptores están instalados uno a
continuación de otro en la línea eléctrica, de tal forma que la corriente
que atraviesa el primero de ellos será la misma que la que atraviesa el
último.
• Un circuito paralelo es un circuito con más de un “camino” o
ramificaciones a través de la cuales fluye la corriente eléctrica en los
diagramas de cableado, los circuitos paralelos se parecen a una
escalera, con dos o más rectángulos que contienen cargas (luces, etc.).
• Un circuito mixto: Es una combinación de elementos tanto en serie
como en paralelos, estos pueden colocarse de la manera que sea
siempre y cuando se utilicen los dos diferentes sistemas de elementos,
tanto paralelo como en serie.
• Estos circuitos se pueden reducir resolviendo primero los elementos que
se encuentran en serie y luego los que se encuentren en paralelo, para
luego calcular y reducir un circuito único y puro, bien sea en serie o en
paralelo.
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