Este documento trata de temas acerca de la naturaleza

2. NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA
Carga eléctrica.
Electrificación de los cuerpos.
La materia es todo lo que existe independiente de los
seres humanos. Existe en el espacio y en el tiempo
y tiene asociada una propiedad esencial: la energía.
Para su estudio los seres humanos la clasifican en
sustancia y campo. La sustancia a su vez ha sido
dividida en estados de agregación. Dentro de las
ciencias experimentales clásicas los estados de
agregación aceptados son: sólido, líquido y gas.
Dentro de la física moderna se aceptan además la
existencia de dos nuevos estados de agregación:
plasma y materia altamente condensada.
Al estudiar desde la física clásica los sólidos, líquidos y
gases se realizan caracterizaciones atendiendo a sus
diversas propiedades. Una de ellas es que bajo estos
estados de agregación la materia manifiesta una
propiedad extraordinaria, la carga eléctrica.
La carga eléctrica no posee una definición formal. Esto
es, no se encuentra en los libros una definición formal
de ella y se estudia a partir de sus propiedades.
A nuestras sensaciones esta propiedad se manifiesta
a través de una serie de fenómenos que ocurren
cotidianamente en la naturaleza y que al ser
estudiados se clasificaron como fenómenos eléctricos.
Estos fenómenos captaron la atención de los hombres
de ciencias desde muy temprano en la historia del
conocimiento científico extendiéndose hasta nuestros
días.
La esencia de la carga eléctrica es comprendida
mejor en la medida que se pueden construir modelos
eficientes que describen con relativo acierto la
estructura interna de la sustancia. Dentro de estos
modelos se acepta la existencia de entes físicos
denominados partículas. Estas, son la esencia del
macro y micro mundo y le son atribuibles propiedades
físicas como la masa y la carga eléctrica. La carga
eléctrica se manifiesta en forma de carga positiva (+)
y carga negativa (-).
Por naturaleza, todos los cuerpos poseen la misma
cantidad de carga positiva que negativa. En este
caso se dice que el cuerpo es neutro. La cantidad de
cargas positivas y negativas que posee un cuerpo se
pueden manipular permitiendo esto que se consiga
exceso o defecto en un cuerpo de uno de estos tipos
de carga. Así se puede hablar de un cuerpo cargado
positivamente al tener éste un exceso de carga positiva
o de un cuerpo cargado negativamente al poseer un
exceso de carga negativa. La idea anterior es relativa
y así se puede afirmar que un cuerpo está cargado
positivamente si tiene un defecto o menor carga
positiva que negativa. Esto se puede definir como
otra propiedad de la carga eléctrica: la propiedad de
transferirse de un cuerpo a otro.
Los procedimientos que se sigan para manipular la
carga eléctrica de los cuerpos determina el tipo de
electrificación de los cuerpos. Cuando un cuerpo se
carga al frotarlo con otro se habla de “electrificación
por fricción”. Cuando los cuerpos simplemente entran
en contacto se habla de “electrificación por contacto” y
si los cuerpos interactúan mediando entre ellos cierta
distancia se habla de “electrificación por influencia”.
Otra de las propiedades de la carga eléctrica es que
satisface el principio de conservación. En un sistema
aislado la cantidad de cantidad de carga que poseen
todos los cuerpos que conforman este sistema no
cambia independientemente de su evolución. Se
entiende por sistema aislado, un sistema que no tiene
interacción con el exterior.

3. La carga eléctrica satisface también el principio
de cuantificación. Bajo esta propiedad los cuerpos
no pueden tener un valor arbitrario de carga. Sólo
pueden tener valores de carga eléctrica que sean
un múltiplo entero de una cantidad elemental de
carga. Esta cantidad elemental de carga coincide por
convenio con el valor absoluto de la carga eléctrica
de un electrón. Así la carga eléctrica total de un
cuerpo se puede determinar por la expresión:
Donde n es un número entero que toma valores de
1 hasta infinito y |e|= 1,6.10-19 (Coulomb). En honor
a Charles – Augustin de Coulomb, físico e ingeniero
militar francés que describió la ley de atracción entre
cargas eléctricas conocida como Ley de Coulomb.
Independientemente de la velocidad a la que se
mueve el objeto cargado y la velocidad que tenga
quien mida la carga de este cuerpo, la cantidad de
carga eléctrica del cuerpo permanece invariable. A
esta propiedad se le denomina invariancia relativista
de la carga y es considerada como otra propiedad.
Corriente eléctrica: Corriente alterna y continúa.
El estudio de los fenómenos eléctricos permitió
profundizar en otro tipo de movimiento, la electricidad.
Atendiendo a su estructura química y naturaleza,
los cuerpos conducen la electricidad de manera
diferente. A los buenos conductores de la electricidad
se les denomina materiales conductores y los
que conducen la corriente eléctrica con dificultad
materiales aislantes o dieléctricos.
Son buenos conductores de la corriente eléctrica los
metales y malos conductores materiales como la
madera y el vidrio.
Asociada a varios modelos la electricidad se asocia
a una transferencia o movilidad de cargas eléctricas
entre dos cuerpos o dos puntos de un mismo material.
Para ello, por convenio, se le atribuye la posibilidad
de movimiento a las cargas positivas. En este caso
se habla de la existencia de una corriente eléctrica.
La corriente eléctrica puede definirse entonces
como un proceso a través del cual hay transferencia
de energía al existir un flujo ordenado de cargas
eléctricas entre dos puntos de un material al realizar
un agente externo trabajo sobre las cargas eléctricas.
En este caso se dice que se aplica a los extremos
del material una diferencia de potencial eléctrico. La
diferencia de potencial eléctrico se expresa en Voltios
(V) en honor a Alessandro Volta quien en 1880 por
primera vez obtuvo corriente eléctrica constante a
partir de un tipo de pila que fue la antecesora de la
batería de nuestros días.
Para poder estudiar macroscópicamente a la corriente
eléctrica se define una magnitud física denominada
intensidad de corriente (I). Si la intensidad de la
corriente no cambia con el tiempo se le denomina
corriente directa o continua. Si la intensidad de
corriente cambia con el tiempo periódicamente
siguiendo una ley sinusoidal se le denomina corriente
alterna.
Intensidad de corriente.
I=q/t
La intensidad de corriente se define como la cantidad
de carga eléctrica q que fluye a través de un conductor
por unidad de tiempo t. Esto es, I= q/t y se expresa
en Amperios (A) en honor a André – Marie Ampere
matemático y físico francés considerado como uno
de los principales aportadores de la teoría sobre la
corriente eléctrica y el magnetismo.

4. De acuerdo a la expresión anterior 1A= 1C/1s sin
embargo esta no es la definición de Amperio. Su
definición está asociada a la fuerza por unidad de
longitud que se manifiesta entre dos conductores
rectos por los que circulan intensidades de corrientes
iguales. Esto es, un Amperio (1A) es igual a la
intensidad de corriente que circula por dos alambres
largos paralelos que llevan corrientes idénticas y
están separados un metro (1m) al ser la fuerza
por unidad de longitud que se genera entre ellos de
2.107N.
Resistividad eléctrica
resistencia eléctrica.
de
los
materiales
y
El estudio de la teoría cinética molecular de la
sustancia modela el movimiento vibratorio y aleatorio
de los componentes de la materia. Debido a este
movimiento las sustancias exhiben una propiedad
denominada resistividad o resistencia específica que
es una función del tipo de material. Esta propiedad
expresa cuan bueno o malo es un material dejando
fluir a través de él la corriente eléctrica.
Cuando se estudia la oposición de un tramo de
conductor eléctrico de longitud L, área de sección
transversal S y resistividad específica ρ a temperatura
constante se encuentra que podemos definir una
magnitud física positiva llamada resistencia eléctrica
R que responde a la ley RρL/s. Esta misma magnitud
se encuentra al estudiar la relación directamente
proporcional entre la diferencia de potencial eléctrico
aplicada entre los extremos de un conductor
óhmico con la intensidad de corriente eléctrica que
lo atraviesa. Esta relación se conoce como Ley de
Ohm para una porción de circuito y se expresa
matemáticamente comoI=V/R.
Si asignamos como unida de resistencia eléctrica
el Ohm (Ω) podemos concluir que la resistividad
específica de un material se expresa en (Ω.m) y
expresa la resistencia eléctrica por unidad de longitud
que tiene un material.
Debemos aclarar que la resistividad específica ρ es una
propiedad de la sustancia mientras que la resistencia
eléctrica R es una propiedad de un objeto determinado.
En un rango limitado de temperaturas, la resistividad
de un conductor varía prácticamente de manera
lineal con la temperatura. Empíricamente se ha
encontrado que esta dependencia responde a la
ley ρ= ρ0 [1+a(T-T0)]. Donde ρ0 es la resistividad
específica del material a la temperatura de referencia
T0 y αes el coeficiente de temperatura de resistividad.
Este coeficiente se expresa en unidades inversas
de temperatura y es positivo en los conductores y
negativo en los aislantes y semiconductores. El signo
es compatible con el hecho de que la resistividad
específica aumenta con la temperatura en los
materiales conductores y disminuye como función de
la temperatura en los aislantes y semiconductores.
Energía y potencia eléctrica.
La electricidad como tipo de movimiento tiene
inherente a ella una cantidad de energía. La energía
asociada a un conductor por el que fluye corriente
eléctrica puede expresarse como E= V.I.t . Siendo sus
dimensiones en el sistema internacional el Joule (J).
Recordando el concepto de potencia, la potencia
eléctrica puede expresarse como P=dE/dt, resultando
que la potencia eléctrica es P=V.I. Siendo la unidad
en el sistema internacional el Watt (W) donde
1W=1J/1s. Una unidad de energía eléctrica muy
utilizada es el KW –h, que equivale a 3,6.106 J.

5. Circuitos de corriente directa.
Fuerza electromotriz (FEM).
Para hacer circular la corriente eléctrica a través de
un conjunto de conductores se necesita una fuente
de energía eléctrica. La fuente de energía eléctrica
más conocida es la batería. En la batería la energía
eléctrica tiene su origen en las reacciones químicas
que ocurren en su interior que permiten que durante
un determinado tiempo se pueda entregar una
determinada cantidad de carga fija en la unidad
de tiempo. Por eso, el Ampere – hora (A-h) es una
medida de la vida útil de una batería.
Cada batería a tendiendo a su capacidad de mover
carga en la unidad de tiempo suministra entre
sus terminales una cantidad máxima de voltaje o
diferencia de potencial eléctrico. A esta cantidad
comúnmente se le denomina FEM (ε).
Al acoplar una batería a un conjunto de resistores a
través de conductores se construye el circuito eléctrico
más sencillo. Para simplificar consideraremos que la
resistividad de los alambres conductores conectores
es despreciable ante la resistividad de los resistores.
Las formas más sencillas de conectar resistores son
las conexiones en serie y en paralelo.
Si estos resistores se conectan en serie se cumplen
las siguientes condiciones:
1.La intensidad de la corriente que los atraviesa es
la misma.
2.La suma de la diferencia de potencial eléctrico en
los extremos de cada resistor es igual a la diferencia
de potencial en los extremos de la conexión. De
acuerdo con esta condición a esta conexión se le
denomina divisor de voltaje.
3.La resistencia equivalente de la conexión es igual
a la suma de las resistencias de cada resistor y es
mayor que la mayor de las resistencias conectadas.
Si estos resistores se conectan en paralelo se cumple
lo siguiente:

6. 1.La suma de la intensidad de corriente que pasa
a través de cada conductor es igual a la intensidad
de la corriente que entra o sale a la conexión. De
acuerdo con esto a esta conexión se le denomina
divisor de corriente.
2.La diferencia de potencial eléctrico en los extremos
de cada resistor es la misma para todos los resistores
de la conexión.
3.El inverso de la resistencia equivalente de la
conexión es igual a la suma de los inversos de la
resistencia de cada una de los resistores conectados.
La resistencia equivalente es menor que la menor
de la resistencias de los resistores conectados.