ELECTRICIDAD

CARGA ELÉCTRICA

Toda la materia, es decir cualquier tipo de cuerpo, se compone de átomos y estos de partículas elementales como los electrones, protones y neutrones. Los electrones tienen una propiedad llamada carga eléctrica.

• Los neutrones son electricamente neutros porque carecen de carga.
• Los electrones poseen carga negativa.
• Los protones tienen la carga positiva.

Un principio fundamental de la electricidad es el siguiente: cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen.

• El frotamiento es una manera muy sencilla de cargar eléctricamente un cuerpo.
• Un átomo puede ganar electrones y quedar con carga negativa, o bien perderlos y adquirir carga positiva. La masa del protón es casi 2000 veces mayor a la del electrón, pero la magnitud de sus cargas eléctricas es la misma.
• El átomo está constituido por un núcleo, en él se encuentran los protones y neutrones, y a su alrededor giran sus electrones. Los átomos de cualquier elemento químicos son neutros ya que tienen el mismo número de protones o cargas positivas y de electrones o cargas negativas.

FORMAS DE ELECTRIZAR A LOS CUERPOS

Los cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones. Si un cuerpo tiene carga positiva, esto no significa exceso de protones, pues no tienen facilidad de movimientos como los electrones. Por tanto debemos entender que la carga de un cuerpo es positiva si pierde electrones y negativa, cuando los gana. Los cuerpos se electrizan por: frotamiento, contacto, inducción.

• FROTAMIENTO

Es una forma sencilla de carga eléctricamente de un cuerpo cuando el cabello se peina con vigor, pierde algunos electrones adquiriendo carga positiva. Mientras que el peine gana dichos electrones y su carga final es negativa y por lo tanto los cuerpos por electrizados por frotamiento quedan con cargas opuestas. Estos fenómenos se presentan en climas secos o cuando el aire está seco, ya que las cargas electrostáticas se escapan si el aire está húmedo.

• CONTACTO

Se origina cuando un cuerpo saturado de electrones cede algunos a otro cuerpo con el cuál tiene contacto. Pero si un cuerpo carente de electrones, o con carga positiva, se une con otro, atraerá parte de los electrones de dicho cuerpo.

• INDUCCIÓN

Se presenta cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado.

Los materiales son aislantes si al electrizarlos por frotamiento y sujetarlos con la mano, conservan su carga aún estando conectados en 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.

• Aislantes: Vidrio, madera, el gancho, las resinas.
• Conductores: Todos los metales, soluciones de ácidos, bases y sales disueltas en agua.

                                         

La unidad elemental para medir carga eléctrica es el electrón, en el Sistema Internacional (SI) se utiliza el Coulomb (C). Un Coulomb representa la carga eléctrica que tienen 6 trillones 240 mil billones de electrones, es decir:

1 Coulomb = 1 C = 6.24x10^18 electrones.

El científico francés Charles Coulomb estudió las leyes que rigen la atracción y repulsión de dos cargas eléctricas puntuales en reposo. (Una carga puntual es la que tiene distribuida un cuerpo electrizado cuyo tamaño es pequeño comparado con la distancia que existe entre otro cuerpo cargado eléctricamente). (Otra característica de la carga puntual es el valor de carga también es pequeño y toda la carga del cuerpo se encuentra reunida en su centro).

Por tanto simplificando las ecuaciones, la expresión matemática de la ley de Coulomb para el vacío queda simplemente como:

F = K q1q2/r^2

La siguiente ecuación solo es válida cuando las cargas se encuentran en el vacío, o en forma aproximada si están en el aire.

Pero si entre las cargas existe una distancia o medio aislante la fuerza eléctrica de interacción en estas sufrirá una disminución, la cual será mayor o menor dependiendo del medio. La relación que existe entre dos cargas en el vacío y la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancias aislantes, recibe el nombre de permitividad relativa o coeficiente dieléctrico, de dicho medio o sustancia.

CAMPO ELÉCTRICO

• Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferente signo se atraen y las de igual signo se rechazan, aún cuando se encuentren 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.

• El campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ello es difícil 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.

  

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

El campo eléctrico es inherente a la naturaleza del electrón e independiente de sus movimientos. No así el campo magnético que aparece solo cuando el electrón está en movimiento.

Las líneas de fuerza estarán más juntas entre sí cuando el campo eléctrico sea intenso y más separadas al disminuir la intensidad.

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO

Para poder interpretar como es la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva (por convección) de valor muy pequeño llamada carga de prueba, de esta manera sus efectos, debido a su propio cambio eléctrico, se pueden despreciar. Esa pequeña carga de prueba que se coloca en el punto del espacio a investigar. Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que en el 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 prueba q. Por tanto:

E = F/q

Donde:

E = Intensidad del campo eléctrico (N/C).

F = Fuerza que recibe la carga de prueba en Newtons (N).

q = Valor de la carga de prueba en Coulombs (C).

Si se desea calcular la intensidad del campo eléctrico E a una determinada distancia r de una carga q se considera que una carga de prueba q1 colocada a dicha distancia recibe una fuerza F debida a q y de acuerdo con la ley de Coulomb, su valor se calcula en la expresión siguiente:

E = Kq/R^2

POTENCIAL ELÉCTRICO

• El potencial eléctrico es un punto es el Trabajo requerido para mover una carga unitaria (trabajo por unidad de carga) desde ese punto hasta el infinito donde el potencial es 0.

Matemáticamente se expresa por:

V = W/q

• Considérese una carga de prueba positiva en presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio.

• Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve a la carga la diferencia del potencial eléctrico se define como:

VB - VA = WAB/q0

• El trabajo WAB puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el campo eléctrico en A.

• La ecuación anterior es en Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el Voltio, esto es:

1 Voltio = 1 Joule/Coulomb

• Aplicando esta definición a la teoría de circuitos y desde un punto de vista más intuitivo, se puede decir que el potencial eléctrico es un punto de un circuito representa la energía que posee toda unidad de carga al paso por dicho punto.

• Así, si dicha unidad de carga recorre un circuito constituyéndose en corriente eléctrica, ésta irá perdiendo su energía (potencial o voltaje) a medida que atraviesa los diferentes componentes del mismo. Obviamente, la energía perdida por cada unidad de carga se manifestará como trabajo realizado en dicho circuito (calentamiento en una resistencia, luz en una lámpara, movimiento en un motor, etc.).

CAPACITANCIA

• Capacitancia conocida también como capacitor.

• La Capacitancia, como la Resistencia, aparece en toda clase de circuitos eléctricos y electrónicos. Sin ella la radio y la televisión, tal como las conocemos hoy no existirían.

DEFINICIÓN DE CAPACITANCIA

• La Capacitancia es la propiedad de un capacitor de oponerse a toda variación de la televisión en el circuito eléctrico.

• También se define, a la Capacitancia como una propiedad de almacenar carga eléctrica entre dos conductores, aislados el uno del otro, cuando existe una diferencia de potencial entre ellos.

• Como se observa en la figura siguiente, las dos placas actúan como conductores, mientras que el aire actúa como aislante.

• Los factores que determinan la Capacitancia de un capacitor simple son:

1. El área de las placas.
2. La separación entre las placas.
3. El material del dieléctrico.

• La Capacitancia en directamente proporcional al área de las placas y a la constante dieléctrica del material dieléctrico utilizado.

• De ahí que si el área de las placas aumenta, con ella aumenta la Capacitancia; por el contrario, si la separación de las placas aumenta, disminuye la Capacitancia.

• De acuerdo a la fórmula C = KA/d, obtenemos el resultado en Faradios; si queremos el resultado en Micro faradios entonces agregamos el factor de conversión 8.85x10-"-y nuestra fórmula quedará así:

C = 8.85x10-8 A/d

Donde:

C = Capacitancia en Micro faradios.

A = Área de las placas (cm^2).

d = Distancia de separación de las placas (cm).

CORRIENTE ELÉCTRICA

El término corriente eléctrica, o corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que pasa por alguna región de espacio. La mayor parte de las aplicaciones práctica de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos domésticos funcionan con corriente alterna. En estas situaciones comunes, el flujo de carga fluye por un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre. Es posible también que existan corrientes fuera de un conductor.

Es por esto que existe la siguiente clasificación:

• CONDUCTORES: Son aquellos cuerpos en los cuales los electrones se mueven con facilidad.
• AISLANTES: Son aquellos cuerpos en los que los electrones tienen poca o ninguna movilidad con relación a otros átomos.
• SEMICONDUCTORES: Son cuerpos que conducen o no la corriente eléctrica según la temperatura que tengan.

INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

I = Q/t

Donde:

I = Intensidad que se mide en Amperios.

Q = Cantidad de electricidad; que se mide en Culombios.

t =Tiempo en segundos.

Así pues definimos al Amperio como la intensidad de corriente que permite el paso de un Culombio en un segundo.

DEFINICIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA

Siempre que se mueven cargas eléctricas de igual signo se establece una corriente eléctrica. Para definir la corriente de manera más precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A. La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie.

Por ello, en general se puede decir que la corriente eléctrica se origina por el movimiento o el flujo electrónico de un conductor, el cual se produce debido a que existe una diferencia de potencial y los electrones circulan de una terminal negativa a una positiva.

CORRIENTE CONTINUA

La corriente continua o corriente directa es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial.

En la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.

También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va del polo positivo al negativo.

La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo al polo positivo, de una fuente de la fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica.

Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas pues, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento.

La corriente continua se caracteriza por su tensión, al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión de tiempo) se representa con una línea recta de valor V.

CORRIENTE ALTERNA (CA O AC)

• Se denomina corriente alterna 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 senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sien embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

• Utilizada genéricamente, la CA se refiera a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio son transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

• La corriente alterna circula por durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.

LEY DE OHM

Circuito mostrando la ley de Ohm: Una fuente eléctrica con una diferencia de potencial V, produce una corriente eléctrica I cuando pasa a través de la resistencia R.

La ley de Ohm define una propiedad específica de ciertos materiales por la que se cumple la relación:

V = I * R

Un conductor cumple la ley de Ohm sólo si su curva V - I es lineal, esto es si R es independiente de V y de I.

Sin embargo, la relación:

R = V/I

La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la diferencia del potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo, según expresa la fórmula siguiente:

I = V/R

donde, empleando unidades del Sistema Internacional (SI), tenemos que:

I = Intensidad en Amperios (A).

V = Diferencia de potencial en voltios (V).

R = Resistencia en ohmios.

CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE, PARALELO Y MIXTAS

Un circuito eléctrico es un sistema en el que la corriente fluye por n conductor en una trayectoria completa, es decir, cerrada, debido a una diferencia y potencial. Un foco conectado a una pila por medio de un conductor es un ejemplo de circuito eléctrico básico.

En cualquier circuito eléctrico por donde se desplazan los electrones a través de una trayectoria cerrada, existen los siguientes elementos:

• Voltaje
• Corriente
• Resistencia

El circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica circula en todo el sistema, y abierto cuando no circula por él.

CONEXIÓN EN SERIE

Al conectar dos o más resistencias en serie, se puede calcular la resistencia equivalente de la combinación lo cual, por definición, es aquella que representa la misma oposición al paso de la corriente que representa las demás resistencias conectadas, por tanto, puede sustituir al sistema en serie del circuito.

Re = R1+R2+R3+R4...Rn

Donde:

Re = Resistencia equivalente.

R1+R2+R3+R4...Rn = Suma de las resistencias conectadas.

CONEXIÓN EN PARALELO

Cuando las resistencias se conectan en paralelo sus terminales se unen en dos bornes (extremos) comunes que se enlazan a la fuente de energía o voltaje. En esta conexión la corriente eléctrica se divide en cada uno de los dos ramales o derivaciones del circuito y dependerá del número de resistencias que se conecten en paralelo; de tal manera que si una resistencia es desconectada las demás seguirán funcionando, pues la corriente eléctrica no se interrumpirá en ellas.

1/Re = 1/R1+1/R2+...+1/Rn

De acuerdo con la ley de ohm sabemos que:

I = V/R

Y como I = I1+I2+I3 entonces:

I1 = V/R1; I2 = V/R2; I3 = V/R3

Es decir:

I = V [1/R1+1/R2+1/R3]

CONEXIÓN MIXTA DE RESISTENCIAS

Cuando se tiene una conexión mixta de resistencias, significa que están agrupadas tanto en serie como en paralelo. La forma de resolver matemáticamente estos circuitos es calculando parte por parte las resistencias equivalentes de cada conexión, ya sea en serie o en paralelo, de tal forma que simplifique el circuito hasta encontrar el valor de la resistencia equivalente de todo el sistema eléctrico.