IES Vecindario. Departamento de Física y QuímicaELECTROTECNIA 2º Bachillerato Curso 2013/14

BLOQUE 1: CONCEPTOS Y FENÓMENOS BÁSICOS. MEDIDAS ELECTROTÉCNICAS.

1.2 Electrostática. Estructura de la materia. La carga eléctrica. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Potencial. Diferencia de potencial o

tensión eléctrica.

Actividad experimental. Electrostática.

Después de frotar el bolígrafo los trozos de papel son atraídos por aquel, lo que indica que como consecuencia del frotamiento se han desarrollado determinadas fuerzas atractivas. ¿Cómo lo explicarías?

Para explicar el fenómeno observado es necesario recordar que todas las cosas están compuestas de átomos, y que dentro de ellos hay partículas todavía más pequeñas llamadas electrones. Cada electrón tiene una carga eléctrica, y esta carga se considera que es negativa. Al frotar determinados materiales, estos pierden o ganan electrones, lo que origina cargas eléctricas estáticas en dichos materiales. Al frotar el bolígrafo de plástico con el paño, se transfiere electrones de un elemento a otro, quedando el bolígrafo cargado eléctricamente. Cuando acercamos el bolígrafo, cargado, este atrae a los papelitos.

Estructura de la materia

IES Vecindario. Departamento de Física y QuímicaELECTROTECNIA 2º Bachillerato Curso 2013/14La carga eléctrica

Cuando los átomos tienen tantos protones en su núcleo como electrones en la corteza, el átomo se encuentra en estado neutro y la materia que los contiene es neutra.

Si por algún medio consiguiéramos arrancar electrones de las últimas órbitas de los átomos, surgiría un desequilibrio entre el número de cargas negativas y positivas; estas últimas serían mayores y conferirían, por tanto, una carga positiva a dicho átomo.

De la misma manera, si por algún procedimiento conseguimos agregar electrones a un átomo eléctricamente neutro, este exceso de electrones produce una carga negativa en el átomo.

Se conoce como carga eléctrica de un cuerpo al exceso o defecto de electrones que este posee:_ Carga negativa significa exceso de electrones._ Carga positiva significa defecto de electrones._ Las cargas de signo diferente se atraen, y las cargas de signo igual siempre se repelen. _ La unidad de carga eléctrica es el culombio. Un culombio equivale aproximadamente a un

exceso o defecto de 6 trillones de electrones.

Curiosidades de la electricidad estática:

El cuerpo humano es un buen conductor, y en ambientes con humedad relativamente baja, acumula cargas electrostáticas. Estas cargas se generan por contacto del calzado con suelos aislantes o en las propias operaciones de fabricación.

La ropa utilizada tiene mucha influencia en la generación de carga estática. Aparte del calzado se deben incluir las prendas de seda, lana, y fibra sintética, las cuales constituyen un peligro al despojarse de ellas. Esta situación es particularmente peligrosa en quirófanos, instalaciones de fabricación de explosivos y ocupaciones similares.

La conexión a tierra permite eliminar las cargas electrostáticas. Las tuberías enterradas y los tanques de almacenamiento apoyados sobre el terreno se consideran puestos a tierra. Una aplicación de esta medida se recomienda en el trasvase de líquidos inflamables.

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Actividad resuelta:

Vamos a suponer que al frotar un bolígrafo de plástico con lana, el bolígrafo gana 500 electrones. Determina:

a. De dónde proceden esos electrones. Solución: Cuando se frotan dos cuerpos hay un trasvase de electrones de uno a otro. En este caso el bolígrafo ganan electrones que proceden de la lana.

b. ¿Qué carga adquiere el bolígrafo? Solución: El bolígrafo ha ganado electrones, adquiere carga negativa.

La ley de Coulomb. ¿Qué magnitud tiene la fuerza entre dos cargas eléctricas?

Coulomb consiguió medir la fuerza que desarrollan las cargas eléctricas. La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une.

F⃗=K ∙|q1|∙|q2|r2

∙ u⃗r

K es una constante conocida como constante Coulomb y las barras denotan valor absoluto. ¿Qué unidades tiene?

Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:a) Cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática); Nótese que dicha fuerza electrostática es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección y sentido.

b) Las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, pero de sentido contrario.

c) Hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.

Actividad:Dos cargas eléctricas puntuales de diferentes signo de 50μC y de 80μC, se encuentran

respectivamente en A(0,0)y e B(1,0). Calcular la fuerza de atracción de las mismas.

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Campo eléctrico. Vector intensidad de campo eléctrico.

A comienzos del siglo XIX los físicos habían adquirido la costumbre de utiliza en el dominio de la electricidad el modelo de ‘acción a distancia’, ya que trabajaban con la teoría de Coulomb. Esta idea fue remplazada por una nueva idea debida principalmente a los trabajos de Michael Faraday.

A Michael Faraday la idea de que las cargas o los imanes actuasen a distancia a través del espacio vacío no le convencía, de modo que para explicar las fuerzas que actúan entre las cargas o los polos de los imanes tuvo que inventar “algo” que llenase el espacio y que conectase de algún modo una carga con otra o un polo del imán con el otro. Así nació el concepto de campo de fuerzas, en general.

¿Qué significa campo eléctrico? Una región del espacio donde existe una perturbación tal que a cada punto de dicha región le podemos asignar una magnitud vectorial, llamada intensidad de campo eléctrico E.

La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca en cualquier punto de dicha región una carga eléctrica de prueba (1C), se observa que se encuentra sometida a la acción de una fuerza (E). Este hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un campo eléctrico.

Un campo eléctrico es una región del espacio en el que la unidad de carga eléctrica está sometida a una fuerza de carácter eléctrico (E).

La intensidad de campo eléctrico en un punto (E) se define como la fuerza que actúa sobre la unidad de carga situada en él. Si es la intensidad de campo, sobre una carga Q actuará una fuerza (F).

Actividad: Deduce la ley de Coulomb a partir del vector intensidad de campo eléctrico.

Cuando frotamos el bolígrafo y este atrae a los papelitos (Cuerpo cargado +), ello es debido a que el bolígrafo ha desarrollado un campo de fuerzas eléctricas (E). Estamos hablando del campo eléctrico.

Líneas de campo eléctrico

Representación del campo. Un campo se representa dibujando las llamadas líneas de campo. Para el campo creado por una carga puntual, las líneas de campo son radiales.

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Aquí se muestra las líneas de campo para una distribución de cargas. Las líneas de campo no se pueden cortar, porque si lo hicieran en un punto habría dos valores distintos de intensidad de campo E.

Un campo eléctrico muy útil es el que se crea entre dos placas metálicas y paralelas (CONDENSADOR) conectadas a un generador de corriente continua; de ese modo las placas adquieren carga igual pero de signo contrario y en la zona que existe entre ellas se crea un campo uniforme

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Potencial

Potencial eléctrico. Hemos visto que si en el seno de un campo eléctrico E, situamos una carga de prueba positiva, ésta es repelida con una fuerza obligándola a un desplazamiento. Este desplazamiento sería hasta los límites del campo, que teóricamente están en el infinito. Llamamos potencial eléctrico V en un punto, al trabajo realizado por el campo para llevar una carga unidad positiva desde ese punto hasta el infinito.

Se mide en voltios [V]; un voltio es el trabajo de un julio sobre la carga de un culombio, es decir:

V = 1 J/1 C.

Diferencia de potencial entre dos puntos de un campo.

Supongamos que tenemos dos esferas: una con exceso de electrones (cargada negativamente) y otra con defecto de electrones (cargada positivamente). Decimos entonces que existe una diferencia de cargas eléctricas.

Si ahora unimos las dos bolas mediante un conductor eléctrico, los electrones en exceso de la bola cargada negativamente se ven atraídos por la carga positiva de la otra bola, y dado que existe un camino por donde se pueden desplazar los electrones de una bola a otra, aparece un movimiento de electrones, hasta que las cargas quedan compensadas, es decir, hasta que la diferencia de cargas deja de existir.

Como se puede observar, el sentido de la corriente eléctrica lo establecen los electrones que se desplazan desde la bola de carga negativa hacia la bola de carga positiva. Este desplazamiento es debido al trabajo que realiza el campo creado por las dos bolas. ¿Qué trabajo realizó el campo para trasladar un electrón de un punto a otro punto b?

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La diferencia de potencial o tensión eléctrica mide el trabajo realizado por el campo para llevar la carga de un punto a otro.

A la diferencia de cargas que se establece entre los dos cuerpos cargados eléctricamente, y que es la causante del movimiento de electrones, se la conoce por el nombre de tensión o diferencia de potencial.

Para medir la tensión eléctrica se precisa de un aparato de medida que sea capaz de captar la diferencia de cargas entre un punto y otro. El voltímetro se conecta siempre ente los dos puntos entre los que se quiere determinar la tensión. Esta forma de conectar el voltímetro se denomina “conexión en paralelo o derivación”