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FÍSICA 3Ing. Joaquín Salazar Cruz
PROGRAMALIBRO DE TEXTO
LIBRETA DE APUNTESASISTENCIAS
LABORATORIOPUNTUACIÓNPREGUNTAS
PROPÓSITO DE LA UNIDAD:UTILIZAR LOS CONCEPTOS, PRINCIPIOS Y
LEYES DE LA ELECTRICIDAD EN SITUACIONES REALES DELA VIDA DIARIA MEDIANTE LA
SOLUCIÓN DE EJERCICIOS
UNIDAD 1:ELECTRICIDAD
ELECTRICIDAD
LA APARICIÓN DE LA ELECTRICIDAD FUE UNO DE LOS INVENTOS MÁS IMPORTANTES DE LA HISTORIA DE LA FÍSICA; SIN ELLA, NO SERÍA POSIBLE REALIZAR MUCHAS COSAS DE LAS QUE HACEMOS AHORA COMO….
TELEVISIÓN VIDEOJUEGOS
ELECTRICIDAD
TELÉFONO COMPUTADORAS
ELECTRICIDAD
COCINAR LEER
ELECTRICIDAD
ELECTRICIDAD
CONTENIDO:
ELECTROSTÁTICA
CORRIENTE ELÉCTRICA
MAGNETISMO
ELECTRICIDAD
CONTENIDO:
ELECTROSTÁTICA
CORRIENTE ELÉCTRICA
MAGNETISMO
ELECTROSTÁTICA
CONCEPTO DE ELECTROSTÁTICACARGA ELÉCTRICAFORMAS DE ELECTRIZAR CUERPOSMATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORESLEY DE COULOMBCAMPO ELÉCTRICO
ELECTROSTÁTICA
ELECTROSTÁTICA
SI FROTAS UN PEINE O UN
GLOBO EN TU CABELLO O BIEN UNA REGLA CON UNA FRANELA, OBSERVARÁS QUE EL PEINE, EL GLOBO Y LA REGLA TINEN UNA NUEVA PROPIEDAD: LA DE ATRAER CUERPOS LIGEROS, COMO PEDACITOS DE PAPEL
ELECTROSTÁTICA
TODOS LOS ANTERIORES SON EJEMPLOS DE FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS Y TIENEN QUE VER CON LAS CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO
ELECTROSTÁTICA
LA PARTE DE LA FÍSICA QUE ESTUDIA LOS FENÓMENOS RELACIONADOS CON LAS CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO ES LA ELECTROSTÁTICA
CARGA ELÉCTRICA
COMO SE DIJO ANTES, AL FROTAR UN PEINE DE PLÁSTICO CONTRA EL PELO, SE CONSTATA QUE EL PEINE HA ADQUIRIDO UNA NUEVA PROPIEDAD AL SER CAPAZ DE ATRAER PEDACITOS DE PAPEL. A ESTA PROPIEDAD SE LE CONOCE CON EL NOMBRE DE CARGA ELÉCTRICA
CARGA ELÉCTRICA
SE DICE QUE LOS MATERIALES QUE SE COMPORTAN COMO EL PEINE ESTÁN ELECTRIZADOS O SE HAN CARGADO ELÉCTRICAMENTE
CARGA ELÉCTRICA
ASÍ, LA CARGA ELÉCTRICA ES LA PROPIEDAD QUE POSEEN ALGUNOS CUERPOS CUANDO, AL SER FROTADOS, SON CAPACES DE ATRAER OBJETOS LIVIANOS
CARGA ELÉCTRICA
LAS CARGAS ELÉCTRICAS PUEDEN SER POSITIVAS O NEGATIVAS.
DOS CUERPOS CARGADOS ELÉCTRICAMENTE SE ATRAEN O REPELEN DEPENDIENDO DE SU CARGA
CARGA ELÉCTRICA
CARGAS DEL MISMO SIGNO SE REPELEN:
CARGAS DE SIGNOS CONTRARIOS SE ATRAEN
- -
+ -
+ +
CARGA ELÉCTRICA
PARA ENTENDER MEJOR EL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS CUERPOS HAY QUE ANALIZAR LAS DOS PARTÍCULAS ELEMENTALES DE LOS ÁTOMOS: LOS PROTONES Y LOS ELECTRONES. LOS PROTONES (JUNTO CON LOS NEUTRONES) FORMAN EL NÚCLEO DEL ÁTOMO Y LOS ELECTRONES ORBITAN ALREDEDOR DE ÉSTE
CARGA ELÉCTRICA
CARGA ELÉCTRICA
LOS PROTONES PRESENTAN CARGA ELÉCTRICA POSITIVA Y LOS ELECTRONES CARGA ELÉCTRICA NEGATIVA
LOS ÁTOMOS SON NEUTROS YA QUE SU NÚMERO DE PROTONES ES IGUAL AL NÚMERO DE ELECTRONES
CARGA ELÉCTRICA
COMO TODOS LOS CUERPOS ESTÁN FORMADOS POR ÁTOMOS POSEEN CARGAS ELÉCTRICAS; NO LAS NOTAMOS PORQUE ESAS CARGAS ESTÁN EQUILIBRADAS
LAS PROPIEDADES ELÉCTRICAS SE PRESENTAN EN UN CUERPO CUANDO SUS CARGAS ESTÁN DESEQUILIBRADAS, ES DECIR, CUANDO HAY UN MAYOR (O MENOR) NÚMERO DE ELECTRONES QUE DE PROTONES
CARGA ELÉCTRICA
LA CARGA ELÉCTRICA DE UN CUERPO ES LA DIFERENCIA ENTRE SUS CARGAS POSITIVAS Y NEGATIVAS.
NORMALMENTE SE LE REPRESENTA CON LA LETRA q Y EN EL SISTEMA INTERNACIONAL LA UNIDAD ES EL COULOMB (SE PRONUNCIA CULOM O CULOMBIO)
CARGA ELÉCTRICA
UN COULOMB (C) ES UNA UNIDAD DEMASIADO GRANDE PARA LAS CANTIDADES DE CARGA POR LO QUE SUELE USARSE EL MILICOULOMB (mC) Y EL MICROCOULOMB (µC)
LA CARGA ELEMENTAL (YA SEA DEL ELECTRÓN O DEL PROTÓN) ES 1.6 x 10 –19 C. LA CARGA DEL ELECTRÓN ES NEGATIVA Y SE LE SIMBOLIZA COMO e
CARGA ELÉCTRICA
LA CARGA ELÉCTRICA DE UN CUERPO ES UN MÚLTIPLO ENTERO DE LA CARGA ELEMENTAL; MATEMÁTICAMENTE:
q = ne
carga = número de electrones por la carga elemental
CARGA ELÉCTRICA
EXPERIMENTALMENTE SE HA ENCONTRADO QUE LA CARGA TOTAL DE UN SISTEMA AISLADO PERMANECE CONSTANTE. EN OTRAS PALABRAS, LA CARGA NO SE CREA NI SE DESTRUYE ÚNICAMENTE CAMBIA DE LUGAR
FORMAS DE ELECTRIZAR CUERPOS
LAS FORMAS DE CARGAR ELÉCTRICAMENTE UN CUERPO SON TRES:
FROTAMIENTOINDUCCIÓNCONTACTO
FORMAS DE ELECTRIZAR CUERPOS
LA CARGA POR FROTAMIENTO ES LA QUE
SE PRODUCE AL FROTAR UN CUERPO CONTRA OTRO. EN ESTE PROCESO DESPRENDEMOS LOS ELECTRONES DE AQUEL MATERIAL AL QUE SE ENCUENTRAN MÁS DÉBILMENTE ATRAÍDOS DE MODO QUE ÉSTE QUEDA CARGADO POSITIVAMENTE Y EL OTRO NEGATIVAMENTE
FORMAS DE ELECTRIZAR CUERPOS
SI ACERCAMOS UN OBJETO CON CARGA A UNA SUPERFICIE CONDUCTORA, AÚN SIN CONTACTO FÍSICO LOS ELECTRONES SE MUEVEN EN LA SUPERFICIE CONDUCTORA.
LA INDUCCIÓN ES UN PROCESO DE CARGA DE UN OBJETO SIN CONTACTO DIRECTO.
FORMAS DE ELECTRIZAR CUERPOS
DURANTE LAS TORMENTAS ELÉCTRICAS SE LLEVAN A CABO PROCESOS DE CARGA POR INDUCCIÓN. LA PARTE INFERIOR DE LAS NUBES, DE CARGA NEGATIVA, INDUCE UNA CARGA POSITIVA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE.
FORMAS DE ELECTRIZAR CUERPOS
SE PUEDE TRANSFERIR ELECTRONES DE UN MATERIAL A OTRO POR SIMPLE CONTACTO.
SI EL OBJETO ES BUEN CONDUCTOR LA CARGA SE DISTRIBUYE EN TODA SU SUPERFICIE PORQUE LAS CARGAS IGUALES SE REPELEN ENTRE SÍ.
SI SE TRATA DE UN MAL CONDUCTOR PUEDE SER NECESARIO TOCAR CON LA BARRA VARIAS PARTES DEL OBJETO PARA OBTENER UNA DISTRIBUCIÓN DE CARGA MÁS O MENOS UNIFORME.
MATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORES
CUANDO UN CUERPO NEUTRO ES ELECTRIZADO, SUS CARGAS ELÉCTRICAS, BAJO LA ACCIÓN DE LAS FUERZAS CORRESPONDIENTES, SE REDISTRIBUYEN HASTA ALCANZAR UNA SITUACIÓN DE EQUILIBRIO.
MATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORES
CONDUCTORES SON MATERIALES QUE LLEVAN LA ELECTRICIDAD Y LA DEJAN PASAR POR ELLOS.
AISLANTES O AISLADORES, AL CONTRARIO, SON LOS MATERIALES QUE NO DEJAN PASAR LA ELECTRICIDAD Y LA AISLAN.
LEY DE COULOMB
DOS CUERPOS CARGADOS ELÉCTRICAMENTE SE ATRAEN O SE REPELEN DE ACUERDO CON LA REGLA DE LOS SIGNOS.
¿QUÉ TAN FUERTE ES ESA ATRACCIÓN O REPULSIÓN?
¿DE QUÉ DEPENDE?
LEY DE COULOMB
CHARLES COULOMB, A TRAVÉS DE SUS MEDICIONES EFECTUADAS DEDUJO LA LEY QUE RIGE DICHAS FUERZAS DE ATRACCIÓN Y DE REPULSIÓN.
LEY DE COULOMB
LA FUERZA DE ATRACCIÓN O DE REPULSIÓN ENTRE DOS CARGAS ELÉCTRICAS ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL PRODUCTO DE LAS CARGAS E INVERSAMENTE PROPORCIONAL AL CUADRADO DE LA DISTANCIA ENTRE ELLAS
LEY DE COULOMB
MATEMÁTICAMENTE:
DONDE k ES UNA CONSTANTE CUYO VALOR ES 9 x 109 Nm2/C2
LEY DE COULOMB
ESTA LEY ES MUY PARECIDA A LA LEY DE LA GRAVITACIÓN UNIVERSAL.
LA LEY DE COULOMB DICE QUE DOS CUERPOS SE ATRAEN O SE REPELEN CON MÁS FUERZA MIENTRAS MÁS:
A. CARGADOS ELÉCTRICAMENTE ESTÁN CADA UNO
B. CERCA ESTÉN ENTRE SÍ
LEY DE COULOMB
TAMBIÉN NOS INDICA SI LA FUERZA ES DE ATRACCIÓN O REPULSIÓN. CUANDO EL RESULTADO ES NEGATIVO LA FUERZA ES DE ATRACCIÓN; SI EL SIGNO ES POSITIVO LA FUERZA ES DE REPULSIÓN.
LAS FUERZAS ELECTROSTÁTICAS, AL IGUAL QUE LAS GRAVITACIONALES, SE PUEDEN EJERCER A DISTANCIA SIN NECESITAR UN MEDIO MATERIAL PARA TRANSMITIRSE
CAMPO ELÉCTRICO
DE LA MISMA MANERA QUE LA TIERRA O CUALQUIER OTRO CUERPO CON MASA TIENEN A SU ALREDEDOR UNA REGIÓN DONDE DEJAN SENTIR SU INFLUENCIA SOBRE OTRA MASA, LA CARGA ELÉCTRICA CREA UNA REGIÓN ALREDEDOR DE ELLA LLAMADA CAMPO ELÉCTRICO
CAMPO ELÉCTRICO
ASÍ, EL CAMPO ELÉCTRICO ES UNA REGIÓN DEL ESPACIO QUE RODEA A UNA CARGA O A UN CONJUNTO DE CARGAS ELÉCTRICAS.
EN ESTA REGIÓN, OTRA CARGA SENTIRÁ UNA FUERZA DE ATRACCIÓN O DE REPULSIÓN DE ACUERDO CON SU TIPO DE CARGA
CAMPO ELÉCTRICO
LA FUERZA DE ATRACCIÓN O DE REPULSIÓN QUE EXPERIMENTA UNA CARGA EN EL CAMPO ELÉCTRICO PRODUCIDO POR OTRA CARGA ELÉCTRICA DEPENDE DE LA POSICIÓN EN LA QUE SE ENCUENTRE DICHO CAMPO.
CAMPO ELÉCTRICO
SE DEFINE INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO (E) COMO LA MEDIDA DE LA FUERZA POR UNIDAD DE CARGA QUE VA A SENTIR UNA CARGA q PUESTA EN UN PUNTO CUALQUIERA DEL CAMPO
CAMPO ELÉCTRICO
ESTA FUERZA SE CALCULA CON LA EXPRESIÓN
F = Eq
DONDE F ES LA FUERZA ELÉCTRICA, E LA INTENSIDAD DEL CAMPO Y q LA CARGA ELÉCTRICA ; LA UNIDAD EN EL SI ES N/C
CAMPO ELÉCTRICO
PARA CONOCER LA INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO SE COLOCA UNA CARGA DE PRUEBA POSITIVA MUY PEQUEÑA PARA NO ALTERAR EL CAMPO ELÉCTRICO QUE SE QUIERE MEDIR Y SE DETERMINA LA FUERZA QUE EXPERIMENTA DICHA CARGA DE PRUEBA
CAMPO ELÉCTRICO
LA INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO ES UNA MAGNITUD VECTORIAL; SU DIRECCIÓN Y SENTIDO EN UN PUNTO CUALQUIERA SERÁ IGUAL AL DE LA FUERZA ELÉCTRICA QUE SE EJERCE SOBRE LA CARGA DE PRUEBA POSITIVA
CAMPO ELÉCTRICO
UNA FORMA ÚTIL DE REPRESENTAR EL CAMPO ELÉCTRICO ES EMPLEANDO LAS LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO TAMBIÉN LLAMADAS LÍNEAS DE FUERZA. ESTAS LÍNEAS REPRESENTAN LA TRAYECTORIA QUE SEGUIRÍA UNA CARGA POSITIVA EN DICHO CAMPO.
CAMPO ELÉCTRICO
+
CONFIGURACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO PRODUCIDO POR UNA CARGA PUNTUAL POSITIVA
CAMPO ELÉCTRICO
CONFIGURACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO PRODUCIDO POR UNA CARGA PUNTUAL NEGATIVA
–
CAMPO ELÉCTRICO
CONFIGURACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO PRODUCIDO POR DOS CARGAS DE DIFERENTE SIGNO
+ –
CAMPO ELÉCTRICO
CONFIGURACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO PRODUCIDO POR DOS CARGAS DEL MISMO SIGNO
++
CAMPO ELÉCTRICO
SI UNA PEQUEÑA CARGA POSITIVA SE ENCUENTRA UBICADA A CIERTA DISTACIA DE UNA ESFERA CARGADA POSITIVAMENTE Y SE APROXIMA, SE INVIERTE ENERGÍA EN REALIZAR UN TRABAJO EN CONTRA DE LA FUERZA DE REPULSIÓN.A LA ENERGÍA QUE AHORA POSEE ESA PEQUEÑA CARGA EN VIRTUD DE SU POSICIÓN SE LE CONOCE COMO ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA
CAMPO ELÉCTRICO
SI SE SOLTARA DICHA CARGA, ÉSTA SE ALEJARÍA, CONVIRTIENDO SU ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTICA EN ENERGÍA CINÉTICA
CAMPO ELÉCTRICO
SI EN LUGAR DE ACERCAR UNA CARGA POSITIVA ACERCAMOS DOS, SE REALIZA EL DOBLE DE TRABAJO, POR LO QUE LA ENERGÍA POTENCIAL SERÁ EL DOBLE.
COMO RESULTADO DE ESTA SITUACIÓN, LOS FÍSICOS DEFINEN UNA MAGNITUD LLAMADA POTENCIAL ELÉCTRICO O SIMPLEMENTE POTENCIAL.
CAMPO ELÉCTRICO
EL POTENCIAL ELÉCTRICO SE DEFINE COMO LA ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA POR UNIDAD DE CARGA EN UN PUNTO. ES DECIR:
CAMPO ELÉCTRICO
LA UNIDAD DEL POTENCIAL ELÉCTRICO ES EL VOLT (VOLTIO) CUYO SÍMBOLO ES V.
UN VOLTIO ES IGUAL A UN JOULE (JULIO) DE ENERGÍA POTENCIAL POR UN CULOMBIO DE CARGA ELÉCTRICA
POTENCIAL ELÉCTRICO
COMO YA ESTABLECIMOS TODA CARGA ELÉCTRICA POSEE UNA ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA DEBIDA A SU CAPACIDAD PARA REALIZAR TRABAJO SOBRE OTRAS CARGAS
POTENCIAL ELÉCTRICO
EL POTENCIAL ELÉCTRICO ES UNA MAGNITUD ESCALAR COMO LO ES CUALQUIER CLASE DE ENERGÍA
POTENCIAL ELÉCTRICO
ASÍ SE CONCIBE EL POTENCIAL ELÉCTRICO COMO EL TRABAJO QUE SE NECESITA REALIZAR PARA TRANSPORTAR A LA UNIDAD DE CARGA POSITIVA DESDE EL POTENCIAL CERO HASTA UN PUNTO DETERMINADO
POTENCIAL ELÉCTRICO
POTENCIAL ELÉCTRICO
UNA DE LAS FORMAS MÁS APROPIADAS DE ENTENDER POTENCIAL ELÉCTRICO ES COMPARARLO CON LA ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL
POTENCIAL ELÉCTRICO
EN EL CASO DE LA ENERGÍA GRAVITACIONAL SE CONSIDERA QUE LA MASA m SE MUEVE DEL NIVEL A AL NIVEL B. DEBE APLICARSE UNA FUERZA EXTERNA F IGUAL AL PESO (mg) PARA MOVER LA MASA EN CONTRA DE LA GRAVEDAD
NIVEL B
NIVEL A
g h
m
mg
F
mg
mg
EP=mgh EC=1/2mv2
POTENCIAL ELÉCTRICO
EL TRABAJO REALIZADO POR LA FUERZA F ES EL PRODUCTO DE mg POR h. CUANDO LA MASA ALCANZA EL NIVEL B, TIENE UN POTENCIAL PARA REALIZAR TRABAJO CON RELACIÓN AL NIVEL A
NIVEL B
NIVEL A
g h
m
mg
F
mg
mg
EP=mgh EC=1/2mv2
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
POTENCIAL ELÉCTRICO
AHORA CONSIDEREMOS UNA CARGA POSITIVA +q QUE SE ENCUENTRA EN EL PUNTO A DENTRO DE UN CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME E CONSTITUIDO ENTRE DOS LÁMINAS CON CARGA OPUESTA
E d
q
qE
F
qE qE
EP=q Ed EC=1/2mv2
A
B
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
POTENCIAL ELÉCTRICO
UNA FUERZA ELÉCTRICA qE ACTÚA HACIA ABAJO SOBRE LA CARGA. EL TRABAJO REALIZADO EN CONTRA DEL CAMPO ELÉCTRICO PARA MOVER LA CARGA DESDE A HASTA B ES qEd.
E d
q
qE
F
qE qE
EP=q Ed EC=1/2mv2
A
B
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
POTENCIAL ELÉCTRICO
O SEA QUE LA ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA EN EL PUNTO B CON RELACIÓN AL PUNTO A ES
qEd
E d
q
qE
F
qE qE
EP=q Ed EC=1/2mv2
A
B
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
POTENCIAL ELÉCTRICO
CUANDO LA CARGA SE LIBERA EL CAMPO ELÉCTRICO DESARROLLARÁ ESTA CANTIDAD DE TRABAJO Y LA CARGA q TENDRÁ UNA ENERGÍA CINÉTICA ½ mv2
CUANDO RETORNA AL PUNTO A
E d
q
qE
F
qE qE
EP=q Ed EC=1/2mv2
A
B
POTENCIAL ELÉCTRICO
EN GENERAL EL POTENCIAL ELÉCTRICO V EN CUALQUIER PUNTO DE UN CAMPO ELÉCTRICO ES IGUAL AL TRABAJO QUE SE NECESITA REALIZAR PARA TRANSPORTAR A LA UNIDAD DE CARGA POSITIVA q DESDE EL POTENCIAL CERO HASTA EL PUNTO CONSIDERADO
TV
q
DONDE V ES EL POTENCIAL ELÉCTRICO (EN VOLTIOS), T EL TRABAJO (EN JULIOS) Y q LA CARGA (EN CULOMBIOS)
POTENCIAL ELÉCTRICO
EN GENERAL EL POTENCIAL ELÉCTRICO V EN CUALQUIER PUNTO DE UN CAMPO ELÉCTRICO ES IGUAL AL TRABAJO QUE SE NECESITA REALIZAR PARA TRANSPORTAR A LA UNIDAD DE CARGA POSITIVA q DESDE EL POTENCIAL CERO HASTA EL PUNTO CONSIDERADO
TV
q
ES UNA MAGNITUD ESCALAR
POTENCIAL ELÉCTRICO
TAMBIÉN SE DEFINE COMO LA ENERGÍA POTENCIAL QUE POSEE LA UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA POSITIVA EN UN PUNTO DETERMINADO
EPV
q
DONDE V ES EL POTENCIAL ELÉCTRICO (EN VOLTIOS), EP LA ENERGÍA POTENCIAL (EN JULIOS) Y q LA CARGA (EN CULOMBIOS)
POTENCIAL ELÉCTRICO
DETERMINACIÓN DEL VALOR DEL POTENCIAL ELÉCTRICO EN UN PUNTO
POTENCIAL ELÉCTRICO
CONSIDEREMOS UNA CARGA PUNTUAL POSITIVA Q. COMO YA SABEMOS SU CAMPO ELÉCTRICO ESTÁ DIRIGIDO RADIALMENTE HACIA AFUERA; CONSIDEREMOS TAMBIÉN UNA CARGA POSITIVA q DE PRUEBA QUE SEA OBLIGADA A ACERCARSE, EN CONTRA DE SU REPULSIÓN DEL PUNTO 1 AL 2
POTENCIAL ELÉCTRICO
+ +
12 q
COMO YA SABEMOS:
1 2
1
kQE
r
00000000000000
2 2
2
kQE
r
00000000000000
POTENCIAL ELÉCTRICO
+ +
12 q
COMO:
F Eq0000000000000000000000000000
1 2
kQqF
r r
00000000000000
POTENCIAL ELÉCTRICO
+ +
12 q
FINALMENTE:
2 1
kQqT
r
POTENCIAL ELÉCTRICO
+ +
12 q
ASÍ:
kQqEP
r
POTENCIAL ELÉCTRICO
+ +
12 q
POR LO QUE:
kQV
r
CORRIENTE ELÉCTRICA
¿TE HAS PREGUNTADO CÓMO LLEGA LA ENERGÍA ELÉCTRICA A TU CASA?
LA ELECTRICIDAD ES PRODUCIDA EN CENTRALES ELÉCTRICAS POR
GRANDES GENERADORES
ESTOS GENERADORES SON IMPULSADOS POR VAPOR, POR
REACCIONES NUCLEARES, POR LA CAÍDA DEL AGUA O BIEN POR EL VIENTO
LA ELECTRICIDAD GENERADA EN LAS CENTRALES ELÉCTRICAS ES
CONDUCIDA A TRAVÉS DE UNA RED DE CABLES HASTA NUESTRAS CASAS
LOS TRANSFORMADORES SON UNOS DISPOSITIVOS UTILIZADOS PARA AUMENTAR O BIEN DISMINUIR EL
VOLTAJE
PARA LA ALIMENTACIÓN DEL CABLEADO CALLEJERO LOS
TRANSFORMADORES AUMENTAN EL VOLTAJE
PARA LA ALIMENTACIÓN DE NUESTRAS CASA LOS TRANSFORMADORES
DISMINUYEN EL VOLTAJE
ESQUEMÁTICAMENTE:
CENTRAL ELÉCTRICA
TRANSFORMADORELEVADOR
TRANSFORMADORREDUCTOR
CASASESCUELASOFICINAS
HOSPITALES
AHORA BIEN, ¿QUÉ ES LO QUE SE “MUEVE” EN LOS CABLES PARA QUE LA ENERGÍA ELÉCTRICA QUE ESTÁ EN UN EXTREMO DE LOS CABLES LLEGUE AL
OTRO?
CUANDO LAS CARGAS ELÉCTRICAS COMIENZAN A MOVERSE Y FLUYEN DE UN CUERPO A OTRO, O DENTRO DEL MISMO MATERIAL, SE DICE QUE SE
ESTÁ GENERANDO UNA CORRIENTE ELÉCTRICA
UNA CORRIENTE ELÉCTRICA ES EL DESPLAZAMIENTO CONTINUO DE
ELECTRONES O DE CARGAS ELÉCTRICAS
– – –
E
EL FLUJO DE ELECTRONES ES EN DIRECCIÓN CONTRARIA AL CAMPO ELÉCTRICO
EL CAMINO POR EL QUE LA CORRIENTE SE DESPLAZA RECIBE EL NOMBRE DE
CIRCUITO ELÉCTRICO
BÁSICAMENTE UN CIRCUITO ELÉCTRICO CONSTA DE
UNA FUENTE DE ENERGÍA
ALAMBRES CONDUCTORES
UN DISPOSITIVO QUE APROVECHE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Circuito eléctrico
Circuito básico con elemento de protección
AL DISPOSITIVO QUE VUELVE APROVECHABLE LA ENERGÍA SE LE
LLAMA CARGA
¿CÓMO CUANTIFICAR LAS CARGAS QUE FLUYEN EN UN CIRCUITO?
LA INTENSIDAD DE CORRIENTE ES LAS CANTIDAD DE CARGAS QUE
PASAN POR EL ÁREA TRANSVERSAL DE UN CONDUCTOR EN LA UNIDAD
DE TIEMPO
MATEMÁTICAMENTE
qI
t
DONDE I ES LA INTENSIDAD DE CORRIENTE, q LA CARGA Y t EL TIEMPO
MATEMÁTICAMENTE
qI
t
EN EL SISTEMA INTERNACIONAL LA INTENSIDAD SE MIDE EN AMPERIOS Y
SE REPRESENTA CON LA LETRA A
MATEMÁTICAMENTE
qI
t
SE TIENE CORRIENTE DE 1 AMPERIO CUANDO POR EL ÁREA TRANSVERSAL DEL CONDUCTOR PASA UNA CARGA DE
1 COULOMB CADA SEGUNDO
COMO YA SE DIJO, LA CORRIENTE ELÉCTRICA SE ORIGINA POR EL MOVIMIENTO O FLUJO DE ELECTRONES A TRAVÉS DE UN CONDUCTOR, DEBIDO A LA EXISTENCIA DE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL
SI SE DESEA QUE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA FLUYA CONTINUAMENTE POR UN CONDUCTOR, DEBE EXISTIR UN SUMINISTRO CONSTANTE DE ELECTRONES EN UN EXTREMO DEL MISMO Y UNA SALIDA DE ELLOS POR EL OTRO.
PARA OBTENER UN SUMINISTRO CONTINUO DE ELECTRONES SE UTILIZAN PILAS Y GENERADORES ELÉCTRICOS
UNA PILA ES UN DISPOSITIVO QUE TRANSFORMA LA ENERGÍA QUÍMICA EN ELÉCTRICA
UN GENERADOR ES UN APARATO QUE TRANSFORMA ENERGÍA MECÁNICA EN ELÉCTRICA
UNA PILA O UN GENERADOR LLEVAN A LOS ELECTRONES DE UN PUNTO DE MENOR POTENCIAL A OTRO MAYOR.
ESTA DIFERENCIA IMPULSA LA CORRIENTE ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL CONDUCTOR POR LO QUE SE LE DENOMINA FUERZA ELECTROMOTRIZ DE LA PILA O GENERADOR
LA FUERZA ELECTROMOTIRZ (fem) MIDE LA CANTIDAD DE ENERGÍA QUE PROPORCIONA UN ELEMENTO GENERADOR DE
POR TANTO LA FUERZA ELECTROMOTRIZ APLICADA EN UN CIRCUITO ELÉCTRICO ES IGUAL A LA ENERGÍA SUMINISTRADA PARA QUE LA UNIDAD DE CARGA RECOORRA EL CIRCUITO COMPLETO
MATEMÁTICAMENTE:
T
q
DONDE ε ES LA fem EN VOLTIOS T ES EL TRABAJO PARA QUE LA CARGA RECORRA TODO EL CIRCUITO EN JULIOS q ES LA CARGA EN CULOMBIOS
TODOS LOS MATERIALES PRESENTAN CIERTA OPOSICIÓN AL FLUJO DE ELECTRONES O CORRIENTE ELÉCTRICA PERO UNOS OBSTRUYEN LA CIRCULACIÓN MÁS QUE OTROS.
ESTO SE DEBE A QUE EN LOS ÁTOMOS DE ALGUNOS MATERIALES LOS ELECTRONES EXTERNOS SON CEDIDOS CON RELATIVA FACILIDAD, DISMINUYENDO LA RESISTENCIA AL PASO DE LA CORRIENTE
POR DEFINICIÓN, LA RESISTENCIA ELÉCTRICA ES LA OPOSICIÓN QUE PRESENTA UN CONDUCTOR AL PASO DE LA CORRIENTE O FLUJO DE ELECTRONES
COMO SABEMOS, LA CORRIENTE ELÉCTRICA CIRCULA CON RELATIVA FACILIDAD EN LOS METALES, POR ELLO SE UTILIZAN EN LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS PARA CONDUCIR LA ENERGÍA ELÉCTRICA Y SE DENOMINAN CONDUCTORES
EN CAMBIO, EXISTEN OTROS MATERIALES, COMO EL HULE, LA MADERA, EL PLÁSTICO EL VIDRIO Y OTROS QUE PRESENTAN GRAN DIFICULTAD PARA PERMITIR EL PASO DE LA CORRIENTE POR LO QUE SON LLAMADOS AISLANTES
LOS ALAMBRES DE CONEXIÓN EN LOS CIRCUITOS CASI SIEMPRE ESTÁN PROTEGIDOS CON HULE O ALGÚN OTRO ASILANTE A FIN DE EVITAR QUE LA CORRIENTE PASE DE UN ALAMBRE A OTRO
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN CONDUCTOR
LA NATURALEZA DEL CONDUCTOR: SI TOMAMOS ALAMBRES DE LA MISMA LONGITUD Y SECCIÓN TRANSVERSAL DE PLATA, COBRE, ALUMINIO Y HIERRO, SE PUEDE VERIFICAR QUE LA PLATA TIENE UNA MENOR RESISTENCIA Y QUE EL HIERRO ES EL DE MAYOR VALOR DE LOS CUATRO
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN CONDUCTOR
LA LONGITUD DEL CONDUCTOR: A MAYOR LONGITUD MAYOR RESISTENCIA. SI SE DUPLICA LA LONGITUD DEL ALAMBRE, TAMBIÉN LO HACE SU RESISTENCIA
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN CONDUCTOR
LA SECCIÓN O ÁREA TRANSVERSAL: AL DUPLICARSE LA SUPERFICIE DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL, SE REDUCE LA RESISTENCIA A LA MITAD
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN CONDUCTOR
LA TEMPERATURA: EN EL CASO DE LOS METALES SU RESISTENCIA AUMENTA CASI EN FORMA PROPORCIONAL A SU TEMPERATURA
LA RESISTENCIA QUE CORRESPONDE A CADA MATERIAL RECIBE EL NOMBRE DE RESISTENCIA ESPECÍFICA O RESISTIVIDAD (ρ)
LA RESISTIVIDAD DE UNA SUSTANCIA A UNA DETERMINADA TEMPERATURA ESTÁ DEFINIDA COMO LA RESISTENCIA DE UN ALAMBRE DE DETERMINADA SUSTANCIA DE UN METRO DE LARGO Y DE UN METRO CUADRADO DE SUPERFICIE
A MEDIDA QUE LA RESISTIVIDAD DE UN ALAMBRE AUMENTA, DISMINUYE SU CAPACIDAD DE CONDUCIR CORRIENTE ELÉCTRICA
LA CONDUCTIVIDAD (σ) SE EMPLEA PARA ESPECIFICAR LA CAPACIDAD DE UN MATERIAL PARA CONDUCIR LA CORRIENTE
LA CONDUCTIVIDAD SE DEFINE COMO LA INVERSA DE LA RESISTIVIDAD
1conductividad
resistividad
1
LA UNIDAD EMPLEADA PARA MEDIR LA RESISTENCIA ELÉCTRICA ES EL OHM EN HONOR AL FÍSICO ALEMÁN GEORGE SIMON OHM
EL OHM ES LA RESISTENCIA OPUESTA A UNA CORRIENTE CONTINUA DE ELECTRONES POR UNA COLUMNA DE MERCURIO A 0°C DE 1 mm2 DE SECCIÓN TRANSVERSAL Y 106.3 cm DE LARGO
EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES LA UNIDAD DE RESISTENCIA EL VOLTIO/AMPERE
11
1
V
A
LA RESISTENCIA DE UN ALAMBRE CONDUCTOR A UNA DETERMINADA TEMPERATURA ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL A SU LONGITUD E INVERSAMENTE PROPORCIONAL AL ÁREA DE SU SECCIÓN TRANSVERSAL
LR
A
GEORGE SIMON OHM OBSERVÓ QUE SI AUMENTA LA DIFERENCIA DE POTENCIAL EN UN CIRCUITO, MAYOR ES LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
TAMBIÉN COMPROBÓ QUE AL INCREMENTAR LA RESISTENCIA DEL CONDUCTOR, DISMINUYE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
CON BASE EN ESAS OBSERVACIONES ENUNCIÓ SU LEY:LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA QUE PASA POR UN CONDUCTOR EN UN CIRCUITO ES DIRECTAMENTE PROPORCIONA LA DIFERENCIA DE POTENCIAL APLICADO A SUS EXTREMOS E INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA RESISTENCIA DEL CONDUCTOR
MATEMÁTICAMENTE:
VIR
DONDE V ES LA DIFERENCIA DE POTENCIAL (EN VOLTIOS), R ES LA RESISTENCIA (EN OHMIOS), I ES LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (EN AMPERIOS)
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
UN CIRCUITO ELÉCTRICO ES UN SISTEMA EN EL CUAL LA CORRIENTE FLUYE POR UN CONDUCTOR EN UNA TRAYECTORIA COMPLETA DEBIDO A UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL
UN FOCO CONECTADO A UNA PILA MEDIANTE UN CONDUCTOR ES UN EJEMPLO DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO
EN CUALQUIER CIRCUITO ELÉCTRICO POR DONDE SE DESPLAZAN LOS ELECTRONES A TRAVÉS DE UNA TRAYECTORIA CERRADA, EXISTEN LOS SIGUIENTES ELEMENTOS FUNDAMENTALES:
• VOLTAJE• CORRIENTE• RESISTENCIA
EL CIRCUITO ELÉCTRICO ESTÁ CERRADO CUANDO LA CORRIENTE ELÉCTRICA CIRCULA EN TODO EL SISTEMA Y ABIERTO CUANDO NO CIRCUILA POR ÉL
PARA ABRIR O CERRAR EL CIRCUITO SE EMPLEA UN INTERRUPTOR
LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS PUEDEN ESTAR CONECTADOS EN:
A. SERIE
B. PARALELO
C. EN FORMA MIXTA
A.CIRCUITOS EN SERIELOS ELEMENTOS CONDUCTORES ESTÁN UNIDOS UNO A CONTINUACIÓN DEL OTRO.
TODA LA CORRIENTE DEBE CIRCULAR A TRAVÉS DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS, DE MODO QUE, SI SE ABRE EL CIRCUITO EN CUALQUIER PARTE SE INTERRUMPE TOTALMENTE LA CORRIENTE
A.CIRCUITOS EN SERIELOS ELEMENTOS CONDUCTORES ESTÁN UNIDOS UNO A CONTINUACIÓN DEL OTRO.
EN ESTOS CIRCUITOS CIRCULA LA CORRIENTE EN CADA UNO DE LOS ELEMENTOS.
AL CONECTAR DOS O MÁS RESISTENCIAS EN SERIE SE PUEDE CALCULAR LA RESISTENCIA EQUIVALENTE QUE ES AQUELLA QUE PRESENTA LA MISMA OPOSICIÓN AL PASO DE LA CORRIENTE
R1
R3
R2
LA RESISTENCIA EQUIVALENTE ES:
Re = R1 + R2 + R3
R1
R3
R2
EL VOLTAJE SE REPARTE ENTRE CADA UNA DE LAS RESISTENCIAS.
EL VOLTAJE TOTAL ENTRE LA PRIMERA RESISTENCIA Y LA ÚLTILA RESISTENCIA EQUIVALENTE ES:
V = V1 + V2 + V3
B. CIRCUITOS EN PARALELOLOS ELEMENTOS CONDUCTORES ESTÁN SEPARADOS EN VARIOS RAMALES Y LA CORRIENTE ELÉCTRICA SE DIVIDE EN FORMA PARALELA ENTRE CADA UNO DE ELLOS
AL ABRIR EL CIRCUITO EN CUALQUIER PARTE, LA CORRIENTE NO SERÁ INTERRUMPIDA EN LAS DEMÁS
B. CIRCUITOS EN PARALELOLOS ELEMENTOS CONDUCTORES ESTÁN SEPARADOS EN VARIOS RAMALES Y LA CORRIENTE ELÉCTRICA SE DIVIDE EN FORMA PARALELA ENTRE CADA UNO DE ELLOS
AL CONECTAR DOS O MÁS RESISTENCIAS EN PARALELO SE PUEDE CALCULAR LA RESISTENCIA EQUIVALENTE
1 2 3
1 1 1 1
eR R R R
R1 R2 R3
1 2 3V V V V
R1 R2 R3
C. CIRCUITOS MIXTOSLOS ELEMENTOS CONDUCTORES SE CONECTAN 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 MANERA QUE SE SIMPLIFIQUE EL CIRCUITO HASTA ENCONTRAR LA RESISTENCIA EQUIVALENTE DE TODO EL SISTEMA ELÉCTRICO
POTENCIA ELECTRICA Como estudiaste anteriormente, la potencia equivale al trabajo realizado por unidad de tiempo.
TrabajoPotencia
tiempo
( )( )T en joules
P vatiost en segundos
POTENCIA ELECTRICA
La potencia eléctrica es la rapidez con la que se realiza un trabajo, también se interpreta como la energía que consume una máquina o cualquier dispositivo eléctrico en un segundo.
Como el trabajo es una forma de energía, tenemos:
Trabajo Potencia tiempo
POTENCIA ELECTRICA
En términos eléctrico, la energía eléctrica se mide en vatios-segundo o en kilovatios-hora
Con anterioridad vimos que:
T V q
P t V q
qP V
t
POTENCIA ELECTRICA
( )P V I vatios voltio amperio
POTENCIA ELECTRICA
Calcula el costo diario de consumo de energía eléctrica de un local comercial que vende televisores, si mantiene encendidos, durante siete horas, cuatro focos de 100 w cada uno y 10 televisores que consumen 90 w cada uno.
Determina la corriente total, si el voltaje nominal es de 127v
El costo por Kwh es de 0.709 (CFE, diciembre 2009)
MAGNETISMO
MAGNETISMO
Hace 2 000 años unos pastores de MAGNESIA sintieron una fuerte atracción hacia el suelo debido a la punta metálica de su bastón.
Interesados por encontrar la causa, removieron la tierra y descubrieron una roca negra la cual atraía el hierro. Hoy esta roca recibe el nombre de PIEDRA IMÁN o MAGNETITA
MAGNETISMO
MAGNETISMO
Más adelante la gente se dio cuenta que al colgar libremente un pedazo largo y delgado de esta roca de Magnesia, ésta daba varias vueltas hasta detenerse y apuntar siempre el mismo extremo hacia el Polo Norte geográfico
MAGNETISMO
MAGNETISMO
Posteriormente WILLIAM GILBERT demostró que la Tierra se comporta como un enorme imán .
También demostró que cuando un imán se rompe en varios pedazos, cada uno se convierte en un nuevo imán con sus respectivos polos magnéticos: POLOS IGUALES SE RECHAZAN Y POLOS DIFERENTES SE ATRAEN.
MAGNETISMO
Actualmente se sabe que la atracción ejercida por la roca negra sobre la punta metálica del bastón de los pastores se debió a su propiedad magnética.
MAGNETISMO es la propiedad que tienen los cuerpos llamados imanes de atraer al hierro, al níquel y al cobalto
MAGNETISMO
La importancia de los imanes y del magnetismo es muy grande y se utilizan en timbres, teléfonos, conmutadores, motores eléctricos……
MAGNETISMO
La mayoría de los imanes utilizados ahora son ARTIFICIALES pues se pueden fabricar con una mayor intensidad magnética que los NATURALES
MAGNETISMO
Muchos imanes se fabrican con aleaciones de hierro, níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto
MAGNETISMO
En la industria una barra de metal se imanta sometiéndola a la acción de un campo magnético producido por un solenoide en el que circula una corriente eléctrica
MAGNETISMO
Al momento de interrumpir la corriente cesa la imantación y por ello recibe el nombre de IMÁN TEMPORAL
MAGNETISMO
Cuando la imantación persiste incluso cuando la corriente eléctrica se interrumpe en el solenoide se dice que se obtuvo un IMÁN PERMANENTE
MAGNETISMO
Michael Faraday estudió los efectos producidos por los imanes. Observó que un imán permanente ejerce una fuerza sobre un trozo de hierro o sobre cualquier imán cercano a él debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos efectos se hacen sentir incluso en el vacío.
MAGNETISMO
Imaginó que de un imán salían hilos o líneas que se esparcían; a estas líneas se les llama LÍNEAS DE FUERZA MAGNÉTICA
MAGNETISMO
LÍNEAS DE FUERZA MAGNÉTICA
MAGNETISMO
LÍNEAS DE FUERZA MAGNÉTICA
BA
A en metros cuadrados y Ф en weberios
LOS RESULTADOS DE FARADAY TIENEN VARIAS CONSECUENCIAS PRÁCTICAS: CONDUJERON DIRECTAMENTE A LA INVENCIÓN DEL TRANSFORMADOR, EL ALTERNADOR Y EL GENERADOR, INVENTOS QUE JUNTO CON EL MOTOR ELÉCTRICO TRAJERON CONSIGO MUCHAS APLICACIONES DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
EL DESCUBRIMIENTO DE CORRIENTES INDUCIDAS DESEMBOCÓ EN EL DESARROLLO DE MÁQUINAS PRÁCTICAS PARA CONVERTIR LA ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA LLAMADAS GENERADORES ELÉCTRICOS
EL GENERADOR MÁS SIMPLE CONSTA DE UNA ESPIRA DE ALMABRE QUE DA VUELTAS EN UN CAMPO MAGNÉTICO
MAGNETISMO
LA OPERACIÓN Y EL DISEÑO DE UN MOTOR ELÉCTRICO SON SIMILARES A LOS DE UN GENERADOR AUNQUE FUNCIONA DE MODO INVERSO: CONVIERTE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN ENERGÍA MECÁNICA.
MAGNETISMO
EN EL CASO MÁS SIMPLE SE HACE CIRCULAR UNA CORRIENTE POR UNA ARMADURA DE UNA SOLA ESPIRA EN UN CAMPO NAGNÉTICO Y ESO PRODUCE EL GIRO DE LA MISMA
MAGNETISMO
UNA APLICACIÓN SUMAMENTE IMPORTANTE DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA ES EL TRANSFORMADOR, EL CUAL SE EMPLEA PARA AUMENTAR O DISMINUIR UN VOLTAJE SIN PÉRDIDAD APRECIABLE DE POTENCIA.
MAGNETISMO
UN TRANSFORMADOR CONSTA DE DOS BOBINAS DE ALAMBRE (LLAMADAS PRIMARIO Y SECUNDARIO), QUE SE ENROLLAN EN UN MISMO NÚCLEO DE HIERRO