Carga eléctrica
¿Qué es una carga eléctrica?
En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas y se evidencia por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, a través de campos electromagnéticos.
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La materia compuesta por átomos es eléctricamente neutra, es decir, no está cargada a menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica positiva (protones).
Sin embargo, la materia puede cargarse eléctricamente, es decir, puede ganar o perder carga, y así quedar cargada en forma negativa o positiva. La materia cargada genera un campo eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza.
Las cargas eléctricas no pueden crearse ni destruirse. La cantidad de carga eléctrica en el universo es constante, no cambia con el tiempo.
Los materiales responden de distinto modo a la inducción electromagnética. Algunos son conductores de la electricidad y otros son aislantes, es decir, no la conducen.
Conforme al Sistema Internacional de Medidas (SI), las cargas eléctricas se miden en una unidad llamada Coulombios o Coulombs (C). Su nombre se estableció en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), uno de los mayores estudiosos de este tipo de fenómenos físicos.
Una unidad de Coulomb se define como la cantidad de carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio por un conductor eléctrico en un segundo. Un amperio corresponde a 6,242 x 1018 electrones libres.
Tipos de carga eléctrica
Las baterías presentan un polo de carga negativa y otro de carga positiva.
Las cargas eléctricas interactúan entre sí de acuerdo a su tipo: pueden ser positivas o negativas, como las llamó Benjamín Franklin. Estas denominaciones son arbitrarias, es decir, no hay nada que distinga a la positiva de la negativa, pero se las piensa igual que a un dipolo magnético, como una batería, que posee un polo positivo (o norte) y un polo negativo (o sur).
La positiva se denota con el signo + y la negativa con el signo -, convencionalmente. Las cargas eléctricas de signos iguales se repelen. Las cargas eléctricas de signos opuestos se atraen.
Propiedades de la carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia, y reside en las partículas subatómicas: los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva (los neutrones carga neutra, como su nombre sugiere).
Cuando un objeto se carga eléctricamente, se debe a un desplazamiento en sus electrones, ya sea de pérdida (ganando carga positiva) o incorporación (ganando carga negativa). Por ende, un material con exceso de electrones en sus átomos exteriores presentará carga negativa, mientras que uno con déficit de ellos presentará carga positiva.
En un sistema cerrado, la carga eléctrica se mantiene constante, así como ocurre en cualquier reacción química.
Electrostática
¿Qué es la electrostática?
La electrostática es una rama de la Física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, o lo que es lo mismo, el comportamiento de las cargas eléctricas en situación de equilibrio. Dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen.
La electrostática surgió mucho antes de que se comprendiera que la electricidad y el magnetismo son fenómenos emparentados y que deben estudiarse conjuntamente.
Los antiguos griegos ya habían notado los extraños fenómenos que surgían de frotar un trozo de ámbar con lana u otros tejidos, y cómo atraían objetos pequeños con electricidad estática.
La formulación de la Ley de Coulomb en el siglo XVII y de las Leyes de Maxwell en el siglo XIX dio forma definitiva a esta disciplina de la física y sentó las bases para su inclusión en el estudio formal del electromagnetismo.
El objeto de estudio de la electrostática es la electricidad estática, definida como el fenómeno producido entre dos cuerpos que han acumulado una carga eléctrica, ya sea por inducción o por fricción.
· Carga eléctrica por frotación. Determinados objetos pueden cargarse eléctricamente tras ser frotados el uno contra el otro, ya que este contacto despoja de los electrones externos a uno y los transfiere al otro. Un objeto queda, entonces, cargado electronegativamente, mientras que el otro queda cargado electropositivamente.
· Carga eléctrica por inducción. Este mecanismo de carga eléctrica estática no requiere del contacto entre los materiales. Si un material está eléctricamente cargado con carga negativa y se lo acerca a un cuerpo eléctricamente neutro, los electrones de este último se sentirán repelidos por el exceso de electrones en el primer cuerpo y se moverán dentro del material hasta ubicarse lo más alejados posible del cuerpo cargado.
Fenómenos electrostáticos
Muchos fenómenos cotidianos nos permiten experimentar la electrostática, por ejemplo:
· Al peinarnos. Si el peine posee cierto tipo de material plástico aislante, al frotarlo repetidamente contra nuestro cabello se cargará de electrones y atraerá nuestro cabello, haciendo que se eleve o se ponga de punta. Incluso se puede usar ese peine cargado para atraer pequeños trozos de papel.
· Arrastrar los pies por la alfombra. Se debe tener puestas medias de tela, para que la electricidad estática se acumule en nuestro cuerpo y después podamos tocar a alguien directamente y sentir una pequeña descarga eléctrica entre las pieles.
Frotar un vidrio con un paño. Si el paño es lo suficientemente grueso, el vidrio (que es un aislante) quedará cargado eléctricamente y atraerá las pequeñas partículas que haya alrededor
Campo eléctrico
¿Qué es un campo eléctrico?
Un campo eléctrico es un campo físico o región del espacio que interactúa con cargas eléctricas o cuerpos cargados mediante una fuerza eléctrica. Su representación por medio de un modelo describe el modo en que distintos cuerpos y sistemas de naturaleza eléctrica interactúan con él.
Dicho en términos físicos, es un campo vectorial en el cual una carga eléctrica determinada (q) sufre los efectos de una fuerza eléctrica (F).
Estos campos eléctricos pueden ser consecuencia de la presencia de cargas eléctricas, o bien de campos magnéticos variables, como lo demostraron los experimentos de los científicos británicos Michel Faraday y James C. Maxwell.
Por esa razón, los campos eléctricos, en las perspectivas físicas contemporáneas, se consideran junto a los campos magnéticos para formar campos electromagnéticos.
Así, un campo eléctrico es esa región del espacio que se ha visto modificada por la presencia de una carga eléctrica. Si esta carga es positiva, genera líneas de campo eléctrico que «nacen» en la carga y se extienden hacia fuera con dirección radial. Si, por el contrario, la carga es negativa, las líneas de campo «mueren» en la carga. Si se acerca una carga a la región del espacio donde existe un campo eléctrico, ésta experimentará una fuerza eléctrica con una dirección y sentido.
Historia del campo eléctrico
El concepto de campo eléctrico fue propuesto por primera vez por Michel Faraday, surgido de la necesidad de explicar la acción de fuerzas eléctricas a distancia. Este fenómeno fue clave en su demostración de la inducción electromagnética en 1831, con lo cual comprobó los nexos entre magnetismo y electricidad.
Un aporte posterior al campo eléctrico fue el de James Maxwell, cuyas ecuaciones describieron múltiples aspectos de la dinámica eléctrica de estos campos, especialmente en su Teoría dinámica del Campo Electromagnético (1865).
Más en: Ley de Faraday
Unidades del campo eléctrico
Los campos eléctricos no son medibles directamente, con ningún tipo de aparato. Pero sí es posible observar su efecto sobre una carga ubicada en sus inmediaciones, es decir, sí es posible medir la fuerza que actúa sobre la carga (intensidad). Para ello se emplean newton/coulomb (N/C).
Fórmula del campo eléctrico
La ecuación que relaciona un campo eléctrico E con la fuerza que ejerce sobre una carga q está dada por la siguiente ecuación:
F = q.E
Donde F es la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga eléctrica q introducida en el campo con una intensidad E. Notemos que tanto F como E son magnitudes vectoriales, dotadas de sentido y dirección.
A partir de allí, es posible avanzar matemáticamente al incorporar la Ley de Coulomb, obteniendo que E = F/q = 1/4πϵ0 = (qi/r2).ȓi, donde ȓi son los vectores unitarios que marcan la dirección de la recta que une cada carga qi con cada carga q.
Intensidad del campo eléctrico
La carga eléctrica positiva genera un campo eléctrico hacia afuera y la negativa, hacia dentro.
La intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que representa la fuerza eléctrica F actuando sobre una carga determinada en una cantidad precisa de Newton/Coulomb (N/C). Esta magnitud suele denominarse sencillamente “campo eléctrico”, debido a que el campo en sí mismo no puede ser medido, sino su efecto sobre una carga determinada.
Para calcularla se utiliza la fórmula F = q.E, tomando en cuenta que si la carga es positiva (q > 0), la fuerza eléctrica tendrá el mismo signo que el campo y q se moverá en el mismo sentido; mientras que si la carga es negativa (q < 0), ocurrirá todo al revés.
El principio de superposición o teorema de superposición es una herramienta matemática que permite descomponer un problema lineal o de otro tipo en dos o más sub problemas más sencillos, de tal manera que el problema original se obtiene como "superposición" o "suma" de estos sub problemas más sencillos
En electromagnetismo el flujo eléctrico, o flujo electrostático, es una magnitud escalar que expresa una medida del campo eléctrico que atraviesa una determinada superficie, o expresado de otra forma, es la medida del número de líneas de campo eléctrico que penetran una superficie
Vamos a explicar los conceptos básicos sobre como funcionan los circuitos eléctricos, son una serie de elementos los que lo engloban. También veremos algunas fórmulas para poder solucionar diferentes casos de los circuitos eléctricos. Empezaremos explicando que es un circuito eléctrico. Es un conjunto de elementos conectados entre ellos por los que circula una corriente eléctrica.
Cuando decimos corriente eléctrica estamos hablando de un movimiento de electrones, es decir, un circuito debe dejar pasar los electrones por las piezas que lo componen. Podríamos ponernos a explicar el funcionamiento de los fundamentos de la corriente eléctrica pero vamos a centrarnos en los circuitos eléctricos.
En caso de que el circuito sea cerrado los electrones pasaran por el circuito, en un momento dado podemos despiezar el circuito para parar el paso de la corriente con la ayuda de un interruptor.
Las partes que forman un circuito eléctrico son: Generador, receptor, fusible, interruptor y cable conductor.
El generador se encarga de producir y mantener la corriente eléctrica por todo el circuito, digamos que son los que proporcionan la energía al circuito. El tipo de corriente la diferenciamos en dos tipos: Alterna y continua.
Un ejemplo de corriente continua serian las baterías y las pilas, por otro lado, estarían los alternadores que como bien su nombre indica estaría en el campo de la corriente alterna.
Hablemos ahora de los conductores, por este elemento es por donde fluye la corriente eléctrica entre elementos del circuito. Los materiales de los que están hechos son: cobre o aluminio. Estos son materiales conductores de la electricidad. Hay cables de muchas formas y grosores distintos, tendremos que seleccionar el más adecuado para nuestro circuito.
Los receptores: Son los que convierten la corriente eléctrica en otra energía distinta. Un claro ejemplo sería las bombillas que tenemos en casa, convierten la energía eléctrica o luz, motores, radiadores etc
Elementos de control: Permiten conducir el paso de la corriente eléctrica dentro del circuito. Aquí entrarían los pulsadores, interruptores etc.
Componentes de protección: Su función es asegurar los circuitos y personas cuando hay dificultad o la corriente es muy alta y puede haber peligro de que se quemen los componentes del circuito. Diferenciales, fusibles etc.
Estos son los elementos más comunes que se utilizan en los circuitos eléctricos: Cable conductor, interruptor, pila, batería, bombilla, amperímetro, voltímetro, condensador, resistencia, resistencia variable, elemento termoeléctrico, termistor o resistencia térmica, RDL (resistencia dependiente de la luz), diodo sentido permitido (convencional), inductancia, fuente de corriente alterna, motor, diodo emisor de luz, toma de tierra.
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Existen varios tipos de circuitos eléctricos, varían dependiendo de como se conecten los receptores, también varía depende del tipo de corriente que lleve si es corriente alterna o corriente continua.
Circuito de un solo receptor: El receptor transfiere a la misma carga que el generador, el receptor se expandirá a una intensidad de corriente idéntica a la del circuito total, la única resistencia del circuito en este caso será el receptor.
Los circuitos en serie: Los receptores se conectan el uno al otro.
Los circuitos en paralelo: En estos circuitos los receptores se conectan a todas las entradas. En los circuitos mixtos combinan: serie y paralelo.
Tipos de circuitos eléctricos: serie, paralelo, mixto y de corriente alterna.
Serie: En estos circuitos, los receptores se conectan uno a otro, el final del primero con el final del segundo sucesivamente.
Hay 3 tipos de de circuitos eléctricos en corriente alterna:
Circuitos eléctricos Resistivos: Constan de resistencias puras, también llamadas circuitos R.
Circuitos eléctricos Inductivos: Constan de bovinas puras. También llamadas L.
Circuitos eléctricos Capacitivos: Constan de condensadores puros, también denominados C.
Rosimar Gouveia Profesora de Matemática y Física
La ley de Ohm establece que la corriente que pasa por los conductores es proporcional al voltaje aplicado en ellos.
El físico alemán Georg Simon Ohm (1787-1854) fue el primero en demostrar experimentalmente la relación entre los conductores eléctricos y su resistencia.
Ohm descubrió al principio del siglo XIX que la corriente a través de un metal era directamente proporcional al voltaje o diferencia de potencial eléctrico por el metal, tal como lo expresa su enunciado. El descubrimiento de Ohm condujo a la idea de la resistencia en los circuitos.
La ley de Ohm expresada en forma de ecuación es
V = RI
V es el potencial eléctrico en voltios.
I es la corriente en amperios.
R es la resistencia en ohms.
Una regla mnemotécnica para recordar la fórmula de Ohm es recordar que Victoria es la Reina de Inglaterra; V=R.I
La fuerza electromotriz (f.e.m) es la manifestación, en términos de diferencia de potencial eléctrico, de una corriente eléctrica inducida debida a una variación temporal del flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado (que no significa superficie cerrada) conforme la ley de Lenz-Faraday. Por tanto, la f.e.m. no es una fuerza como tal, aunque es la causante del transporte de carga de un punto a otro (corriente eléctrica) mediante fuerzas no conservativas. La f.e.m. se define positiva pero, como ocurriera con la d.d.p., puede tener signo negativo si se mide en sentido contrario al movimiento natural de las cargas.
Matemáticamente, la fuerza electromotriz es la circulación del campo eléctrico total (electrostático e inducido) a lo largo del circuito (cerrado). No es el trabajo por unidad de carga que realizan las fuerzas eléctricas de origen no electrostático para transportar las cargas dentro del circuito. En el primer caso, posición y tiempo en el campo eléctrico son independientes entre sí durante el recorrido del contorno de integración (circuito) mientras que en el segundo, el tiempo fluye con el trazado de la trayectoria de las cargas (contorno de integración). Por otro lado, las fuerzas magnéticas que actúan sobre cargas eléctricas en movimiento son ejemplos de esas fuerzas eléctricas no conservativas inducidas pero es conocido que el trabajo de las fuerzas magnéticas es siempre cero (¿fuerza electromotriz cero?)
La corriente alterna (CA) es un tipo de corriente eléctrica que cambia a lo largo del tiempo. La variación puede ser en intensidad de corriente o en sentido a intervalos regulares.
El voltaje varía entre los valores máximo y mínimo de manera cíclica. El voltaje es positivo la mitad del tiempo y negativo la otra mitad. Esto significa que la mitad del tiempo la corriente circula en un sentido y, la otra mitad en sentido opuesto.
La forma más habitual de la ondulación sigue una función trigonométrica tipo seno. Esta es la forma más eficiente y práctica de producir energía eléctrica mediante alternadores. Sin embargo hay ciertas aplicaciones en las que se utilizan otras formas de onda, como la onda cuadrada o la onda triangular.
La corriente continua es aquella que mantiene su valor de tensión constante y sin cambio de polaridad.
En los orígenes industriales del uso de la electricidad en el siglo XIX se utilizó corriente continua. La ventaja de la corriente directa es que se puede almacenar en baterías. Sin embargo, un tiempo más tarde, Nikola Tesla desarrolló la corriente alterna. Este hecho provocó una importante disputa entre Thomas Edison y George Westinghouse para distribuir la electricidad utilizando una tecnología u otra en la llamada guerra de las corrientes.
El uso de la corriente alterna tiene las siguientes ventajas si la comparamos con la corriente directa:
Es posible aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores.
Facilita el transporte de la electricidad eléctrica con poca pérdida de energía.
Es posible convertirla en corriente directa con facilidad.
Incrementando su frecuencia electrónicamente se puede transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica.
Los motores eléctricos y los generadores de este tipo de corriente son más sencillos y fáciles de mantener.
La frecuencia es la cantidad de ciclos de la onda senoidal que se producen en una unidad de tiempo.
La curva senoidal representa la variación de la tensión en una corriente alterna. La frecuencia de la misma corriente es la cantidad de vueltas o ciclos que da el radio del círculo trigonométrico en una unidad de tiempo.
La frecuencia del sistema eléctrico varía según el país y, a veces, dentro de un país.
La mayoría de la energía eléctrica se genera a 50 o 60 Hertz. Algunos países tienen una mezcla de suministros de 50 Hz y 60 Hz.
Una baja frecuencia facilita el diseño de motores eléctricos especialmente los que requieren una gran velocidad de giro. También es beneficioso para motores de tracción de tipo conmutador para aplicaciones como ferrocarriles.
Sin embargo, la baja frecuencia también causa un parpadeo notable en las lámparas de arco y las bombillas incandescentes. El uso de frecuencias más bajas también reduce las pérdidas de impedancia.
La corriente alterna se puede pasar con facilidad a corriente continua. La continua no tiene esta facilidad. Precisamente, esta es la razón del uso generalizado de este tipo de corriente.
Para convertir corriente continua (CC) en alterna (CA), la elevación de la tensión se logra conectando dinamos en serie. Esta técnica es muy poco práctica comparada con la alterna que cuenta con un transformador, que permite elevar la tensión de una forma eficiente.
La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas eléctricas depende de la intensidad, mediante un transformador se puede elevar la tensión hasta altos valores. Corriente eléctrica de alta tensión. Al aumentar la tensión disminuye la intensidad de corriente.
La gran ventaja de distribuir la corriente a alta tensión es que la electricidad se puede distribuir a largas distancias a con bajas intensidades de corriente a través de las líneas eléctricas. Esto reduce las pérdidas energéticas provocadas:
El efecto Joule.
La histéresis.
Las corrientes de Foucault.
Autor: Oriol Planas - Ingeniero Técnico Industrial especialidad en mecánica
Fecha publicación: 9 de agosto de 2016
Última revisión: 15 de julio de 2021
Circuito RLC
Cuando una carga eléctrica está en movimiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. Este campo magnético realiza una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que esté situada dentro de su radio de acción. Esta fuerza que ejerce un campo magnético será la fuerza electromagnética.
Si tenemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magnético genera fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento.
Si en lugar de tener un hilo conductor rectilíneo tenemos un espiral rectangular, aparecerán un par de fuerzas de igual valor, pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no provocará un desplazamiento, sino que la espira girará sobre sí misma.
Espira rectangular girando de un campo magnético
La dirección de esta fuerza creada se puede determinar por la regla de la mano izquierda.
Si la dirección de la velocidad es paralela a la dirección del campo magnético, la fuerza se anula y la trayectoria de la partícula será rectilínea.
Si la dirección de la velocidad es perpendicular al campo magnético la fuerza vendrá dada por la expresión:
F = Q · v · B
En caso de que esta fuerza sea perpendicular al plano formado por la velocidad y el campo magnético, la partícula describirá una trayectoria circular.
Si la dirección de la velocidad es oblicua a la del campo magnético, la partícula describirá una trayectoria en espiral.
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. Este fenómeno es justamente el contrario al que descubrió Oersted, ya que es la existencia de un campo magnético lo que nos producirá corrientes eléctricas. Además, la corriente eléctrica incrementa al aumentar la rapidez con la que se producen las variaciones de flujo magnético.
Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz.
Basado en el principio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que, si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica.
En 1831 Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción electromagnética. Descubrió que, moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre el mismo imán quieto.
Faraday explicó el origen de esta corriente en términos del número de líneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.
Ley de Faraday
"La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varía el flujo magnético que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo”.
Ley de Lenz
"La corriente inducida crea un campo magnético que se opone siempre a la variación de flujo magnético que la ha producido”.
En la ecuación se establece que el cociente entre la variación de flujo (Δϕ) respecto a la variación del tiempo(Δt) es igual a la fuerza electromotriz inducida (ξ). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz e indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida, causa de la corriente inducida, que se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imán.
La inducción electromagnética constituye un fenómeno destacado en el electromagnetismo, del que se han desarrollado numerosas aplicaciones prácticas.
El transformador que se emplea para conectar un teléfono móvil a la red.
La dinamo de una bicicleta.
El alternador de una gran central hidroeléctrica.
Para entender correctamente qué es la inducción electromagnética analizaremos una bobina, un componente del circuito eléctrico en forma de espiral que almacena energía eléctrica.
Cuando el imán y la bobina están en reposo el galvanómetro no señala paso de corriente eléctrica a través de la bobina.
Si acercamos un imán a esta bobina, observamos que el galvanómetro marca el paso de una corriente eléctrica en la bobina.
Si alejamos el imán, el galvanómetro marcará el paso de la corriente eléctrica a través de la bobina, pero de sentido contrario a cuando lo acercábamos.
Si en vez de mover el imán movemos la bobina, podemos comprobar los mismos efectos a través del galvanómetro.
De esta experiencia se puede deducir que la corriente dura mientras se realiza el movimiento del imán o de la bobina y es más intensa como más rápido se haga este movimiento. La corriente eléctrica que aparece en la bobina es la corriente inducida.
Juego para entender la ley de faraday- lenz
Ondas electromagnéticas