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Nociones Básicas de Electricidad Ing. Jorge Enrique Reyes Melo

Nociones Básicas de Electricidad Naturaleza de la Electricidad El Átomo Niveles de Energía Carga Eléctrica Ley de Coulomb Campo Electrostático

Naturaleza de la Electricidad • La materia es todo aquello que tiene masa y que ocupa un lugar en el espacio. Se compone de partículas muy pequeñas llamadas átomos

Naturaleza de la Electricidad

Los átomos de elementos distintos difieren entre sí por el número de electronos y protones. En sus estado natural un átomo de cualquier elementos contiene igual número de electrones y protones.

Naturaleza de la Electricidad • Número atómico (Z) Indica la cantidad de protones presentes en un átomo y se representa con la letra Z. • Número de neutrones (N) Los neutrones son partículas subatómicas que se encuentran en el núcleo atómico. El número de neutrones se indica con N. • Número másico (A) Es un número entero igual a la suma del número de protones y el de neutrones presentes en el núcleo. Se representa con A. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curs o/materiales/atomo/aconstruir.htm

Naturaleza de la Electricidad NIVELES DE ENERGIA. • En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas. En cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta. En efecto; en las capas muy próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente ligados. • Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los electrones se encuentran débilmente ligados, por lo que resultará más fácil realizar intercambios electrónicos en las últimas capas. • El hecho pues, de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de energía, nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética) en el que se encuentra cada uno de ellos.

Naturaleza de la Electricidad • Cuando un electrón se ha movido hacia la capa exterior de su átomo , la atracción producida por los protones del núcleo será mínima. Si se aplica entonces suficiente energía al átomo, algunos de sus electrones situados al exterior (electrones de valencia) lo abandonarán. Esos electrones reciben el nombre de electrones libres, y su movimiento es el causante de la Corriente Eléctrica en un conductor. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/ materiales/atomo/celectron.htm

Naturaleza de la Electricidad •

La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conducción), capaces de desplazarse, se llama conductividad.

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Estos materiales serán capaces, baja la acción de fuerzas exteriores, de "conducir" la electricidad, ya que existe una carga eléctrica (los electrones) que pueden moverse en su interior. Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos:

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CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Buenos conductores son: la plata, el cobre, el aluminio, el estaño. Malos conductores son: el hierro, el plomo.

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AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster, el aire.

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SEMICONDUCTORES: Algunas sustancias son poco conductoras, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior: son los semiconductores, de gran importancia en la electrónica. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio.

http://phet.colorado.edu/sims/conductivity/

Carga Eléctrica • Como algunos átomos pueden perder electrones y otros pueden ganarlos, es posible provocar la transferencia de electrones de un objeto a otro. Cuando esto ocurre se altera la distribución de cargas positivas y negativas iguales con cada objeto. Por tanto: • Un objeto con exceso de electrones tendrá una polaridad negativa (-) • Un objeto con exceso de protones tendrá una polaridad pisitiva (+)

Carga Eléctrica • La esencia de la electricidad es la carga eléctrica. Esta cualidad existe en dos clases distintas, que se denominan cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

Carga Eléctrica

http://www.ibercajalav.net/curso.php?fcontenido=Elec_Inic.swf

Carga Eléctrica • Como esta unidad es extremadamente pequeña para aplicaciones prácticas y para evitar el tener que hablar de cargas del orden de billones o trillones de unidades de carga, se ha definido en el Sistema Internacional de Unidades el Culombio: • Un Culombio es la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9 x 109 Nw.* 1 Culombio = 6,23 x 1018 electrones

Ley de Coulomb • La fuerza de atracción o de rechazo de una carga a otra depende de la cantidad de las cargas y de la separación que existe entre ellas. Esta afirmación se recoge en esta fórmula sacada de la ley de Coulomb:

Carga Eléctrica • Para calcular la fuerza con la que se atraen estas dos cargas eléctricas de distinto signo utilizaremos la fórmula de la Ley de Coulomb, la cual nos dice que la fuerza con que se atraen estas dos partículas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, siendo la constante de proporcionalidad K = 9·109 en unidades del SI.

Ley de Coulomb Ejercicio 1 • Dos cargas puntuales de + 24 μC y - 30 μC están separadas en el aire a una distancia de 2 m. • a) ¿Se atraen o se repelen? • b) ¿Cuál es el valor de las fuerzas que experimentan? • c) Haz un dibujo en el que se representen las cargas y las fuerzas. • Dato: La constante eléctrica K vale 9 · 109 (SI)

Ley de Coulomb • • • • • • •

Solución: a) La fuerza entre ellas es atractiva ya que tienen signo contrario. b) Tenemos los siguientes datos: Q = + 30 μC q = - 50 μC r = 80 cm K = 9 · 109 (SI) = 9 · 109 N · m2 / C2

Lo primero que haremos será expresar todos los datos en unidades del SI: • Q = + 24 μC = + 24 · 10 −6 C • q = - 30 μC = - 30 · 10 −6 C • r=2m • K = 9 · 109 (SI.) = 9 · 109 N · m2 / C2 • Ya podemos calcular el valor de las fuerzas que se ejercen entre sí estas cargas aplicando la ley de Coulomb, para lo que no tendremos en cuenta el signo de éstas

Ley de Coulomb

Ley de Coulomb Ejercicio 2 • ¿Cómo se modificaría el ejercicio anterior si ambas cargas, manteniendo el mismo valor y estando situadas a la misma distancia, fuesen ambas positivas?

Ley de Coulomb • Solución: • a) Las fuerzas entre las cargas es ahora repulsiva. • b) Este apartado es igual que en el ejercicio anterior, ya que para calcular el valor de la fuerza prescindimos del sigo de las cargas. • c) En este apartado cambiamos el sentido de las fuerzas ya que ahora son de repulsión.

http://www.ibercajalav.net/curso.php?fcontenido=Elec_FyE_1.swf

Campo eléctrico Las cargas eléctricas originan influencias en el espacio físico que las rodea. Ese espacio que rodea una carga eléctrica es sede de un campo de fuerzas. El campo de fuerzas que sufre perturbaciones se denomina campo eléctrico o electrostático . Para medir el grado de perturbación que la carga ejerce en su entorno se emplea una magnitud física que se llama intensidad del campo eléctrico E

Campo Eléctrico • La característica fundamental de una carga eléctrica es su capacidad para ejercer una fuerza, la cual se manifiesta dentro del campo electrostático que rodea a todo el objeto cargado. Este campo eléctrico es la zona donde al entrar en o el cuerpo se produce la acción de atraer o repeler. Esto se pone de manifiesto en la Ley de Coulomb.

Campo • 1. 2. 3. 4. 5.

Las reglas para trazar las líneas de campo eléctrico de cualquier distribución de carga son las siguientes: Las líneas deben partir de cargas positivas y terminar en las cargas negativas, o bien en el infinito en el caso de un exceso de carga. El número de líneas que partan dela carga positiva o lleguen a la negativa es proporcional a la magnitud de la carga. Dos líneas de campo no puede cruzarse. Por un punto de un campo eléctrico pasa una línea de campo eléctrico y sólo una. El número de líneas de campo eléctrico por unidad de área perpendicular a las mismas, en cualquier punto del campo, es proporcional al módulo del vector en dicho punto.

http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_es.html