electricidad: campo electrico

campo eléctrico

concepto

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.¹ Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor $q$ sufre los efectos de una fuerza eléctrica $\vec F$ dada por la siguiente ecuación:

(1) $\vec F = q \vec E$

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético F^μν.²

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.

Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.

La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio (N/C), Voltio por metro (V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s⁻³·A⁻¹ y la ecuación dimensional es MLT^-3I^-1.

Fórmulas de campo eléctrico

Ejemplo de campo eléctrico

: Son aquellas líneas trazadas en un campo eléctrico de una ¿rea cargada eléctricamente de tal modo que sean tangentes a ella en cada punto. Cabe destacar las siguientes propiedades de las líneas de fuerza: No hay línea de fuerza que empiece o termine en el espacio que rodea las cargas. Todas las líneas de fuerza divergen radialmente a partir de las cargas positivas, mientras que convergen radialmente hacia las cargas negativas. Las líneas de fuerza nunca se cruzan. Intensidad del campo eléctrico: Es igual al cociente de dividirla fuerza (F) que recibe la carga de prueba entre su valor (q2), cuando la carga de prueba se coloca en el punto considerado.

F=N

q2=C

E=N/C

k=9x109

Nm2/C2

r=m

E=F/q2=(k)q2/r2

EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN: Calcular la intensidad del campo eléctrico de una carga de prueba de 3x10-8 C que recibe una fuerza de 7.2x1 0-10 N.

E=F/q2=7.2x10-10N/3x10-8C=2.4 x 10-2 N/C

Exposición

https://www.youtube.com/watch?v=R9E_KMxXZG4

Mapa conceptual

Potencial eléctrico

Concepto

Se conoce como potencial eléctrico al trabajo que un campo electrostático tiene que llevar a cabo para movilizar una carga positiva unitaria de un punto hacia otro. Puede decirse, por lo tanto, que el trabajo a concretar por una fuerza externa para mover una carga desde un punto referente hasta otro es el potencial eléctrico.

La noción de potencial puede utilizarse de diversas formas. Como adjetivo, refiere a algo que tiene potencia, virtudes o poder. Potencial también puede ser un tipo de magnitud que indica cambios en otras magnitudes distintas. Eléctrico, por su parte, es algo que dispone o transmite electricidad, o que logra funcionar gracias a ella.

El potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz. Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin tomar en cuenta la carga que se coloca allí.

Formula

Como fórmula, se indica que el potencial eléctrico de un punto X a un punto Y es el trabajo necesario para mover la carga positiva unitaria q desde X a Y. Los voltios y los joules (o julios) son las unidades que se emplean para expresar el potencial eléctrico.

Ejemplos
El potencial eléctrico V es una cantidad escalar y está relacionado íntimamente con el campo eléctrico E,vector.Está definido como:

V = W/ qo

siendo W el trabajo, escalar, qo es un escalar, denominada carga de prueba.

La diferencia de potencial entre dos puntos a y b en un campo eléctrico , se basa en el trabajo Wab que debe ser hecho para mover la carga de prueba qo desde el punto a al punto b.

Va - Vb = Wab / qo

Analizando la ecuación del potencial se pueden obtener ejemplos de ello:
1) Para una carga de prueba qo constante, colocada en un campo eléctrico que se debería hacer para que el potencial fuera alto, o bajo, o nulo.
Estos conceptos se aplican para determinar los potenciales eléctricos en la superficie de núcleos de los metales, que tienen cargas eléctricas. en las moléculas que presentan dipolos, para determinar la energía potencial eléctrica de los protones en núcleos radiactivos.
Por último usted podría determinar que le podría suceder a una persona colocada en una superficie aislada si su potencial se incrementara en por ejemplo 10000 Voltios.

Experimento

https://www.youtube.com/watch?v=8yQ0Rp1P99k

Fuerza automotriz

Concepto

La fuerza electromotriz(fem).

El trabajo realizado para mover la carga eléctrica recibe el nombre de fuerza electromotriz(fem).

La fem es el trabajo que tiene que realizar el generador para que se muevan las cargas del circuito. Sea q la cantidad de carga que pasa por cualquier sección del circuito en un intervalo de tiempo determinado, y T el trabajo realizado por el generador; la fem viene dada por:

E = T

La unidad de fem es el voltio =

v = 1J

No hay que confundir el concepto fem con el de diferencia de potencial. La fem es la causa del movimiento de las cargas dentro del propio generador, mientras que la diferencia de potencial es la causa del movimiento de las cargas en el resto del circuito. Por tanto, un generador o fuente de fem es un dispositivo que transforma energía eléctrica.

Está se presenta manteniendo constante una diferencia de potencial entre los bornes del generador. Está diferencia se denomina tensión, se simboliza por U.

Formulas

Ejemplos

Experimento

Efecto joule

Conceptos

Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule

El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.

Formulas

Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:

$\left . \begin{array}{l} P = V \cdot I \\ E = P \cdot t \end{array} \right \} \; \longrightarrow \quad E = V \cdot I \cdot t$

La potencia P disipada en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que está sometido multiplicada por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La energía desarrollada E es el producto de la potencia P por el tiempo t transcurrido, luego la energía E es el producto de la tensión V por la intensidad I y por el tiempo t.

Si a esta expresión añadimos la Ley de Ohm tendremos:

$\left . \begin{array}{l} E = V \cdot I \cdot t \\ I = \cfrac{V}{R} \end{array} \right \} \; \longrightarrow \quad \left \{ \begin{array}{l} E = I^2 \cdot R \cdot t \\ E = \cfrac{V^2}{R} \cdot t \end{array} \right .$

Ejemplos

Un secador de pelo tiene una potencia de 1000 W cuando está conectado a 220 V. Calcula:
a) La resistencia interna del secador.
b) La intensidad de corriente máxima que puede soportar el secador.
c) La energía consumida cuando se ha usado el secador durante seis minutos.

Solución :

a) R = 48,4 Ohms
b) I = 4,54 A
c) E = 359 568 J

Experimento

https://www.youtube.com/watch?v=yQXbZHjHlLI

Mapa conceptual

Capacitores

Conceptos

Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.

En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q^-) y la otra positivamente (Q⁺) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.

Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, pero si queremos que pase la alterna.

Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

Además son utilizados en: Ventiladores, motores de Aire Acondicionado, en Iluminación, Refrigeración, Compresores, Bombas de Agua y Motores de Corriente Alterna, por la propiedad antes explicada.

Los capacitores se fabrican en gran variedad de formas y se pueden mandar a hacer de acuerdo a las necesidades de cada uno. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo. Pueden estar encapsulados en baquelita con válvula de seguridad, sellados, resistentes a la humedad, polvo, aceite; con terminales para conector hembra y/o soldadura. También existen los capacitores de Marcha o Mantenimiento los cuales están encapsulados en metal. Generalmente, todos los Capacitores son secos, esto quiere decir que son fabricados con cintas de plástico metalizado, autoregenerativos, encapsulados en plástico para mejor aislamiento eléctrico, de alta estabilidad térmica y resistentes a la humedad.

Formulas

Ejemplos

Pueden conducir corriente sólo un instante por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, son como un cortocircuito, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad lo convierte en dispositivos demasiado útiles cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito,además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

Experimento

https://www.youtube.com/watch?v=lf6kYqFYL3M

Electroquimica

Concepto

Electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las reacciones químicas que se dan en la interfase de un conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido.

Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico es creada como consecuencia de la reacción química , se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica.

Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.

En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidación y reducción encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de estudio de la química analítica, en una subdisciplina conocida como análisis potenciométrico.

Formulas

Experimento

https://www.youtube.com/watch?v=rSqiL0EDRuU

Ley de faraday

Concepto

La ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente ley de Faraday) establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:²

(*) $\oint_C \vec{E} \cdot \vec{dl} = - \ { d \over dt } \int_S \vec{B} \cdot \vec{dA}$

Donde $\vec{E}$ es el campo eléctrico, $d\vec{l}$ es el elemento infinitesimal del contorno C, $\vec{B}$ es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de $\vec{dA}$ están dadas por la regla de la mano derecha.

Esta ley fue formulada a partir de los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831. Esta ley tiene importantes aplicaciones en la generación de electricidad.

Formulas

Ejemplos

Una bobina consta de 200 vueltas de alambre y tiene una resistencia total de 2 Ω. Cada vuelta es un

cuadrado de 18 cm de lado y se activa un campo magnético uniforme perpendicular al plano de la

bobina. Si el campo cambia linealmente de 0 a 0,5 tesla en 0,8 seg. Cual es la magnitud de la fem

inducida en la bobina mientras esta cambiando el campo?

El área de una vuelta de la bobina es:

Lado = 18 cm = 0,18 m

A = 0,18m * 0,18m = 0,0324 m2

Experimento

Experimento de Faraday que muestra la inducción entre dos espiras de cable: La batería (derecha)aporta la corriente eléctrica que fluye a través de una pequeña espira (A), creando un campo magnético. Cuando las espiras son estacionarias, no aparece ninguna corriente inducida. Pero cuando la pequeña espira se mueve dentro o fuera de la espira grande(B), el flujo magnético a través de la espira mayor cambia, induciéndose una corriente que es detectada por el galvanómetro (G).¹