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±
± ₊₊
Electrones
⁻⁻
Neutrones
Protones
Núcleo
Teoría Básica de la Electricidad y ElectrónicaIntroducción a la electricidad estática – Parte 1
Ing. Gissell María Caraballo
http://electronicaradical.blogspot.com Septiembre 2015
Introducción La electricidad no se puede percibir por ninguno de los cinco sentidos del hombre, no se puede sentir, ni oler, ni ver, ni gustar, ni
tocar; es posible observar sus efectos en los diferentes dispositivos, equipos e instalaciones de las cuales es necesario utilizar
la electricidad o energía eléctrica. Ejemplos de estos efectos son:
• Oído: escuchar música en la radio o equipo electrónico como: IPad, IPod, Tablet o un dispositivo celular moderno.
• Vista: al encender un televisor estamos observando una imagen (película, programa, top show, o cualquier actividad de
recreación transmitida por el medio televisivo), también puede ser observada por medio de los anuncios publicitarios con
tecnología led en las principales calles y avenidas, gracias a los avances en cuanto a la electrónica en el medio publicitario.
• Tacto: Se puede sentir cuando estamos en contacto con algún cable de electricidad y este realiza una descarga eléctrica en
nuestro cuerpo.
• Olfato: Se puede percibir a través del olor que desprenden ciertos dispositivos electrónicos creados para ambientar lugares
(casa u oficina).
• Gusto: Mediante los alimentos y bebidas que podemos realizar a través de cocinas y extractores de jugos.
La energía eléctrica o electricidad es un fenómeno físico que se origina a raíz de las cargas eléctricas y de la interacción entre
ellas. Así, son los electrones y los protones las dos partículas subatómicas principales que pueden originar la aparición de
energía eléctrica.
La electricidad se puede originar o transmitir provocando el movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro.
Esta situación es muy común ya en la propia Naturaleza, dado que la energía eléctrica se manifiesta de diversas formas,
transformándose en otros tipos de energía. Ejemplos de este fenómeno son las tormentas eléctricas o el sistema nervioso de
los seres vivos.
La electricidad se presenta en dos formas básicas: Electricidad estática y electricidad dinámica. La primera cuando los
electrones están en reposo y la segunda es la utilizada en las casas o cualquier lugar donde se necesite electricidad.
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Electroestática Se puede definir la electroestática como el estudio de la electricidad en reposo, o electricidad estática. La electricidad estática se
puede producir por fricción, ejemplo de ello son:
• Después de peinarse, la electricidad estática del peine hará que este atraiga pequeños trozos de papel o al frotar un globo sobre
el cabello.
• Después de pasar una persona por una alfombra, muy a menudo saltara una chispa, producida por la electricidad estática,
cuando toque un radiador.
• Los camiones acumulan una carga de electricidad estática, si transportan gasolina, y la chispa que se pueda producir puede dar
lugar a graves consecuencias.
• La fricción de las nubes genera electricidad estática que da lugar a los relámpagos.
• El almacenar cargas de electrones en las placas de un condensador y posteriormente soltar la carga es un ejemplo de una
aplicación útil de la electricidad estática.
Nota: Para prevenir tales acumulaciones peligrosas de cargas estáticas en los camiones que transportan gasolina, se pone una cadena que roce
con el suelo y así la electricidad estática pasa a la tierra.
Carga
estática
Carga
estática
Choque de nubes
cargadas estáticamente
generan relámpagos
Inflamable: Gasolina
Camión de combustible
cargado estáticamente.
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Estática producida al peinarse o
frotarse un globo sobre la cabeza
Estructura de la materia
Molécula. La partícula mas pequeña en que se
puede dividir una sustancia por medios
mecánicos, químicos u otros, manteniendo siempre las mismas
características químicas se denomina molécula.
Materia. La materia se define como algo que
ocupa un espacio y tiene peso; puede encontrarse en estado solido, liquido
y gaseoso.
Elementos. Cualquier sustancia cuyas
moléculas no se puedan subdividir por medios químicos ordinarios.se denomina elemento.
Tamaño de las moléculas y los átomos. Son tan pequeñas que no pueden ser vista a simple vista, porque
tanto los lentes como los ojos están formados por un gran números de
moléculas.
Átomo. La partícula mas pequeña en que se pueda subdividir un elemento, manteniendo todavía todas las propiedades del elemento original, se denomina átomo. aprox. 10−8 cm de diámetro, equivalente a un Amstrong (Å)
Compuesto. Cualquier sustancia cuyas
moléculas se puedan posteriormente
subdividir y, por tanto, producir átomos de
dos o mas elementos en el proceso, se
denomina compuesto.
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Teoría Electrónica de la materia
±± ₊₊
Electrones
⁻⁻
Neutrones
Protones
Núcleo
Estructura del átomo de helio
⁻
₊En el caso del átomo de hidrogeno solo
contiene un protón y un electrón girando sobre
su orbita.
Es una partícula del átomo muy
pequeña cargada negativamente:
su diámetro es del orden de
1/4.000.000.000.000 cm.
Cierto numero de protones están
íntimamente unidos a un numero similar
de electrones y forman un numero
semejantes de electrones. El electrón no
tiene carga por tener igual numero de
electrones y protones.
El protón es una partícula del
átomo muy pequeña cargada
positivamente; su diámetro
1/40.000.000.000.000 cm.
En el átomo los protones y los neutrones
constituyen una masa central estacionaria
alrededor de la cual giran cierto numero de
electrones. Esta masa central se denomina
núcleo. Siempre tiene carga positiva.
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Teoría Electrónica de la materia Orbita
Planetas (equivalente
a electrones)
Sol (equivalente a núcleo,
carga positiva)
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Teoría Electrónica de la materia Electrones y flujo de corriente
La corriente eléctrica se describe como electrones en movimiento o como un flujo de electrones. El cobre (Cu), el carbón (C), aluminio (Al);
son conductores de la electricidad porque en estos materiales los electrones pueden ser forzados a moverse de átomo en átomo cuando se
aplica una presión eléctrica o voltaje.
6N
6P35N
29P
14N
13P
Electrones de valencia. Contienen un numero menor de
electrones que su máximo posible, por lo tanto no se
encuentran ligados íntimamente al núcleo, esto hace que
puedan salir fácilmente de sus orbitas.
Electrones ligados. Son electrones
ubicados en orbitas inferiores por tanto,
están íntimamente ligados al núcleo, esto
hace que no sean de fácil transferencia de
una orbita a otra.
Carbono (C)6 Neutrones
6 Protones
6 Electrones
Cobre (Cu)35 Neutrones
29 Protones
29 Electrones
Aluminio (Al)14 Neutrones
13 Protones
13 Electrones
Estructura de los átomos de carbono (C), cobre (Cu) y aluminio (Al)
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Teoría Electrónica de la materia Electrones y flujo de corriente
Camino de un electrón libre en un conductor de carbón
6N
6P
6N
6P
6N
6P
6N
6P
Al aplicar una presión eléctrica a tales materiales uno o mas de los electrones de valencia pasara progresivamente de un átomo a otro,
estos se conocen como electrones libres.
Cuando fluye una corriente a través de un conductor, los electrones libres son arrastrados de átomo en átomo a lo largo del conductor
a una velocidad relativamente baja, que se estima es del orden de unos pocos centímetros por minutos. Sin embargo, los electrones
libres de los átomos adyacentes transmiten el impulso, de forma semejante a los vagones de un tren que comienza a andar,
aproximadamente la velocidad de la luz, o sea 300.000 km por seg.
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Teoría Electrónica de la materia Cargas positivas y negativas
Ley de las cargas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen.
Existen dos formas de cargar un cuerpo u objeto por
contacto o por inducción.
Carga por contacto. Si se pone en contacto con un cuerpo
neutro una varilla cargada negativamente, algunos
electrones pasan de la varilla al cuerpo y, por tanto, este se
carga. El cuerpo neutro se carga por contacto y toma una
carga de la misma polaridad que la varilla cargada.
Carga por inducción. Si acerca, sin llegar a tocar, una
varilla cargada negativamente a un cuerpo neutro
suspendido libremente, se produce una repulsión sobre los
electrones del cuerpo neutro. Si el cuerpo neutro se conecta
a tierra, algunos de los electrones del cuerpo neutro pasan a
tierra y este se carga positivamente. Si hubiera empleado
una varilla cargada positivamente, el cuerpo neutro hubiera
tomado algunos electrones (de la tierra) y se habría cargado
negativamente. En cualquier caso, no hay un paso de
electrones entre en cuerpo libre y la varilla cargada, y el
cuerpo libre se carga por inducción. La polaridad de la carga
del cuerpo libre es contraria a la de la varilla cargada.
±±±±±±±±±±±±
±±±±±±±±±±± ±±±±±±±±±±±±
±±±±±±±±±±±
±±±±±±±±±±±±
±±±±±±±±±±± ±±±±±±±±±±±
-
⁻⁻⁻⁻⁻⁻
-
⁻⁻⁻⁻⁻⁻
-
⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻
-
⁻⁻⁻⁻⁻⁻
-
⁻⁻⁻⁻
⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻
⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻ ⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺⁺
Cuerpo cargado
positivamente
⁻ ⁻ ⁻ ⁻ ⁻
Cuerpo cargado
negativamente
Cuerpo cargado
negativamenteCuerpo que se carga
por contacto
±±±±±±±±±±±
Tierra
Cuerpo
cargado
negativamente
Cuerpo neutro Cuerpo neutro
a) Carga por contacto b) Carga por inducción
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Teoría Electrónica de la materia Cargas positivas y negativas
Ley de las cargas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen.
Descarga. La velocidad a la que sale una carga de un cuerpo depende
en gran parte de su forma. Si es agudo, la carga sale rápidamente
porque los electrones se concentran en un área pequeña y originan una
gran presión. Si la descarga tiene lugar en una gran extensión, tal como
una bola o esfera, los electrones se distribuyen en un área grande y la
presión que origina la descarga es relativamente baja.
Relámpago y rayo. Relámpago es la descarga que se produce entre
nubes de cargas distintas y rayo la descarga entre una nube y la tierra.
Durante la subida violenta del aire caliente y húmedo desde la tierra, la
fricción entre el aire y las pequeñas partículas de agua da origen a
cargas. Cuando se forman las gotas de agua, las mas grandes se
quedan cargadas positivamente y las mas pequeñas negativamente.
Cuando las gotas de agua se acumulan, forman nubes, y de aquí que
estas puedan tener cargas negativas o positivas, según la carga de las
gotas de agua que las formen. La carga de una nube puede hacerse tan
grande que se descargue sobre otra nube o sobre el suelo y esta
descarga se denomina relámpago o rayo respectivamente. El trueno que
acompaña al rayo lo origina el súbito calentamiento del aire, que produce
su expansión. El aire de alrededor empuja al aire expandido hacia atrás
y hacia adelante, originando un movimiento de vaivén del aire que
produce el sonido denominado trueno.
Pararrayos. El objeto del pararrayos es ofrecer una protección contra los
rayos, descargando las pequeñas cargas eléctricas tan pronto como se
acumulan. Los pararrayos acaban en una punta porque los objetos agudos
sueltan las cargas mas de prisa que los de cualquier otra forma.
Los pararrayos no evitan los rayos, sino que mas bien evitan que las cargas
se acumulen en los edificios en los que están puestos. El pararrayos deberá
unirse al conductor introducido en el suelo con una profundidad suficiente
como para que siempre este rodeado de tierra humedad; sino se entierra
adecuadamente, el pararrayo puede ser mas bien una amenaza que una
protección, ya que facilitara la descarga de las nubes.
Los objetos altos y aislados en espacios abiertos tales como una alquería o
un árbol aislado en un terreno grande acumulan las cargas rápidamente y
son, por tanto, presa fácil de los rayos. Los edificios con estructura de acero
de una ciudad tienen numerosas partes metálicas que se extienden hasta
dentro de la tierra y, por tanto, tiene una buena protección.
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Campos Electroestáticos
⁻ ⁺
El conjunto de todos los vectores fuerza que actúan sobre una carga de prueba que se desplaza en el espacio y que rodea a otra
carga fija, se denomina campo de fuerza electroestática de la carga o simplemente campo eléctrico de la carga. Un campo eléctrico
también puede ser originado por un conjunto de cargas fijas en diferentes puntos del espacio. En este caso la fuerza neta que actúa
sobre una carga de prueba móvil situada en las proximidades del conjunto de cargas es igual a la suma vectorial o resultante de las
fuerzas que cada una de las cargas fijas ejerce sobre la carga de prueba.
Líneas de fuerza. Para representar un campo
eléctrico el físico y químico Michael Faraday
introdujo el concepto de líneas de fuerza. Estas
son solamente líneas imaginarias y se emplean
para representar la dirección y la fuerza del campo.
⁻⁺
Campos electroestáticos. (a) Carga positiva. (b) Carga Negativa
⁺ ⁺
Campos electroestáticos. Cargas iguales
Campos electroestáticos. (a) Cargas opuestas
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Campos electroestáticosFuerza entre cargas. En la imagen que se muestran a continuación, las cargas están situadas a 1 cm de distancia. Las cargas se
repelen entre si con una fuerza de una dina. Esto ilustra la unidad de carga electroestática, que, por definición, es aquella que repele
otra igual y del mismo signo situada a 1 cm de centímetro de distancia con una fuerza de una dina. La fuerza entre dos cargas es
directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. De forma
matemática:
𝐹 =𝑞1 𝑞2𝑘𝑑2
F= fuerza, dinas
Q1= Valor de la carga 1
Q2= Valor de la carga 2
D = distancia entre cargas, cm
K= Constante dieléctrica del medio a través del que se ejerce la fuerza (para vacío y el
aire es igual a 1)
Ejemplo.
⁻ ⁻
2 cm
1 dina 1 dina
Q1=10 q2=20
𝐹 =𝑞1 𝑞2
𝑘𝑑2=10𝑥20
1𝑥2𝑥2= 50 dinas (repulsión)
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BibliografíaLibros
Fundamentos de Electricidad – Electrónica. Slurzberg y Osterheld. Editorial McGraw Hill Tercera historia.
Física. Camero y Crespo.
Química Teoría 9no Grado Educación básica. Freddy Suarez. Editorial Romor.
Sitios Web
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/ii.-la-naturaleza-electrica-de-la-
materia
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