*ELECTRICIDAD*
Conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.
La electricidad es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones por ejemplo: transporte, climatización, iluminación y computación.
Temario
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| ELECTROSTÁTICA |
| CAPACITORES |
| ELECTRODINÁMICA |
Rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
Históricamente, la electricidad fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló.
1.1*CARGA ELÉCTRICA
Los átomos están constituidos por núcleo y una corteza(órbitas). En el núcleo se encuentran muy firmemente unidos los protones y los neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga.
Alrededor del núcleo se encuentran las órbitas donde se encuentran girando sobre ellas los electrones. Los electrones tienen carga negativa.
Ambas cargas la de los protones y la de los electrones son iguales, aunque de signo contrario.
La carga eléctrica elemental es la del electrón. El electrón es la partícula elemental que lleva la menor cara eléctrica negativa que se puede aislar.
Como la carga de un electrón resulta extremadamente pequeña se toma en el S.I.(Sistema Internacional) para la unidad de Carga eléctrica el Culombio que equivale a 6,24 10E18 electrones.
1.1*FORMAS DE ELECTRIZACIÓN
Cuando las condiciones son propicias, al frotar dos objetos entre si, estos adquieren una carga eléctrica; es decir, se electrizan.
La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática, la cual trata sobre los fenómenos relacionados con cargas eléctricas en reposo.
Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la geometría de los cuerpos y de su composición.
- Electrización por Frotamiento:
Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.
EJEMPLO:
Una mascada o pañuelo de seda contra un peine o varilla de plástico, la mascada atrae electrones del material de plástico, por lo que este último queda con una carga positiva, mientras que la seda gana electrones y queda electrizada negativamente debido al exceso de electrones que contiene después del frotamiento.
- ELECTRIZACIÓN POR CONDUCCIÓN O CONTACTO:
Es necesario que el cuerpo previamente electrizado entre en contacto con un cuerpo neutro para que se lleve a cabo el proceso de electrización por contacto o conducción. Esto sucede por que, al entrar los cuerpos en contacto, los electrones se transfieren del material que contiene un exceso de electrones al otro.
La distribución uniforme de la carga en el material que originalmente se encontraba en estado neutro dependerá mucho de que este sea un buen conductor de la electricidad.
- ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN:
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.
Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
1.2*CAMPO ELÉCTRICO
*LEY DE COULOMB*
Puede expresarse como: la magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.
Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·109 Nm2/C2.
Obsérvese que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal.
*VOLTAJE*
La tensión eléctrica o diferencia de potencial también denominada voltaje es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.
A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.
Para comprender este concepto de forma más simple, pensemos en un material con una carga eléctrica de más electrones de lo que sus átomos pueden sostener (ionizado negativamente) y un material carente de electrones (ionizado positivamente).
El voltaje es el diferencial eléctrico entre ambos cuerpos, considerando que si ambos puntos establecen un contacto de flujo de electrones ocurriría una transferencia de energía de un punto al otro, debido a que los electrones (con carga negativa) son atraídos por protones (con carga positiva), y a su vez, que los electrones son repelidos entre sí por contar con la misma carga.
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Un capacitador es como una pequeña batería. Aunque trabajan de maneras totalmente diferentes, los capacitadores y las baterías pueden almacenar energía eléctrica.
Dentro del capacitador, los terminales se conectar a dos pletinas metálicas separadas por una sustancia no conductora, o dieléctrica. Puedes hacer fácilmente un capacitador con dos láminas de aluminio y un trozo de papel. No será particularmente un buen capacitador en términos de capacidad de almacenamiento, pero funcionará.
2.1*CAPACITADORES DE PLACAS
Es un elemento almacenador de energía eléctrica. Son dos placas (planos) de un conductor enfrentadas paralelamente sin hacer contacto, y un material dieléctrico (no conductor) entre ellas, que puede ser aire.
La capacitancia (capacidad de almacenamiento) se mide en Farads (F=Coulomb/Volt) y depende sólo de las características espaciales del capacitor, en este caso el área de las placas y la distancia entre ellas. El tiempo de cargado depende de la capacitancia y de la resistencia del circuito.
Al establecer una diferencia de potencial constante entre las placas (ej conectando una pila), el capacitor inicialmente actúa como un conductor dejando fluir la corriente (pero no por conducción sino por inducción eléctrica), pero las placas se van cargando hasta que la diferencia de potencial entre ellas es la misma que la aplicada, momento en que no circula más corriente.
Al conectar corriente alterna también puede usarse como filtro de frecuencias bajas (filtro pasa-altos), teniendo en cuenta el tiempo de cargado. Si la señal cambia lentamente (baja frecuencia), el capacitor se carga muy rápido y no conduce; mientras que si el cambio es abrupto (alta frec), nunca llega a cargarse del todo, dejando pasar la corriente.
La electrodinámica consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctricas que pasan de una molécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor como, por ejemplo, un metal.
Para poner en movimiento las cargas eléctricas o de electrones, podemos utilizar cualquier fuente de fuerza electromotriz (FEM), ya sea de naturaleza química (como una batería) o magnética (como la producida por un generador de corriente eléctrica), aunque existen otras formas de poner en movimiento las cargas eléctricas.
Cuando aplicamos a cualquier circuito eléctrico una diferencia de potencial, tensión o voltaje, suministrado por una fuente de fuerza electromotriz, las cargas eléctricas o electrones comienzan a moverse a través del circuito eléctrico debido a la presión que ejerce la tensión o voltaje sobre esas cargas, estableciéndose así la circulación de una corriente eléctrica cuya intensidad de flujo se mide en amper (A).
3.1*CORRIENTE ELÉCTRICA
Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).
Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM. Ese planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas.
Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan".
Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.
3.2*RESISTENCIA ELÉCTRICA
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.
A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia.
B.- Electrones fluyendo por un mal conductor.eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia, generan calor.
Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.
3.3* REPRESENTACIÓN DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Cuando dibujamos planos eléctricos, para representar los diferentes elementos que componen nuestro circuito no usamos un dibujo realista del él -esto sería lento y costoso-; en su lugar empleamos una seria de símbolos que ayudan a que el plano se realice de forma más rápida y además evita que los dibujos se malinterpreten independientemente de dónde se lea el plano.
Nosotros usaremos los siguientes símbolos:
| Generadores | Generador símbolo general |  | Se usa cuando no se sabe qué tipo de corriente alimenta el circuito. |
Generador
corriente alterna |  | Se usa cuando la corriente en el circuito es alterna. | |
Generador
corriente continua |  | Se usa cuando la corriente en el circuito es continua sin especificar el tipo de fuente. | |
| Pila |  | La alimentación es una pila. | |
| Batería |  | La alimentación es una batería. |
| Receptores | Bombilla/lámpara |  | Bombilla. Un número a su lado indica el valor de la resistencia. |
| Motor |  | Motor eléctrico de corriente continua. | |
| Resistencia |  | Puede ser una resistencia o un receptor cualquiera. | |
| Resistencia (2) |  | Otra forma de representar la resistencia. | |
| Zumbador |  | Elemento que produce un sonido al activarlo. | |
| Diodo LED |  | No es un elemento eléctrico sino electrónico, pero lo usaremos en los proyectos. Es similar a una bombilla de color. |
| Elementos de maniobra | Interruptor |  | Permite cerrar o abrir el paso de la corriente en el circuito. |
| Conmutador |  | Permite dirigir el paso de la corriente entre dos ramas diferentes de un circuito. | |
| Pulsador NA |  | (Normalmente Abierto) permitecerrar el circuito mientras se mantiene pulsado. | |
| Pulsador NC |  | (Normalmente Cerrado) permiteabrir el circuito mientras se mantiene pulsado. |
| Elementos de protección | Fusible |  | Permite cerrar o abrir el paso de la corriente en el circuito. |
A la derecha se puede ver un dibujo con un circuito real compuesto:
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A la derecha vemos un dibujo real y el esquema simbólico de un circuito compuesto por:
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3.4* LEY DE OHM
La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán George Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:
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) de la carga o consumidor conectado al circuito. |
3.5* POTENCIA ELÉCTRICA
La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).
Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico.
Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos.
La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.
3.6*EFECTO JOULE
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 1 2 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.
Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:
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 ttranscurrido, 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:
La energía desarrollada es igual al cuadrado de la intensidad por la resistencia y por el tiempo, o lo que es lo mismo, el cuadrado de la tensión dividido por la resistencia y por el tiempo.
Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico 
por la densidad de corriente 
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por la densidad de corriente :
La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).