Conceptos
básicos de Física.
Carga Eléctrica
Es una propiedad
física intrínseca de algunas partículas
subatómicas que se
manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos
electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos
electromagnéticos, siendo, a su
vez, generadora de ellos. La denominada interacción
electromagnética entre carga y
campo
eléctrico es una de las cuatro interacciones
fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo
estándar la carga eléctrica es una
medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones.
El Fotón
En física moderna, es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.
La electricidad
(del griego
ήλεκτρον élektron, cuyo significado es ‘ámbar’)1
es el 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. Es una forma de energía tan versátil que tiene un
sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte,
climatización,
iluminación
y computación.
La
electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:
·
Carga eléctrica:
una propiedad de algunas partículas
subatómicas, que determina su interacción electromagnética.
La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos
electromagnéticos.
·
Corriente eléctrica:
el flujo de electrones
que circula por un conductor en un determinado momento. Se mide en amperios.
·
Campo eléctrico:
un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica, incluso
cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra
carga, menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además,
las cargas en movimiento producen campos
magnéticos.
·
Potencial eléctrico: es
el trabajo que debe realizar una fuerza externa para atraer una carga positiva
unitaria que desde el punto de referencia hasta el punto considerado, va en
contra de la fuerza eléctrica y a velocidad constante.
·
Magnetismo:
la corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos
variables en el tiempo generan corriente eléctrica.
La electricidad se
usa para generar:
·
señales,
mediante sistemas
electrónicos, compuestos de circuitos eléctricos
que incluyen componentes
activos (tubos de
vacío, transistores,
diodos
y circuitos
integrados) y componentes pasivos
como resistores,
inductores
y condensadores.
Carga
eléctrica
Interacciones entre cargas de igual y distinta
naturaleza.
La
carga eléctrica es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas
de atracción y repulsión. La carga se origina en el átomo,
que está compuesto de partículas
subatómicas cargadas como el electrón
y el protón.37
La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo o al pasar
por un material conductor, generalmente metálico.38
El término electricidad
estática se refiere a la presencia de carga en un cuerpo,
por lo general causado por dos materiales distintos que se frotan entre sí,
transfiriéndose carga uno al otro.39
Corriente eléctrica
Corriente eléctrica: al desplazamiento de cargas
eléctricas por un conductor. La corriente puede estar producida por cualquier partícula cargada eléctricamente en movimiento. Lo más frecuente es que sean
electrones, pero cualquier otra carga en movimiento se puede definir como
corriente.52 Según el Sistema Internacional, la intensidad de una corriente eléctrica se mide
en amperios, cuyo símbolo es A.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió
como un flujo de cargas positivas y se fijó como sentido convencional de
circulación de la corriente el flujo de cargas desde el polo positivo al
negativo. Más adelante se observó que, en los metales, los portadores de carga
son electrones, con carga negativa, y que se desplazan en sentido contrario al
convencional.54 Lo cierto es que, dependiendo de las condiciones, una corriente
eléctrica puede consistir en un flujo de partículas cargadas en una dirección,
o incluso simultáneamente en ambas direcciones. La convención positivo-negativo
se usa normalmente para simplificar esta situación.
El proceso por el cual la corriente eléctrica
circula por un material se llama conducción eléctrica cargadas y el material por el cual están
circulando. Ejemplos de corrientes. Su naturaleza varía, dependiendo de las
partículas eléctricas son la conducción metálica, donde los electrones recorren
un conductor eléctrico, como un metal; y la electrólisis, donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de líquidos. Mientras
que las partículas pueden moverse muy despacio, algunas veces con una velocidad media de deriva de solo fracciones de milímetro por segundo,55 el campo eléctrico que las controla se propaga cercano a la velocidad de la luz, permitiendo que las señales eléctricas se
transmitan rápidamente por los cables.
La corriente produce muchos efectos visibles, que
han hecho que su presencia se reconozca a lo largo de la historia. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron que el agua podía descomponerse por
la corriente de una pila voltaica, en un proceso que se conoce como electrólisis. En 1833, Michael
Faraday amplió este trabajo.57 En 1840, James Prescott Joule descubrió que la corriente a través de una resistencia eléctrica aumenta la temperatura, fenómeno que en la
actualidad se denomina Efecto
Joule.
Campo eléctrico
Líneas de
campo saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano.
El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael
Faraday. Un campo eléctrico se crea
por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea, y produce una fuerza que
ejerce sobre otras cargas ubicadas en el campo. Un campo eléctrico actúa entre
dos cargas de modo muy parecido al campo gravitatorio que actúa sobre dos masas. Como él, se extiende hasta el infinito y su valor
es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.46 Sin embargo, hay una diferencia importante: mientras la gravedad
siempre actúa como atracción, el campo eléctrico puede producir atracción o
repulsión. Si un cuerpo grande como un planeta no tiene carga neta, el campo
eléctrico a una distancia determinada es cero. Por ello, la gravedad es la
fuerza dominante en el universo, a pesar de ser mucho más débil.
Un campo eléctrico varía en el espacio, y su
intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga)
que percibiría una carga si estuviera ubicada en ese punto.58 La carga de prueba debe de ser insignificante, para evitar que su
propio campo afecte el campo principal y también debe ser estacionaria para
evitar el efecto de los campos magnéticos. Como el campo eléctrico se define en términos de
fuerza, y una fuerza es un vector, entonces el campo eléctrico también es un
vector, con magnitud y dirección. Específicamente, es un campo
vectorial.
El motor eléctrico aprovecha un efecto importante del electromagnetismo:
una corriente a través de un campo magnético experimenta una fuerza en el mismo
ángulo del campo y la corriente.
Potencial eléctrico.
El concepto de potencial eléctrico tiene mucha
relación con el de campo eléctrico. Una carga pequeña ubicada en un campo
eléctrico experimenta una fuerza, y para llevar esa carga a ese punto en contra
de la fuerza necesita hacer un trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se
define como la energía requerida para mover una carga de ensayo ubicada en el
infinito a ese punto.59 Por lo general se mide en voltios, donde un voltio es el potencial que necesita un julio de trabajo para atraer una carga de un culombio desde el infinito. Esta definición formal de
potencial tiene pocas aplicaciones prácticas. Un concepto más útil es el de diferencia de potencial, que se define como la energía requerida para
mover una carga entre dos puntos específicos. El campo eléctrico tiene la
propiedad especial de ser conservativo, es decir que no importa la trayectoria realizada
por la carga de prueba; todas las trayectorias entre dos puntos específicos
consumen la misma energía, y además con un único valor de diferencia de
potencial.
Electromagnetismo.
Se denomina electromagnetismo
a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos.
El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los
que intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello
campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia.
Clasificación de los
materiales
Los
materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en
conductores, dieléctricos, semiconductores
y superconductores.
·
Conductores
eléctricos. Son los materiales
que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten esta
a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los
metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también
poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito,
las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma.
·
Dieléctricos.
Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser
utilizados como aislantes.
Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio,
cerámica,
plásticos,
goma,
mica,
cera,
papel,
madera
seca, porcelana,
algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita.
Aunque
no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o
peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos
(forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del
usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse
accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga)
y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de
distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya
contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes
bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante
a temperatura ambiente y seco pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal
y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
La tensión eléctrica o diferencia
de potencial (también denominada voltaje): es una magnitud
física que cuantifica la diferencia de potencial
eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el
trabajo
por unidad de carga
ejercido por el campo
eléctrico sobre una partícula
cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede medir con un voltímetro.3
Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI)
es el voltio.
Un aislante eléctrico es un material con
escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar
conductores eléctricos evitando
un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de
los sistemas eléctricos que de
tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una
descarga eléctrica.
Materiales Aislantes
Los materiales
aislantes de la electricidad son aquellos que ofrecen una determinada
resistencia al movimiento de los electrones o corriente eléctrica. No existen
materiales totalmente aisladores, dependiendo del material empleado se obtendrá
un mayor o menor aislamiento.
Existen
diferentes aislantes, en esta web te vamos a explicar todos los tipos de aislantes eléctricos.
Ejemplos de materiales aislantes
Los aislantes eléctricos son materiales
utilizados con bastante frecuencia. A continuación, te indicamos los ejemplos
de aisladores eléctricos más conocidos:
Madera
La madera está
considerado un aislante eléctrico. Si bien es cierto que esto dependerá de
otros factores como la densidad de madera y la humedad que pueda contener. En
algunos casos con voltajes extremos, la madera no soporta ese voltaje y puede
incluso quemar el material.
Caucho
El caucho es
un material con múltiples usos. Tiene excelentes propiedades de resistencia y
elasticidad. Funciona muy bien como aislante de la electricidad y como aislante
térmico.
El caucho
surge a partir de la savia de determinadas plantas. También se obtiene
artificialmente mediante procesos sintéticos. Las zonas de mayor producción de
caucho son Brasil, México, China y Vietnam.
Plástico
El plástico es
un material compuesto por una variedad de compuestos orgánicos, sintéticos y
semisintéticos. Su nombre deriva de plasticidad, que es una característica
atribuida a diferentes objetos maleables que pueden deformarse sin llegar a romperse.
El plástico
tiene numerosas propiedades aislantes. Actúan bien como aislantes eléctricos
debido a su variada composición. También funcionan como aislantes térmicos,
aunque no soportan temperaturas elevadas. Además, están considerados como
aceptables aislantes acústicos.
Vidrio
El vidrio es
un material inorgánico obtenico a partir de la arena de sílice (SiO2),
carbonato de sodio(Na2CO3) y caliza (CaCO3). Para referirse al vidrio se emplea
con frecuencia el término cristal, realmente este término está mal empleado ya
que no se hace referencia al mismo elemento.
El vidrio es
uno de los mejores aislantes eléctricos conocidos. Su resistividad eléctrica es
muy elevada en condiciones normales, es por ello que es empleado con frecuencia
en la industria actual.
Doble acristalamiento
A partir del vidrio se han creado sistemas de
doble acristalamiento que tienen un alto rendimiento en cuanto a aislamiento
térmico.
¿Qué es un aislante eléctrico?
Los aislantes
son materiales que tienen propiedades aislantes frente a determinadas energías.
Existen diferentes tipos de aislantes: eléctricos, térmicos, acústicos…
Los aislantes
eléctricos evitan la conductividad de las energías
eléctricas. Se trata de materiales que no son conductores de la electricidad y
la aíslan de forma permanente. La función de estos aislantes es la de conducir
la energía eléctrica por donde el usuario lo solicite.
Estos
materiales contienen propiedades que presentan resistencia a las cargas
eléctricas. Esto es debido a su composición por núcleos positivos que son
rodeados mediante electrones negativos que no pueden pasar de un átomo a otro
libremente con facilidad.
Otros tipos de materiales aislantes
Existen
diferentes tipos de aislantes eléctricos. Los principales aislantes eléctricos
se agrupan en: orgánicos e inorgánicos. Los más relevantes y utilizados son los
orgánicos. Estos aíslan muchas de las instalaciones eléctricas que nos rodean.
Aislantes orgánicos
Los aislantes
eléctricos orgánicos son los más utilizados en la industria, hogares,
vehículos, etc. Sin este tipo de aislantes nos veríamos con serios problemas
derivados de la electricidad.
Son los que
evitan descargas eléctricas en todo tipo de materiales y objetos. Los ejemplos
más utilizados son la madera, alquitrán, caucho, plástico…
Aislantes inorgánicos
Los aislante
inorgánicos son menos utilizados en la actualidad. En este tipo de aislantes se
encuentran materiales como: aire, cerámica, vidrio, mica…
Las
instalaciones eléctricas antiguamente se aislaban mediante el aire. Simplemente
se instalaban los cableados en el aire y así se conseguía un aislamiento.
Además, existen otros materiales como el vidrio que es más utilizado en
aislamientos térmicos.
Los mejores materiales aislantes
Una vez te has
informado sobre los materiales aislantes has podido conocer de primera mano los
ejemplos más importantes de materiales aislantes. Con todos estos materiales
aisladores se desarrollan una gran cantidad de funciones que posibilitan
instalaciones eléctricas, insonorizaciones, botellas de cristal…
Muchos objetos
cotidianos surgen a partir de materiales aislantes. No sólo se utilizan para
instalaciones eléctricas, sino para demás actividades que nos puedan aportar un
valor significativo y productivo.
Principales diferencias entre aislantes y conductores
Los materiales aislantes y conductores son totalmente opuestos.
Ley de Ohm
V, I y R, los parámetros
de la ley de Ohm
La ley de Ohm, postulada por el físico y
matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley básica de los circuitos
eléctricos. Establece que la diferencia de potencial V ,que aplicamos
entre los extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad
de la corriente I.
que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo
la noción de resistencia
eléctrica R ; que es el factor de proporcionalidad
que aparece en la relación entre V y I
V = R ⋅ I
La fórmula anterior se
conoce como fórmula general de la ley de Ohm,12 y en la misma, V , corresponde
a la diferencia de potencial, R. a la
resistencia e I. a la intensidad de
la corriente. Las unidades de esas tres magnitudes en el sistema internacional
de unidades son, respectivamente, voltios (V), ohmios (Ω) y amperios (A).
Diagrama de la ley de Ohm
Diagrama circular de la ley de Ohm
En un diagrama se muestran las tres formas de relacionar
las magnitudes físicas que intervienen en la ley de Ohm,
La elección de la fórmula a utilizar dependerá del contexto en el que se
aplique. Por ejemplo, si se trata de la curva característica I-V de un
dispositivo eléctrico como un calefactor, se escribiría como: I = V/R. Si se
trata de calcular la tensión V en bornes de una resistencia R por la que
circula una corriente I, la aplicación de la ley sería: V= R I. También es
posible calcular la resistencia R que ofrece un conductor que tiene una tensión
V entre sus bornes y por el que circula una corriente I, aplicando la fórmula R
= V/ I.
triángulo de la ley de Ohm
Un circuito eléctrico básico. La fuente de tensión V en la izquierda proporciona una corriente I al circuito, entregando energía eléctrica a la resistencia R. De la resistenci
a, la corriente regresa a la
fuente, completando el circuito.
Circuitos eléctrico.
Un circuito eléctrico es una interconexión de dos o
más componentes eléctricos tales que la carga eléctrica fluye en una
trayectoria cerrada, por lo general para ejecutar alguna tarea útil.64
Los componentes en un circuito eléctrico pueden ser
muy variados, puede tener elementos como resistores, capacitores, interruptores, enchufes, transformadores y electrónicos.
Partes de un circuito eléctrico de electricidad básica
Generador: producen y mantienen la corriente eléctrica.
Alternadores: son generadores de corriente alterna AC
Pilas y Baterías: son generadores de corriente continua DC
Conductores : es por donde se mueve la corriente eléctrica de
un elemento a otro del circuito. Son de cobre o aluminio, materiales buenos
conductores de la electricidad, o lo que es lo mismo que ofrecen muy poca
resistencia a que pase la corriente por ellos.
Receptores : son los elementos que transforman la energía
eléctrica en otro tipo de energía, por ejemplo las bombillas transforma la
energía eléctrica en luz, los radiadores en calor, los motores en movimiento,
etc.
Elementos de mando o control: permiten abrir o cerrar a
voluntad el paso de la corriente eléctrica. Existen diferentes tipos:
interruptores, pulsadores, conmutadores, etc.
Tipos de circuitos eléctricos de electricidad básica
Es aquel en el que dos o
más elementos se predisponen de la manera en la que la salida de uno es la
entrada del siguiente. En este circuito, la corriente que circula por todos los
elementos es idéntica ya que la energía eléctrica solamente dispone de un
camino, lo cual hace que no interesen demasiado. Cuando un dispositivo de los
que se encuentran conectados en serie falla, todos los demás se quedan también
sin energía eléctrica. Un ejemplo de un circuito en serie es el siguiente:
En un circuito eléctrico
conectados en paralelo los receptores (en nuestro caso bombillas). Esta
conexión es la más utilizada por ser la más estable. Podemos considerar las
siguientes propiedades o características:
·
La tensión es la misma en todos los puntos del circuito.
·
La intensidad de corriente que proporciona el generador se reparte para
cada uno de los receptores conectados.
Un circuito mixto como
el que se muestra la imagen es una combinación de varios elementos conectados
en paralelo y a la vez otros en serie. Presentan el mismo inconveniente que los
circuitos serie.
. Circuito eléctrico conmutado.
Encender una bombilla
desde dos puntos diferentes Hay estancias de una vivienda donde para apagar o
encender una lámpara se pueden utilizar dos mecanismos eléctricos: son los
conmutadores; como ocurre en el pasillo, los dormitorios y el salón comedor.
Su aspecto exterior es idéntico al de los interruptores, si bien, el
conmutador en vez de disponer por detrás de dos conexiones (bornes) para los
cables tiene tres
Símbolos eléctricos
videos
Cuestiones
sobre electricidad. Conceptos Básicos
1)
¿Qué es la Electricidad?
2)
¿Cuáles son los mejores conductores de
electricidad?
3)
¿Qué entiendes por carga eléctrica?
4)
¿Qué afecta la resistencia en el flujo de
electrones?
5)
¿En qué dirección se mueven los electrones en
la corriente alterna y corriente directo?
6)
¿Quiénes y hace cuanto tiempo descubrieron la
electricidad?
7)
¿Qué se entiende por materia y de que forma se
encuentra en la tierra?
8)
¿Cómo están distribuidos los electrones, neutrones
y protones? ¿Cuáles son sus características?
9)
¿A que velocidad viaja la electricidad?
10) Cuales
son los circuitos eléctricos que existen.? Define cada uno. Haga un ejemplo en
cada caso.
11) ¿Cuál
es la fórmula para calcular la resistencia total en un circuito en serie y en
un circuito en paralelo?
12) ¿Cuáles
son las características de un circuito en serie?
13) ¿Cuáles
son las características de un circuito en paralelo?
14) ¿Qué
función tiene los electrones?
15) ¿Cuáles
son los mejores aislantes?
16) ¿Qué
factores aumentan la resistencia en un circuito eléctrico?
17) ¿Qué
entiendes por corriente eléctrica?
18) ¿Qué
es campo eléctrico?
19) ¿Qué
entiendes por potencial eléctrico?
20) ¿Para
que se usa la electricidad?
21) ¿Qué
son materiales dieléctricos?
22) ¿Qué
establece la ley de Ohm?
23) Dibuje
el diagrama de la ley de Ohm.
24) ¿Qué
es un circuito eléctrico y cuáles son sus partes?
25) Explique
con sus palabras lo que has aprendido hasta este punto del programa.
