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Fisica Fisica Document Transcript

  • 1.-Antecedentes Históricos de la ElectricidadLa palabra electricidad proviene del vocablo griego “elektron”, que significa “ámbar”. El ámbar es una resinafósil transparente de color amarillo, producido en tiempos muy remotos por árboles que actualmente estánconvertidos en carbón fósil.Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales de Mileto, quien vivióaproximadamente en el año 600 a.C. Señalaba que al frotar el ámbar con una piel de gato, podía atraer algunoscuerpos ligeros como polvo, cabellos o paja.El físico alemán Otto de Guericke (1602-1686) construyó la primera máquina eléctrica, cuyo principio defuncionamiento se basaba en el frotamiento de una bola de azufre que giraba produciendo chispas eléctricas. Elholandés Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) descubrió la condensación eléctrica, al utilizar la llamadabotella de Leyden, que es un condensador experimental constituido por una botella de vidrio que actúa comoaislante o dieléctrico.El norteamericano Benjamín Franklin (1706-1790) pudo observar que cuando un conductor cargadonegativamente termina en punta, se acumulan los electrones en esa parte y por repulsión abandonan dichoextremo, fijándose sobre las moléculas de aire o sobre un conductor cercano cargado positivamente (tienecarencia de electrones). Aprovechó las propiedades antes descritas y propuso aplicarlas en la protección deedificios, mediante la construcción del pararrayos.Charles Coulomb científico francés (1736-1806), estudió las leyes de atracción y repulsión eléctrica. En 1777inventó la balanza de torsión que medía la fuerza por medio del retorcimiento de una fibra fina y rígida a la vez.El científico italiano Alessandro Volta (1745-1827), también contribuyó notablemente al estudio de laelectricidad. En 1775 inventó el electróforo, dispositivo que generaba y almacenaba electricidad estática. En1800 explicó por qué se produce electricidad cuando dos cuerpos metálicos diferentes se ponen en contacto.Empleó su descubrimiento para elaborar la primera pila eléctrica del mundo; para ello, combinó dos metalesdistintos con un líquido que servía de conductor.Fue Georg Ohm, físico alemán (1789-1854), quien describió la resistencia eléctrica de un conductor, y en 1827estableció la ley fundamental de las corrientes eléctricas al encontrar que existe una relación entre la resistenciade un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica.Por su parte, Michael Faraday, físico y químico inglés (1791-1867), descubrió como se podía emplear un imánpara generar una corriente eléctrica en una espiral de hierro. Propuso la teoría sobre la electrización porinfluencia, al señalar que un conductor hueco (jaula de Faraday) forma una pantalla por las acciones eléctricas.A partir del descubrimiento de la inducción electromagnética, Faraday logro inventar el generador eléctrico.El físico inglés James Joule (1818-1889), estudió los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas y elcalor desprendido en los circuitos eléctricos.Otros investigadores que han contribuido al desarrollo de la electricidad son: el norteamericano Joseph Henry(1797-1878), que construyó el primer electroimán; el ruso Heinrich Lenz (1804-1865), quien enunció la leyrelativa al sentido de la corriente inducida; el escocés James Maxwell (1831-1879), quien propuso la teoríaelectromagnética de la luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético; el yugoslavo Nicola Tesla(1856-1943), quien inventó el motor asincrónico y estudió también las corrientes polifásicas; y el inglés JosephThomson (1856-1940), quien investigó la estructura de la materia y de los electrones.
  • En los últimos sesenta años, el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamente. Ello, debido a que se hapodido comprobar que posee muchas ventajas sobre otras clases de energía, por ejemplo: puede sertransformada fácilmente, se transporta de manera sencilla y a grandes distancias a través de líneas aéreas que nocontaminan el ambiente. Se puede utilizar también en forma de corrientes muy fuertes para alimentar enormesmotores eléctricos o bien en pequeñas corrientes para hacer funcionar dispositivos electrónicos.En los países desarrollados, existen actualmente varios medios para producir energía eléctrica: centraleshidroeléctricas, termoeléctricas o nucleoeléctricas, cuya finalidad es evitar el consumo excesivo del petróleo.4.2 estructura atomicaEl átomo es la parte más pequeña en la que se puede obtener materia de forma estable, ya que las partículas subatómicas que lo componenno pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales. El átomo está formado por un núcleo, compuesto a su vez por protonesy neutrones, y por una corteza que lo rodea en la cual se encuentran los electrones, en igual número que los protones.Protón, descubierto por Ernest Rutherford a principios del siglo XX, el protón es una partícula elemental que constituye parte del núcleo decualquier átomo. El número de protones en el núcleo atómico, denominado número atómico, es el que determina las propiedades químicas delátomo en cuestión. Los protones poseen carga eléctrica positiva y una masa 1.836 veces mayor de la de los electrones.Neutrón, partícula elemental que constituye parte del núcleo de los átomos. Fueron descubiertos en 1930 por dos físicos alemanes, WalterBothe y Herbert Becker. La masa del neutrón es ligeramente superior a la del protón, pero el número de neutrones en el núcleo no determinalas propiedades químicas del átomo, aunque sí su estabilidad frente a posibles procesos nucleares (fisión, fusión o emisión de radiactividad).Los neutrones carecen de carga eléctrica, y son inestables cuando se hallan fuera del núcleo, desintegrándose para dar un protón, un electróny un antineutrino.Electrón, partícula elemental que constituye parte de cualquier átomo, descubierta en 1897 por J. J. Thomson. Los electrones de un átomogiran en torno a su núcleo, formando la denominada corteza electrónica. La masa del electrón es 1836 veces menor que la del protón y tienecarga opuesta, es decir, negativa. En condiciones normales un átomo tiene el mismo número de protones que electrones, lo que convierte alos átomos en entidades eléctricamente neutras. Si un átomo capta o pierde electrones, se convierte en un ion.
  • 4.4Fuerza eléctricaEntre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende de el valor de lascargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismosigno se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.La fuerza entre dos cargas se calcula como:q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2d = Distancia de separación entre las cargasFe = Fuerza eléctricaLa fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección ysentido.Dirección de la fuerza eléctricaSi se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas.Sentido de la fuerza eléctricaEl sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracciónsi las cargas son de signo contrario.
  • Fuerzas originadas por varias cargas sobre otraSi se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantearcada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobreesta carga y se hace la composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.4,4 carga electricaComo ya se señaló, un cuerpo tiene carga negativa siposee exceso de electrones y carga positiva si tienecarencia o déficit de ellos.  Por tal motivo, la unidad elemental para medir carga eléctrica es el electrón, pero como es una cantidad muy pequeña se utilizan unidades prácticas de acuerdo con el sistema de unidades empleado. En el Sistema Internacional se utiliza el Coulomb (C) y en el Sistema CGS, la unidad electrostática de carga (u.e.s) o estatcoulomb. La equivalencia entre estas unidades es la siguiente:  1 Coulomb = 1 C = 6.24 x 1018 electrones.  1 estatcoulomb = 1 ues = 2.08 x 109 electrones.  1 C = 3 x 109 ues.  1 electrón = - 1.6 x 10 -19 C.  1 protón = 1.6 x 10 -19 C.
  •  Por lo tanto, si un cuerpo tuviera una carga negativa de un coulomb, significa que tiene un exceso de 6.24 x 1018 electrones; o una carencia de igual cantidad de electrones, si su carga fuera positiva.  El coulomb es una unidad de carga eléctrica muy grande, por lo cual es común utilizar submúltiplos, como son el centicoulomb = cC = 1 x 10 -2 C, el milicoulomb = mC = 1 x 10-3 C, el microcoulomb = μC = 1 x 10-6 C, el nanocoulomb = nC = 1 x 10-9 C y el picocoulomb = pC = 1 x 10-12 C. Formas de electrizar a los cuerpos Los cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones.Si un cuerpo posee carga positiva, esto no significa excesode protones, pues no tiene facilidad de movimiento comolos electrones. Por lo tanto, debemos entender que lacarga de un cuerpo es positiva si pierde electrones ynegativa cuando los gana. Los cuerpos se electrizan por:frotamiento, contacto e inducción Frotamiento.  Los cuerpos electrizados por frotamiento producen pequeñas chispas eléctricas, como sucede cuando
  • después de caminar por una alfombra se toca un objeto metálico o a otra persona, o bien al quitarse el suéter o un traje de lana. Otro ejemplo de electrización por frotamiento es cuando el cabello se peina con vigor pierde algunos electrones, adquiriendo entonces carga positiva; mientras tanto el peine gana dichos electrones y su carga final es negativa. Si el cuarto es oscuro las chispas se verán además de oírse. Estos fenómenos se presentan en climas secos o cuando el aire está seco, ya que las cargas electrostáticas se escapan si el aire está húmedo. Contacto. Este fenómeno de electrización se origina cuando un cuerpo saturado de electrones cede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto. Pero si un cuerpo carente de electrones o con carga positiva, se une con otro, atraerá parte de los electrones de dicho cuerpo. Inducción. Esta forma de electrización se presenta cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado. Por ejemplo una barra de plástico cargada
  • al acercarse a un trozo de papel en estado neutro o descargado. A medida que la barra se aproxima, rechaza los electrones del papel hasta el lado más alejado del átomo. Así pues, la capa superficial del papel más próxima a la barra cargada, tiene el lado positivo de los átomos, mientras la superficie más alejada tiene el lado negativo.  Como la superficie positiva del papel está más cerca a la barra que la superficie negativa, la fuerza de repulsión es menor a la de atracción y la barra cargada atrae el pedazo de papel. DIVISIONElectrostática y electrodinámicaArtículos principales: electrostática y electrodinámicaLa electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos resultantes de la distribución de cargaseléctricas en reposo, esto es, del campo electrostático.1 Los fenómenos electrostáticos son conocidos desde laantigüedad. Los griegos del siglo V a. C. ya sabían que al frotar ciertos objetos estos adquirían la propiedad deatraer cuerpos livianos. En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado donde cuantificaba las
  • fuerzas de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y describía, por primera vez, cómo medirlasusando una balanza de torsión. Esta ley se conoce en su honor con el nombre de ley de Coulomb.Durante el siglo XIX se generalizaron las ideas de Coulomb, se introdujo el concepto de campo eléctrico ypotencial eléctrico, y se formuló la ecuación de Laplace, que determina el potencial eléctrico en el casoelectrostático. Se produjeron también avances significativos en la electrodinámica, que estudia los fenómenoseléctricos producidos por cargas en movimiento. En estos fenómenos aparecen asimismo campos magnéticos,que pueden ser ignorados en el caso de circuitos con corriente eléctrica estacionaria, pero deben ser tomados encuenta en el caso de circuitos de corriente alterna.Finalmente, en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y delmagnetismo en un sistema de cuatro ecuaciones en derivadas parciales conocidas como ecuaciones de Maxwell.Con ellas se desarrolló el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, mostrando que ambos tipos sonmanifestaciones del único fenómeno del electromagnetismo, que incluía también a las ondaselectromagnéticas.10ElectromagnetismoArtículo principal: ElectromagnetismoFluido ferroso que se agrupa cerca de los polos de un imán o magneto.Se denomina electromagnetismo a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en unasola teoría, cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez de modo completopor Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas comoecuaciones de Maxwell, que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentesmateriales: densidad de carga eléctrica, corriente eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente dedesplazamiento.A principios del siglo XIX Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricosestaban relacionados. A partir de esa base Maxwell unificó en 1861 los trabajos de físicos como Ampère,Sturgeon, Henry, Ohm y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como unosolo, el fenómeno electromagnético.11Se trata de una teoría de campos; las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicasvectoriales y son dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe losfenómenos físicos macroscópicos en los que intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usandopara ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia. Para la descripción de fenómenos anivel molecular, atómico o corpuscular, es necesario emplear las expresiones clásicas de la energíaelectromagnética conjuntamente con las de la mecánica cuántica.
  • Ecuaciones de Maxwell, en su forma diferencial Nombre de la ley Forma diferencial Ley de Gauss Ley de Gauss para el magnetismo o inexistencia del monopolo magnético Ecuación de Maxwell-Faraday (ley de Faraday) Ley de Ampère-Maxwell •UNIQ4ef3a9ee460d1c89-math-0000004D- QINU•Las ecuaciones de Maxwell describen los campos eléctricos y magnéticos como manifestaciones de un solocampo electromagnético. Además, explican la naturaleza ondulatoria de la luz como parte de una ondaelectromagnética.15 Al contar con una teoría unificada consistente que describiera estos dos fenómenos antesseparados, se pudieron realizar varios experimentos novedosos e inventos muy útiles, como el generador decorriente alterna inventado por Tesla.16 El éxito predictivo de la teoría de Maxwell y la búsqueda de unainterpretación coherente con el experimento de Michelson y Morley llevó a Einstein a formular la teoría de larelatividad, que se apoyaba en algunos resultados previos de Lorentz y Poincaré.Esta unificación es fundamental para describir las relaciones que existen entre los campos eléctricos variablesque se utilizan en la vida diaria —como la corriente alterna utilizada en las redes eléctricas domésticas— y loscampos magnéticos que inducen. Entre otras aplicaciones técnicas, se utiliza para el cálculo de antenas detelecomunicaciones y de circuitos eléctricos o electrónicos en los que hay campos eléctricos y magnéticosvariables que se generan mutuamente.