APUNTES

Electricidad

En ocasiones, de seguro le habrá ocurrido lo siguiente: al querer encender el interruptor de algún aparato eléctrico, como la televisión, la radio, la licuadora, la plancha, la lavadora o cualquier otro electrodoméstico, con sorpresa y disgusto descubre que el suministro de energía eléctrica está suspendido; sin embargo, después de un tiempo breve vemos con satisfacción su restablecimiento. Pero ¿qué sucede cuando pasan horas, e incluso días, y el suministro de energía eléctrica sigue interrumpido? Seguramente concordará en que gran parte de las comodidades actuales se deben al empleo de la energía eléctrica. Gracias a ella es posible el funcionamiento de dispositivos, máquinas y equipos cuyo empleo le ha permitido al hombre un amplio estudio sobre los fenómenos naturales y sociales, los cuales influyen en el comportamiento y bienestar humanos.

La electricidad es una manifestación de la energía, y para su estudio se ha dividido en varias partes.


Electrostática, estudia las cargas eléctricas en reposo.
Electrodinámica, estudia las cargas eléctricas en movimiento.
Electromagnetismo, estudia la relación entre las corrientes eléctricas y el campo magnético.

¿Ha pensado alguna vez en los cambios que habría en nuestra manera de vivir si por un largo período no tuviéramos energía eléctrica?

Carga eléctrica y sus unidades
Toda la materia, se compone. de átomos y éstos de partículas elementales como los electrones, protones y neutrones. Los electrones y los protones tienen una propiedad llamada: carga eléctrica.

Los neutrones son eléctrica mente neutros porque carecen de carga. Los electrones poseen una carga negativa y los protones una positiva.





El átomo está constituido por un núcleo, en él se encuentran los protones y los neutrones, y a su alrededor giran los electrones. Un átomo normal es neutro, ya que tiene el mismo número de protones o cargas positivas y de electrones o cargas negativas.
Sin embargo, un átomo puede ganar electrones y quedar con carga negativa, o bien, perderlos y adquirir carga positiva. La masa del protón es casi dos mil veces mayor a la del electrón,
pero la magnitud de sus cargas eléctricas es la misma. Por tanto, la carga de un electrón neutraliza la de un protón.

Cuando un objeto se electriza por fricción la carga no se crea, pues siempre ha estado ahí, ni se producen nuevos electrones, sólo pasan de un cuerpo a otro.

Esta observación permite comprender la Ley de la Conservación de la Carga que dice: es imposible producir o destruir una carga positiva sin producir al mismo tiempo una carga negativa de idéntica magnitud; por tanto, la carga eléctrica total del Universo es una magnitud constante, no se crea ni se destruye.

Interacción entre cargas de igual o diferente signo.

Formas de electrizar los cuerpos
Los cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones. Si un cuerpo posee carga positiva, esto no significa exceso de protones, pues no tienen facilidad de movimiento como los electrones. Por tanto, debemos entender que la carga de un cuerpo es positiva si pierde electrones y negativa, cuando los gana.

Los cuerpos se electrizan .por:


Frotamiento



Contacto



Inducción


Revisa la siguiente información aquí y aquí.

Electroscopio y Jaula de Faraday
El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo e identificar el signo de la misma.

Si se acerca a la esferilla un cuerpo con carga la varilla y las laminillas se cargarán por inducción y ya que dos cuerpos con carga de igual signo se rechazan, se separarán una de la otra. Para conocer el signo de la electricidad de un cuerpo, primero se electriza el electroscopio con cargas de signo conocido; entonces se acerca a la esferilla el cuerpo del cual se quiere identificar el signo de la carga, y si ésta es igual, las laminillas se separan aún más, pero se juntan si son de signo contrario.

Jaula de Faraday



El físico inglés Michael Faraday demostró que en un cuerpo electrizado las cargas siempre se acumulan en su superficie. Por tanto, en un conductor hueco las cargas únicamente se distribuyen en la superficie exterior. En el interior de una caja metálica, no se detecta ninguna carga eléctrica.


Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferente signo se atraen y las de igual' signo se rechazan, aun cuando se encuentren separadas. Esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor; la región de influencia recibe el nombre de campo eléctrico. El campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ello es fácil detectar su presencia, así como medir su intensidad.

Líneas de fuerza.

Como el campo eléctrico no se puede ver, el inglés Michael Faraday introdujo, en 1823, el concepto de líneas de fuerza, para poder representarlo gráficamente. Véase las siguientes figuras:

Configuración del campo eléctrico producido por una carga puntual positiva y negativa.

Intensidad del campo eléctrico

Para poder interpretar cómo es la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva (por convención) de valor muy pequeño llamada carga de prueba; de esta manera sus efectos, debido al campo eléctrico, se pueden despreciar. Esa pequeña carga de prueba q se coloca en el punto del espacio a investigar (ver figura). Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que en ese punto del espacio existe un campo eléctrico cuya intensidad E es igual a la relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha cargaprueba q.










                                                                              UNIDAD II


2.1 MAGNETISMO

Se llama magnetismo a la propiedad que tienen algunos cuerpos de atraer limaduras de hierro o acero. Se conoce desde la Antigüedad, época en la que Tales de Mileto ya hablaba sobre la existencia de un óxido de hierro, llamado magnetita, que atraía el hierro con mayor o menor intensidad, lo que dependía de la distancia que separase a ambas materias. Al mismo tiempo observó que, después de estar en contacto con la magnetita, el hierro presentaba también características magnéticas, es decir, se había magnetizado.

2.1.1

Hace 2000 años aproximadamente, en magnesia (antigua ciudad de Turquía), unos pastores que conducían sus corderos en un pastizal, sintieron una fuerte atracción hacia el suelo, debido a la punta metálica de su bastón y a los clavos de su calzado, que les dificulto seguir caminando. Interesados por encontrar la causa removieron la tierra y descubrieron una roca negra, la cual atraía el hierro, la cual recibe el nombre de piedra imán o magnetita; químicamente es un mineral de oxido de hierro cuya formula es Fe3O4
A la civilización china se les imputa dos hechos relevantes: los descubrimientos del campo magnético terrestre y la invención de la brújula.
Los fenicios utilizaron largamente la brújula en sus viajes comerciales en sus naves.
Cristóbal Colón utilizó la brújula en su viaje al nuevo mundo describiendo cómo la aguja imantada no marca exactamente el norte geográfico sino que existe una “desviación magnética”



2.1.2 PROPIEDADES DE LOS IMANES

1) Atraer sustancias magnéticas:

Un imán tiene la capacidad de atraer sustancias magnéticas, como acero y hierro. La capacidad máxima de atracción de un imán se concentra en sus dos extremos, que son conocidos como polos de un imán.

2) Imán suspendido libremente asume dirección norte-sur:

Si el imán está suspendido de un hilo, asumirá la dirección norte-sur. Esta dirección es la misma que la dirección geográfica. El polo apuntando hacia el norte se conoce como el polo norte, mientras que el polo sur que señala se conoce como el polo sur. Incluso si el imán se vuelve hacia otra dirección y luego puesto en libertad, se reubica hacia la dirección norte-sur.

3) Al igual que polos iguales se repelen, los polos opuestos se atraen:

Los polos de dos imanes se repelen entre sí, mientras que los polos opuestos se atraen entre sí. Suspende un imán de un hilo y luego trae un extremo de otro imán cerca del polo norte del imán suspendido. Si el otro polo del imán es el polo sur, el imán suspendido se moverá más cerca de él. Por otro lado, si polo del otro imán es también su polo norte, el imán suspendido se alejará.

2.1.3 Campo magnetico y lineas de fuerza

En la región que rodea a un imán o a una bobina recorrida por una corriente eléctrica, existe un campo magnético que puede ser representado por líneas de flujo magnético, estas líneas no tienen origen ni punto final, existen en lazos cerrados.
Líneas de fuerza
Las líneas de flujo magnético van del polo norte al sur por la parte externa, retornando del sur al norte por la parte interna del imán o de la bobina.
Líneas de fuerzaEn el dibujo la representación es en un plano, la líneas de fuerza rodean todo el volumen del imán, de una forma simétrica, La mayor o menor intensidad de un campo magnético, lo representaremos con una mayor o menor densidad de líneas de fuerza. Cuanto más nos alejemos del imán, las líneas estarán más espaciadas, existirá una menor intensidad del campo magnético.
 

2.1.4 Materiales magnéticos

Materiales Magnéticos Existen unos cuantos materiales que son magnéticos de forma natural, o que tienen el potencial de convertirse en imanes. Algunos de estos materiales son:
hierro
hematita
magnetita
gases ionizados, (como el material del que están hechas las estrellas )
Se puede hacer un imán para atraer objetos que contengan material magnético, como el hierro, aunque este no esté magnetizado. Pero no se puede hacer un imán para atraer materiales plásticos, de algodón o de cualquier otro material, como roca de silicato, pues estos no son materiales magnéticos.
El que un material contenga hierro, o cualquier otro material magnético, no significa que sea un imán. Para que un material magnético se pueda convertir en un imán ha de tener condiciones especiales . Esto se debe a que un imán es un objeto de donde emana la fuerza del magnetismo .

2.1.5 Intensidad del flujo magnético

El flujo magnético (representado por la letra griega fi Φ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético). En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1 weber =108 maxwells).

2.1.6 Teorías del magnetismo

Teoría de Weber:

El magnetismo según Max Weber se debe a imanes moleculares, pues decía que un imán se puede partir indefinidamente y cualquiera de las partes continua siendo un imán e incluso en tal partición se puede llegar a la molécula del imán y ésta conserva sus polos magnéticos, como característica fundamental de los mismos.


Esta teoría establece también que el proceso de imantación de cualquier material ferromagnético consiste en alinear los imanes moleculares en filetes magnéticos, que antes de la imantación tenían direcciones aleatorias cada uno. En los extremos de los filetes se localizan los polos formados, tal como se muestra enseguida.



Teoria de Ewing:

Basado en experimentos, Ewing considera que los dipolos magnéticos moleculares no eran, propiamente, los que se movían orientándose al magnetizar un material ferromagnético; sino que, en los materiales se formaban grupos de átomos con el mismo momento magnético del orden de 1017 a 1021 átomos localizados en regiones limitadas por otros grupos con momentos magnéticos diferentes; y que, al magnetizar un material los grupos se agrandaban y orientaban con el mismo campo que los inducía para magnetizar el material. A estas regiones se les denomina dominios magnéticos  y son del tamaño de una partícula de polvo.
     
Momento magnético de un átomo  es una cantidad en el átomo debida al giro de rotación que tienen los electrones del átomo sobre su propio eje, este momento se conoce también como spin.

El proceso de magnetización de un material consiste, según Ewing en:

1.- El agrandamiento de los dominios que tengan la dirección ó dirección cercana a la del  campo magnetizador si éste es débil.


2.- El giro de  los dominios y agrandamiento de éstos en dirección del campo magnetizador si la intensidad de éste es fuerte.


Teoría de Ampere:

La teoría de Ampere es parecida a la de Weber solo que menciona corrientes elementales en el interior de un material ferromagnético, con direcciones diversas,  en lugar de dipolos magnéticos, como se muestra en la figura siguiente.

Magnetizar un material según Ampere significaba ordenar las corrientes elementales. El resultado de este ordenamiento es una corriente en la periferia de un imán de barra por ejemplo, corriente que ocasionaba dos polos de nombre contrario en los extremos de la barra. Actualmente, se ha querido relacionar a las corrientes elementales con los movimientos externos de los electrones alrededor de sus núcleos.

La suma de las corrientes elementales en la misma dirección en una reja, forman una corriente periférica de reja y la suma de las corrientes de reja forman el campo magnético con polos en los extremos de la barra.

2.1.7 magnetismo terrestre y sus efectos

El campo magnético terrestre es algo que suele pasar desapercibido en nuestro quehacer cotidiano salvo en ocasiones especiales, pero también es cierto que el propio campo geomagnético se ha reducido considerablemente en los últimos años, la mediciones del campo magnético de la Tierra se iniciaron en 1845 y desde entonces los estudios apuntan a una reducción de un  10% en los últimos 160 años, y un 5% en los últimos 10 años, este debilitamiento es más acusado en unas regiones que otras, lo que hace a la zona debilitada más vulnerable a las radiaciones cósmicas nocivas. Las anomalías del campo geomagnético suelen dar en las latitudes polares y al sur de Sudáfrica, la llamada anomalía su atlántica.