UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DE SINALOA
Lic. En Ingeniería en Sistemas de Información
Arquitectura de computadoras I
Electricidad
Carlos Eduardo Zurita Cruz
Alumno: Jesús Samuel Sánchez García
La Electricidad (del griego elektron, que significa ámbar) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujos de cargas eléctricas. Es una forma de energía, la energía es la capacidad de realizar un trabajo.
Su origen radica en la presencia de elementos con carga negativa (denominada protones), otros con carga positiva (los electrones) y otros que carecen de carga ni positiva ni negativa (neutrones), estos conforman al átomo. La energía se origina con el movimiento o reposo de estos elementos con carga
.Grandes científicos aportaron a la electricidad como Tales de Mileto (624 a.c.- 546 a.c.) quien fue el primer filosofo-científico en presenciar fenómenos eléctricos, al frotar una barra de ámbar (Piedra preciosa hecha de resina vegetal fosilizada) con un paño, noto que podía atraer objetos ligeros.
A su vez Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827) Físico italiano fue el creador de la batería eléctrica, con dos discos metálicos separados por un conductor húmedo, pero conectados por un por un circuito exterior. Después siguió con sus investigaciones y prototipos ahora tratando solo con metales, dando por hecho que el conductor húmedo no era necesario. El 1800 anuncio su descubrimiento como “pila voltaica”.
También Nikola Tesla (1856-1943) concibió el motor de inducción e inicio el desarrollo de inicio el desarrollo de varios dispositivos que usaban el campo magnético rotativo. Fue el primero en desarrollar tecnología inalámbrica.
Para electrizar cuerpos es necesario ganar o perder electrones, existen tres formas de hacer esto, por fricción, por contacto y por inducción. Electrizar por fricción es el fenómeno más conocido, se presenta cuando frotamos un globo contra nuestro cabello, el globo pierde un número de cargas negativas tornándose potencialmente positivo, y el cabello atrae las cargas negativas. Por contacto: este fenómeno se origina cuando un cuerpo saturado de electrones cede unos al otro cuerpo, con el cual tiene contacto. Por inducción: cuando un cuerpo saturado de electrones sede varios a otro cuerpo solamente al acercársele, durante una tormenta eléctrica, las nubes con carga negativa induce una carga positiva en la superficie de la tierra.
El átomo es el constituyente elemental de la materia, pero este a su vez se conforma de otros elementos. Este está compuesto por un núcleo atómico rodeado por electrones, el núcleo está compuesto por protones con carga positiva y neutrones con carga eléctrica neutra, los electrones con carga negativa, están ligados al núcleo por fuerzas electromagnéticas.
La electroestática es la parte de la física que estudia el fenómeno cuando la electricidad está en reposo, en cuerpos electrizados. La más espectacular forma de descargas electroestática es la chispa, la cual ocurre cuando un fuerte campo eléctrico crea un canal ionizado en el aire.
Hoy en día, es imprescindible considerar a la vida cotidiana sin la electricidad, todos dependemos en cierto modo de un dispositivo eléctrico, desde la simple bombilla, hasta instrumentos más complejos. Imaginar simplemente un día sin electricidad en todo el mundo sería el completo caos. El impacto de la electricidad en nuestra vida ha ido incrementando, desde encender la televisión a distancia, hasta poder manipular un computador. Sin la electricidad simplemente no podríamos imaginarnos la vida como en la actualidad.
La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee cierta cantidad de energía, se puede tocar, medir etc. Está compuesta por partículas invisibles llamados átomos, los cuales están en movimiento y tienen fuerzas que los mantienen juntos.
Entre los personajes que contribuyeron a llegar al modelo atómico actual se encuentra: John Dalton el cual en su teoría explicaba que existían unas minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, iguales entre sí en cada elemento químico. J.J. Thomson: el proponía que una esfera de materia estaba cargada positivamente y en el interior tenia incrustados electrones. E. Rutherford: dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza de electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente. Niels Bohr: propuso un nuevo modelo atómico en el cual los electrones giran alrededor del núcleo central cargado positivamente en unos niveles bien definidos.
Los electrones y los protones juegan el papel principal en la electricidad, pues con el movimiento, el reposo y la interacción simultaneo de estos es como explicamos la electricidad.
La teoría atómica más aceptada actualmente, es la teoría de Niels Bohr, en la cual propone que el átomo está compuesto por un núcleo de protones y neutrones, y varios niveles definidos de electrones orbitando el núcleo, donde la única forma de generar energía es que los electrones salten de una órbita a otra.
Las partículas existentes en el núcleo del átomo son los protones y los neutrones. Los protones están cargados positivos eléctricamente, los neutrones tienen una carga neutra, en conjunto un protón y un neutrón se conoce como nucleones. Cuando el número de neutrones es diferente se les denomina isotopos.
El Sistema Internacional de unidades maneja el Coulomb (C) es la unidad de carga eléctrica. Es la cantidad de electricidad que una corriente de un amperio de intensidad transporta durante un segundo.
C = F . V = A . s
De otra forma en el Sistema CGS se usa El Franklin (stacoulomb) es la unidad física de carga eléctrica utilizada en el sistema centímetro-gramo-segundo. La equivalencia entre el Coulomb (C) y el statcoulomb (statC) es: 1 C = 10×c statC, donde c es el módulo de la velocidad de la luz en el vacío expresada en m/s (299792458).
Entonces decimos que la carga eléctrica es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. Es una propiedad de los cuerpos, cualquier trozo de materia puede tener carga eléctrica ya sea negativa o positiva.
Todo cuerpo se compone de átomos, cada uno posee igual número de electrones (carga negativa) y protones (carga positiva), al contrarrestarse unos a otros el cuerpo está en estado neutro. Pero al frotar, por ejemplo, un peine sobre un chaleco los electrones saltan del chaleco al peine, y este se carga de electricidad estática. El peine ahora tiene más electrones que protones y se carga negativamente, el chaleco con más protones que electrones, se carga positivamente.
En todos los fenómenos eléctricos que se originan en el interior de un sistema aislado, vale la ley de conservación de cargas, según la cual la suma de las cargas eléctricas positivas menos la de las cargas negativas se mantiene constante. Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Las cargas positivas corresponden a más protones que electrones, y las negativas a más electrones que protones. La carga se mantiene. En la electrificación no se está creando carga, solo se está transportando, de un lugar a otro manteniendo la carga total.
El descubrimiento de las cargas eléctricas se le atribuye al filósofo-científico Tales de Mileto, al frotar una barra de ámbar (Piedra preciosa hecha de resina vegetal fosilizada) con un paño, noto que podía atraer objetos ligeros (trozos de paja y plumas pequeñas).
Dos objetos con la misma carga sea positivo o negativo se repelen, y dos objetos con carga negativa y positiva se atraen, esto es gracias a que los electrones atraen a los protones y viceversa, cuando en los dos objetos predominan o los protones o los electrones se repelen.
Un material conductor es aquel que permite el transporte de la carga eléctrica, en general los sólidos son buenos conductores, las cargas eléctricas son libres de moverse por todo el material, es decir, los electrones de carga negativa exteriores a los átomos. El campo eléctrico en el interior es nulo, la carga eléctrica se distribuye sobre la superficie concentrándose en las zonas de menor curvatura, la superficie del conductor es una superficie equipotencial, el campo eléctrico de la superficie está dirigido hacia afuera y es perpendicular a la superficie.
Los aislantes son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad. Los átomos de la materia están constituidos por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran a gran velocidad cargas eléctricas negativas. Estas cargas negativas, los electrones, son indivisibles e idénticas para toda la materia.
Karl Friedrich Gauss nació en Brunswick, actual Alemania (1777-1855) matemático, físico y astrónomo. Contribuyo científicamente en muchos campos, incluyendo la teoría de los números, el análisis matemático, la geometría diferencial, la estadística el álgebra, la geodesia, el magnetismo y la óptica. En 1801 publicó el libro Disquisitione arithmeticae, con seis secciones dedicadas a la Teoría de números, dándole a esta rama de las matemáticas una estructura sistematizada. En 1809 la Teoría del movimiento de los cuerpos celestes que giran alrededor del Sol siguiendo secciones cónicas. En 1813 escribe a Schumacher: “En la teoría de las líneas paralelas, nosotros, no nos encontramos más allá de Euclides. Esta es la parte de la matemática, que más tarde o más temprano debe adquirir una fisonomía absolutamente distinta”.
Ley de Gauss: el flujo eléctrico neto a través de una superficie cerrada cualquiera es igual a la carga neta que se encuentra dentro de ella dividida por la constante ε0.
La ley de Gauss permite calcular de forma simple el campo eléctrico debido a distribuciones de carga con alto grado de simetría, particularmente para distribuciones de carga con simetría esférica, cilíndrica o plana.
Encontrar el flujo eléctrico neto a través de la superficie si:
q1 = q4 = 3.1nC
q2= q5= -5.9nC
Y q3= -3.1nC.
Una de las ventajas que tiene la ley de Gauss a la ley de Coulomb es que es más sencillo Calcular campos eléctricos creados por distribuciones de carga extensas. Sirve para calcular el campo en cualquier caso.Charles-Augustin de Coulomb Físico e ingeniero militar francés. Se recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor la unidad de carga eléctrica lleva el nombre de coulomb (C). Fue el primero en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas investigaciones sobre: magnetismo, rozamiento y electricidad. En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre si dos cargas eléctricas, y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo establecer el principio, que rige la interacción entre las cargas eléctricas, actualmente conocido como ley de Coulomb: "La fuerza de atracción o de repulsión eléctrica es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa". En 1779 publicó el tratado Teoría de las máquinas simples, un análisis del rozamiento en las máquinas.
La ley de Coulomb señala que la fuerza F (newton, N) con que dos cargas eléctricas q1 y q2 se atraen o se repeles es proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. (La constante K=9x10-9 N m2/C29)
El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y medir el potencial eléctrico. Consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o aluminio muy delgadas. La varilla está
sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de metal en contacto con tierra.
Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido.
La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
Ley de coulomb: ejercicios
Tres cargas se encuentran sobre una misma recta, como indica la figura.
q1= 3 x 10-7 C q3= 4 x 10-7 C r2 = 0,2 m
q2 = -2 x 10-7 C r1= 0,1 m
Dada la configuración de cargas que se observan en el dibujo adjunto, calcular la fuerza que actúa sobre cada una de las cargas.
q1= - 4 x 10-3 C. q2= - 2 x 10-4 C. q3=+5 x 10-4 C.
Cálculo entre q1q2
Cálculo entre q2q3
Cálculo entre q1q3
Considere tres cargas puntuales localizadas en las esquinas de un triángulo recto.
Primero se observa la dirección de las fuerzas individuales ejercidas por . La fuerza F23 ejercida por q2 sobre q3 es atractiva debido a que q2 y q3 tiene signos opuestos. La fuerza F13 ejercida por q1 sobre q3 es repulsiva debido a que ambas cargas son positivas.
Campo eléctrico de una distribución lineal de carga. Una carga puntual P es sometida a una fuerza en dirección radial por una distribución de carga en forma de diferencial de línea , lo que produce un campo eléctrico . Definición mediante la ley de Coulomb.
La definición más formal de campo eléctrico, válida también para cargas moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz, surge a partir de calcular la acción de una partícula cargada en movimiento a través de un campo electromagnético. Definición formal.
El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. http://maxwell.ugr.es/bgarcia/tomo2.pdf
Matemáticamente un campo se lo describe mediante dos de sus propiedades, su divergencia y su rotacional. La ecuación que describe la divergencia del campo eléctrico se la conoce como ley de Gauss y la de su rotacional es la ley de Faraday.
Michael Faraday: como el campo eléctrico es invisible, introdujo en 1823 el concepto de líneas de fuerza para poder representarlo gráficamente.
Tales de Mileto: fue el primero en descubrir que si se frota un trozo de ámbar, este atrae objetos más livianos, y aunque no llego a definir que era debido a la distribución de cargas, si creía que la electricidad residía en el objeto frotado.
William Gilbert: Fue el primero en realizar experimentos de electrostática y magnetismo, y quizás su aportación más importante a la ciencia fue la de demostrar experimentalmente el magnetismo terrestre.
Otto Von Guericke: Este físico alemán, nacido en Magdeburgo, fue el creador de la primera máquina electrostática capaz de producir una descarga eléctrica, allá por el año 1672.
Stephen Gray: Este físico ingles estudio principalmente la conductibilidad de los cuerpos y, después de muchos experimentos, fue el primero en transmitir electricidad a través de un conductor en 1729
Charles Coulomb: Este físico e ingeniero francés, nacido en Angulema fue el primero en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas investigaciones sobre: magnetismo, rozamiento y electricidad
El campo eléctrico matemáticamente se define: E=KQq/rª /=KQ/rª
La expresión del módulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fácilmente para el caso sencillo del campo eléctrico creado por una carga puntual Q sin más que combinar la ley de Coulomb con la definición de E. La fuerza que Q ejercería sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genérico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, pero aquélla es precisamente la definición de E y, por tanto, ésta será también su expresión matemática
BIBLIOGRAFIA
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