¿Alguna vez has notado que cuando te quitas el saco sientes un suave ruido y si te encuentras en un cuarto oscuro, observas que ese ruido proviene de las chispas que salen de tu ropa? ¿O que al acercarte a un objeto metálico sientes una ligera sacudida que atraviesa tu cuerpo? Así como esto ocurre en pequeña escala en tu vida diaria, en la naturaleza otros fenómenos similares se dan con mayor ímpetu, por ejemplo, las descargas eléctricas que observamos durante una tormenta.
Estos fenómenos electrostáticos tienen un origen a nivel microscópico, a partir de la estructura atómica de la materia, cuyas partículas no se pueden ver, pero sí se hacen sentir. En este curso analizaremos el comportamiento de la carga en los diferentes materiales, las leyes que rigen su acumulación y las que rigen la interacción entre las mismas, los conceptos de diferencia de potencial, energía potencial eléctrica y los condensadores.

La electricidad.

En la Grecia clásica se estudió un fenómeno especial: la propiedad que tenían ciertos cuerpos de atraer objetos livianos después de haber sido frotados con un tejido, inicialmente se creía que el ámbar (resina fósil) era el único material que presentaba esta propiedad. Tales de Mileto realizó experimentos en los cuales demostró que el ámbar, después de ser frotado con la piel de un animal, atraía ciertas semillas. Tales creía que el ámbar tenía una propiedad vital.
Pero en el siglo XVI, el físico inglés William Gilbert descubrió que otras sustancias también podían adquirir la propiedad reseñada. A estas sustancias las denominó sustancias eléctricas y a la propiedad la denominó electricidad, palabra que deriva del griego elektron (ámbar).

La electrización

En muchas ocasiones habrás sentido la electrización en el momento en que al peinarte, tu cabello se levanta como si existiera una atracción hacia él. También habrás sentido un leve corrientazo cuando al bajarte de un auto tocas una de sus manijas. Pues bien este fenómeno se denomina electrización y consiste en el poder de atracción que adquieren los objetos después de ser frotados.
El comportamiento eléctrico de los cuerpos está íntimamente relacionado con la estructura de la materia. Los cuerpos están formados por entidades llamadas átomos. En los átomos existen partículas que poseen carga positiva (protones), carga negativa (electrones) y otras partículas cuya carga es neutra (neutrones).
En general, los átomos poseen igual número de protones que de electrones, por lo cual la carga positiva de los primeros se compensa con la negativa de los segundos. Así mismo, el átomo en conjunto, no tiene carga eléctrica neta, por lo tanto, es eléctricamente neutro.
Al someter un cuerpo a ciertas manipulaciones, como la frotación con una barra de vidrio o de plástico electrizador, ese cuerpo puede ganar electrones o perderlos. Esto se debe a que las barras de vidrio o de plástico se electrizan al frotarlas, respectivamente, con seda o con lana. Al frotar la barra de plástico gana electrones de la lana (aumentando carga negativa), y la barra de vidrio cede electrones a la seda (aumentando carga positiva). Es decir, el tipo de carga eléctrica que un cuerpo tiene está en función de que ese cuerpo tenga más o menos electrones que protones.

Observa el siguiente video para que comprendas mejor el concepto de electrización.

El norteamericano Benjamín Franklin, quien realizó distintos descubrimientos en el campo de la electricidad, sugirió la existencia de un único tipo de carga o fluido eléctrico. Cuando la cantidad de la misma en un cuerpo era superior a lo normal, este presentaba electricidad positiva (1), la adquirida por el vidrio; y cuando la misma era inferior a lo normal, el cuerpo tenía electricidad negativa (2), la adquirida por el ámbar.
La magnitud física que nos indica la cantidad de esa propiedad de la materia se denomina carga eléctrica o, simplemente, carga.
La unidad de la carga eléctrica en el SI se denomina coulomb o culombio su símbolo es C.
Franklin propuso que las fuerzas ejercidas entre cuerpos electrizados eran acciones a distancia, unas de tracción y otras de repulsión, cuya ocurrencia dependía del tipo de electrización de dichos cuerpos.
En la actualidad, existen dos tipos de carga a las que por convenio, se les denomina cargas positivas (1) y cargas negativas (2), y por convenio, se considera como carga eléctrica negativa la que tiene el electrón, mientras la carga del protón se considera como positiva. Los átomos poseen el mismo número de protones que de electrones, por lo que la carga positiva de los primeros se compensa con la carga negativa de los segundos. Por este motivo, un átomo en conjunto, no posee carga eléctrica neta y se dice que es eléctricamente neutro

 

Cargas eléctricas

Observa el siguiente video para que comprendas mejor el concepto de carga eléctrica.
Simulación 1. Dando click en la siguiente imagen podrás acceder a un simulador donde observaras como interactúan las cargas en un campo eléctrico.
Revisemos lo aprendido hasta aquí. Da click sobre la imagen para iniciar el cuestionario.
Revisemos lo aprendido hasta aquí. Da click sobre la imagen para iniciar el cuestionario.

Conductores y aislantes

En los fenómenos eléctricos se observa que el comportamiento de la materia respecto a la transmisión de electricidad es muy diverso. Existen medios materiales en los que las cargas eléctricas no se transmiten, estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. Entre ellos se encuentran la seda, el vidrio, la madera, la porcelana, etc.
Por el contrario, hay otros materiales en los que las cargas eléctricas se transmiten con facilidad. En este caso se dice que los medios son conductores. Los medios conductores más característicos son los metales.
Algunos elementos como el silicio o el germanio presentan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores, pero distinta. A estos elementos se les denomina semiconductores. El aire y la mayoría de los gases, normalmente son malos conductores, ya que solo conducen electricidad en ocasiones especiales.
Los semiconductores se utilizan en la construcción de transistores y son de gran importancia en la electrónica.
Desde un punto de vista atómico, en un conductor los electrones se encuentran ligados con menor firmeza, por lo cual pueden moverse con mayor libertad dentro del material. En el interior de un material aislante los electrones se encuentran ligados muy firmemente a los núcleos, por tanto no existen electrones libres. Mientras en un semiconductor la existencia de electrones libres es mínima.
En 1911, el físico holandés Keike Kamerling Onnes (figura 4) descubrió que algunos materiales, al ser expuestos a temperaturas muy bajas aproximadamente al cero absoluto, cerca de 2273°C, mejoraban su conductividad notablemente, y ofrecían una resistencia casi nula al movimiento de las cargas eléctricas. Este fenómeno se denominó superconductividad. Posteriormente, en 1987, se descubrió la superconductividad a temperaturas más altas (temperaturas mayores a 100 K, es decir, 2173 °C).

Fuerzas entre cargas. La ley de Coulumb

Los cuerpos cargados experimentan una cierta interacción de atracción o de repulsión entre ellos. La fuerza que caracteriza esta interacción depende de las distancias entre los cuerpos y de la cantidad de carga eléctrica.
El físico francés Charles Coulomb (figura 5), utilizando una balanza de
torsión, estudió las fuerzas con las que se atraían o repelían los cuerpos cargados. Estas fueron sus conclusiones:
–  Las fuerzas eléctricas aparecen sobre cada una de las dos cargas que interactúan, y son de igual magnitud e igual línea de acción, pero de sentidos opuestos.
– Las fuerzas eléctricas dependen de los valores de las cargas. Cuanto mayor sean esos valores, mayor será la fuerza con la que se atraen o
repelen.
– Las fuerzas eléctricas dependen de la distancia que separa las cargas:
cuanto mayor sea esa distancia, menor será la fuerza entre ellas.
– Las fuerzas eléctricas dependen del medio en el que están situadas las cargas. No es igual la fuerza entre dos cargas cuando están en el vacío que cuando están en otro medio material, como el aceite o el agua.
El método para medir la carga se estableció ocho décadas después de las investigaciones de Coulomb y se definió en términos de la corriente eléctrica. La unidad natural de la carga eléctrica es la unidad de la cantidad de carga que tiene un electrón; pero, al ser una cantidad muy pequeña, el SI define como unidad de carga eléctrica el culombio (C).

Observa el siguiente video donde te mostraran como se utiliza la ley de Coulumb
Momento de practica, copia y realiza las siguientes actividades en tu cuaderno. Luego preséntalas a tu profesor.

A. Dos cargas puntuales se encuentran cargadas con 3 μC y – 4μC. Si se acercan a una distancia de 2 cm, ¿Cuál es la fuerza de atracción entre ellas?

B. Dos cargas puntuales positivas de 3 μC y 4 μC se encuentran en el aire separadas 2 cm. Calcular la fuerza resultante que las cargas ejercen sobre otra también positiva de 2 μC situada en el punto medio de la línea que une las dos primeras.  Como se muestra en la imagen.

Simulación 2. Dando click en la siguiente imagen podrás acceder a un simulador donde observaras como interactúan las cargas en un campo eléctrico.

Campo eléctrico

Sabemos que la fuerza eléctrica es una fuerza a distancia y que los objetos cargados se consideran como cargas puntuales, cuya norma está determinada por la ley de Coulomb. Todo lo anterior se ha presentado bajo el punto de vista newtoniano. Por ello, cuando se habla de campo, pasamos a otra forma de concebir el fenómeno eléctrico, ya que no consideramos fuerzas a distancia sino que, en presencia de una carga, el espacio se modifica, de tal manera que si colocamos pequeñas cargas (llamadas cargas de prueba y por convención son positivas) siguen una dirección determinada. Esta deformación o alteración del espacio se denomina campo eléctrico. La carga crea una tensión en el campo que obliga a las pequeñas cargas a moverse hacia ella o a alejarse de ella. En donde, a mayor carga mayor es la deformación o alteración del espacio que rodea el objeto eléctricamente cargado. Es como la deformación de una superficie elástica causada al colocar un objeto pesado, la cual se hunde y todo objeto liviano que cae sobre él describe una trayectoria determinada. Michael Faraday fue quien introdujo el término de campo eléctrico para referirse a la influencia que ejerce un objeto cargado eléctricamente sobre el espacio que lo rodea.

Líneas de campo

Las líneas de fuerza son las líneas que se utilizan para representar gráficamente un campo eléctrico, las cuales son tangentes, en cada punto, a la intensidad del campo. De la observación de un campo electrostático podemos apreciar el valor de su intensidad en una zona o un punto determinado por la densidad de líneas. En las zonas de mayor intensidad, la densidad de líneas es mayor (las líneas están más cercanas) que en las zonas de menor intensidad (las líneas están más separadas). En la siguiente figura se representan las líneas de fuerza del campo creado por una carga puntual (1) y por una carga puntual negativa (2). 

Se puede observar que, en los puntos más cercanos al objeto cargado, las líneas están más cerca unas a otras, debido a que en las regiones donde hay más concentración de líneas de fuerza, es mayor la fuerza sobre la carga de prueba. De igual manera, podemos decir que en las regiones donde hay menor concentración de líneas de fuerza, menor es la fuerza que experimenta la carga de prueba.

Observa el siguiente video para que comprendas mejor los campos eléctricos y las líneas de fuerza.

Energía eléctrica: conceptos y principios básicos

Este video presenta una analogía entre el funcionamiento de un sistema hidráulico con el funcionamiento de un sistema eléctrico, con el fin de entender los conceptos de voltaje, corriente y resistencia en un circuito eléctrico.

Revisemos lo aprendido hasta aquí. Da click sobre la imagen para iniciar el cuestionario.

Parámetros básicos en un circuito eléctrico

Enseguida conocerás qué son la corriente eléctrica, el voltaje y la resistencia, para que sepas cómo se miden y cómo se representan en un circuito.

En un circuito eléctrico se pueden encontrar distintos elementos, como fuentes de voltaje y resistencias eléctricas, así como componentes que permitirán el funcionamiento de ellos como conductoresinterruptores, entre otros.

Para facilitar la representación gráfica de un circuito eléctrico se utilizan una serie de símbolos con los cuales se genera la forma esquemática del circuito. Cada elemento eléctrico tiene su símbolo correspondiente.

Adicionalmente, en un circuito eléctrico, existen parámetros  como voltajecorriente y resistencia, que se pueden calcular o medir.  

Te recomiendo tener presentes los siguientes datos:

¿Qué es la corriente eléctrica?

La corriente eléctrica (I) se define como el flujo de cargas entre unidad de tiempo que pasan a través de un conductor, y su unidad de medida es el Ampere (A).

Está compuesta de partículas en movimiento en un conductor eléctrico que presentan una carga positiva o negativa. Lo más común es que estas partículas sean electrones, es decir, cargas eléctricas negativas.

Desplazar una carga negativa a la izquierda equivale a desplazar una carga positiva a la derecha. Lo anterior significa que el flujo de cargas negativas (electrones) hacia la izquierda equivale a un flujo de cargas positivas hacia la derecha.

¿Qué tipos de corrientes eléctricas existen?

Existen dos tipos de corriente eléctrica, la corriente directa y la corriente alterna.

En el caso de la corriente directa (CD), su valor no cambia a lo largo del tiempo.

Cuando un circuito eléctrico trabaja en CD, se le conoce como circuito de corriente directa.

 

En el caso de la corriente alterna (CA) el valor varía en el tiempo y está alternando de positivo a negativo de forma repetitiva.

Cuando un circuito eléctrico trabaja en CA, se le conoce como circuito de corriente alterna. 

La corriente que fluye por las líneas eléctricas y la electricidad disponible normalmente en las casas procedente de los enchufes de la pared es corriente alterna.

¿Qué es el voltaje?

El voltaje es la fuerza que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado y se mide en volts (V).

Al igual que en la corriente, existen básicamente dos tipos de voltajes: el voltaje de directa y el voltaje de alterna.

En el voltaje de directa que es también llamado voltaje de corriente directa (VCD), su valor no cambia a lo largo del tiempo.

Una fuente común de voltaje de directa puede ser una batería. 

En el caso del voltaje de alterna que es también es llamado voltaje de corriente alterna (VCA), su valor varía en el tiempo y dicho valor está alternando de positivo a negativo de forma repetitiva.

Una fuente de voltaje de alterna la puedes encontrar en los contactos eléctricos de tu hogar.

¿Qué es la resistencia eléctrica?

Se conoce como resistencia eléctrica (R) a la oposición que presenta un material cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. La resistencia se mide en Ohms (Ω). 

La resistencia es el elemento más común en un circuito eléctrico, dado que no hay un circuito eléctrico que no presente resistencia, incluso, un simple pedazo de cable presenta una resistencia eléctrica.

Aunque la resistencia es parte de cualquier carga eléctrica (televisor, refrigeradores, lavadoras, etc.), existen elementos individuales que sirven para introducir una resistencia eléctrica en un circuito eléctrico.

La forma más común de estas resistencias es un encapsulado en forma de pequeños cilindros con bandas de colores que indican su valor y precisión. Las resistencias se construyen con diferentes tipos de materiales, esto da como resultado diferentes niveles de resistencias.

Ley de Ohm

Esta ley de la electricidad fue postulada por Georg Simon Ohm, y establece que el voltaje (V) que existe a través de una resistencia (R) es directamente proporcional a la corriente que circula por la misma (I).

V = I . R

Al pasar la corriente eléctrica por la resistencia, aparece un voltaje cuyo signo positivo está del lado donde entra y negativo del lado donde sale. 

La Ley de Ohm también nos permite conocer la corriente dado el voltaje en la resistencia, reescribiendo la fórmula de la siguiente manera:

 I = V / R

 

Ejemplo de la aplicación de la ley de Ohm

Aprendamos como utilizar la ley de OHM

En este video aprenderás a utilizar la ley de OHM en sus diferentes casos.

Momento de práctica. Resuelve los siguientes ejercicios en tu cuaderno y muéstrale el resultado a tu profesor.

Calcula la intensidad de la corriente que alimenta a una lavadora de juguete que tiene una resistencia de 10 Ω  y funciona con una batería con una diferencia de potencial de 30 V

Calcula el voltaje, entre dos puntos del circuito de una plancha, por el que atraviesa una corriente de 4 amperios y presenta una resistencia de 10 ohmios

Calcula la resistencia atravesada por una corriente con una intensidad de 5 amperios y una diferencia de potencial de 11 voltios.

Revisemos lo aprendido hasta aqui. Da click en la imagen para iniciar el cuestionario.

Circuitos eléctricos

Para hacer funcionar un artefacto eléctrico es necesario lograr que los
electrones libres recorran varias veces el interior de los conductores. Así
cada vez que enciendes el televisor, el equipo de sonido o una linterna,
haces fluir una corriente de electrones en un circuito eléctrico.
Un circuito eléctrico es un conjunto de conductores unidos a uno o varios generadores de corriente eléctrica, que mantienen el flujo de electrones constante en el tiempo.
Además de los generadores existen otros elementos que forman parte
de un circuito: los interruptores, los conectores y los aparatos eléctricos.
– Los interruptores son dispositivos que permiten interrumpir a voluntad el paso de la corriente por un circuito.
– Los conectores son cables y demás conexiones que unen los distintos
elementos que forman el circuito. En general, son fabricados a partir
de los metales y, como tales, constituyen puntos de igual potencial
cada uno.
– Los aparatos eléctricos son los instrumentos o los dispositivos que
funcionan cuando circula una corriente a través de ellos.
Todos los elementos de los circuitos eléctricos suelen ser representados
por medio de símbolos, que son reconocidos mundialmente y que permiten simplificar el proceso de diagramación de un circuito.
Para que un circuito funcione es necesario crear un camino por el cual
los electrones puedan circular. Cuando esto ocurre se dice que el circuito
está cerrado. Si se desconecta el interruptor o alguno de los cables la
corriente deja de fluir y se dice que el circuito está abierto.

Asociación de resistencias

En los circuitos eléctricos se utilizan conductores que se caracterizan por su resistencia. Estos conductores utilizados para unir el resto de los elementos
de un circuito tienen una resistencia despreciable y solamente las llamadas resistencias eléctricas tienen un valor significativo de esta magnitud.
En un circuito pueden usarse varias resistencias. En esta situación se define la resistencia equivalente (Req) de un conjunto de resistencias, como el valor de
una resistencia hipotética por la cual al aplicarle la misma diferencia de potencial que al conjunto, circula la misma intensidad de corriente eléctrica que
en el conjunto. En la siguiente figura se representa la resistencia equivalente para un conjunto de resistencias.

Resistencias en serie

Dos o más resistencias se encuentran asociadas en serie cuando están  conectadas unas a continuación de otras, de tal forma que cada una de ellas hace parte del circuito. En este caso, todas las cargas que circulan por la primera resistencia pasan por la segunda y las que circulan por la segunda resistencia pasan
por la tercera y así sucesivamente. Por tanto, la intensidad de corriente  que fluye por cada resistencia siempre es la misma.
Así al simplificar, la resistencia equivalente cuando existe una asociación  de resistencias en serie es:
Req =  R1 +  R2 +  R3

Aprendamos a resolver circuitos con resistencias en serie.

En el siguiente video vas a aprender como resolver resistencias en serie.

Resistencias en paralelo

En el caso de las resistencias asociadas en paralelo, estas se encuentran unidas de sus extremos, es decir, que cada una de ellas forma parte de una
rama diferente que divide el circuito, tal como se observa en la figura 6.
Como las resistencias no se encuentran distribuidas de la misma manera, las cargas que llegan al punto A se reparten:
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R1
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R2
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R3
Por tanto, la intensidad de corriente “se divide” por cada una de las ramas. Como la carga eléctrica se conserva, el número de cargas que circulan por las tres ramas corresponden al número de carga que ingresó  en el punto A y que posteriormente saldrá por el punto B, es decir:
                                                I = i 1 + i 2 + i 3
Las cargas eléctricas no se reparten por las diferentes ramas de forma aleatoria, estas se desplazan hacia la rama del circuito en la cual la resistencia es menor. De esta manera, la intensidad es menor por la rama del circuito en la que la resistencia es mayor.
En una asociación en paralelo la diferencia de potencial en cada resistencia es la misma, ya que cada resistencia se encuentra conectada al mismo punto, que en este caso corresponde al punto A. Así que:   V1 =  V2  =  V3  =  V4
Si aplicamos la ley de Ohm a cada una de las resistencias tenemos que:

Aprendamos a resolver circuitos con resistencias en paralelo

En el siguiente video aprenderás a resolver circuitos en paralelo.

Momento de práctica. Resuelve los siguientes ejercicios en tu cuaderno y muéstrale el resultado a tu profesor.

1. En el siguiente circuito,

a) calcule la resistencia total del circuito en serie,

b) la corriente de la fuente , c) Determine los voltajes V1, V2, y V3,

Lorem fistrum por la gloria de mi madre esse jarl aliqua llevame al sircoo. De la pradera ullamco qué dise usteer está la cosa muy malar.

2. En la siguiente red en paralelo calcular lo siguiente:

a) La Resistencia Total,

b) La Corriente Total,

Revisemos lo aprendido hasta aqui. Da click en la imagen para iniciar el cuestionario.