Carga eléctrica y electricidad

Corriente alterna y continua. Electromagnetismo. Inducción. Pila. Pilas solares. Fuerza electromotriz

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INTRODUCCIÓN

De acuerdo a nuestra concepción actual de la materia, la carga eléctrica es una propiedad que nace de la estructura misma de la materia, de su estructura atomica.

Esta idea consiste en que la materia está compuestos por átomos, los cuales están formados por la misma canridad de cargas electricas positivas y negativas (además de particulas eléctricamente neutras).

Coulomb encontró experimentalmente que la fuerza de atracción o repulsión ,entre cargas de signos opuestos o iguales, respectivamente, son directamente proporcionales al producto de la intensidad de sus cargas e inversamente proporcionales al cuadrado de distancia entre ellas .

Para lograr que un cuerpo quede cargado eléctricamente requerimos que haya en él un exceso de uno de los dos tipos de carga (+ o - ) , lo cual podemos lograr haciendo uso de diferentes procesos:

Frotamiento, inducción y contacto.

Los materiales, desde la perspectiva del fenómeno eléctrico, pueden clasificarse como:

- Conductores.

- Semiconductores.

- Aislantes.

Esta clasificación se nace considerando la facilidad (o dificultad ) con que tales materiales permiten que la carga eléctrica fluya a través de ellos. En los conductores existen electrones cuya fuerza eléctricas que los unen a la estructura atómica son más débiles que en el caso de los semiconductores o aislantes, en los que tales fuerzas son considerablemente mayores. No se trata, pues, de una clasificación en la que algunos materiales conducen y otros no, sino de una clasificación en base al trabajo necesario para separar un electrón de su estructura atómica y lograr que fluya a través del material.

  • INTRODUCCION AL TEMA.

LA Electricidad categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas (véase Átomo). La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.

  • ¿Que es la carga eléctrica y donde se ubica?

Los antiguos griegos ya sabían en el siglo V a.c. que al frotar ciertas sustancias éstas adquieren la propiedad de atraer cuerpos de masa reducida. Una de las sustancias que manifiestan este fenómeno con mayor facilidad es el Ámbar, cuya denominación en griego, ELEKTRÓN, se aplicó al proceso que tenía lugar en él.

Cuando un cuerpo está electrizado, se dice que presenta una cierta carga eléctrica que caracteriza las propiedades de atracción y repulsión del mismo.

electroscopio

El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de cargas eléctricas. En la figura 1 se muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el físico y químico británico Michael Faraday. El electroscopio está compuesto por dos láminas de metal muy finas (a, a_) colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera (d) recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a través del soporte metálico y llegan a ambas láminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se separan. La distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.

Pueden utilizarse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto: 1) contacto con otro objeto de distinto material (como por ejemplo, ámbar y piel) seguido por separación; 2) contacto con otro cuerpo cargado; 3) inducción.

Carga eléctrica y electricidad

Estos tres objetos muestran la forma en que las cargas eléctricas afectan a conductores y no conductores. Una varilla negativamente cargada (A) afecta a la distribución de cargas de un conductor (B) y un no conductor (C) cercanos. En los lados de B y C más próximos a A se induce una carga positiva, mientras que en los lados más alejados aparece una carga negativa. En el conductor (B), la separación de la carga afecta a todo el objeto, porque los electrones pueden moverse libremente. En el no conductor (C), la separación se limita a la distribución de los electrones dentro de cada átomo. El efecto se nota más si el no conductor está cerca del objeto cargado.

Carga eléctrica y electricidad

Dos varillas con cargas del mismo signo se repelen. Para observarlo pueden frotarse dos varillas del mismo material (por ejemplo, vidrio) empleando el mismo método (por ejemplo, un paño de seda). Al ser del mismo material y haber sido frotadas de la misma forma, las varillas adquieren cargas del mismo signo. Si se cuelga una varilla de un hilo de forma que pueda girar y se le acerca la otra, la primera gira alejándose de la segunda, lo que demuestra que las cargas se repelen. Si las dos varillas tuvieran cargas de signo opuesto, la primera se acercaría a la segunda, puesto que las cargas de distinto signo se atraen.

En 1813, Hans Christian Oersted predijo que se hallaría una conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1819 colocó una brújula cerca de un hilo recorrido por una corriente y observó que la aguja magnética se desviaba. Con ello demostró que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. Aquí vemos cómo las líneas de campo magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.

Carga eléctrica y electricidad

Las líneas de fuerza eléctricas indican la dirección y el sentido en que se movería una carga de prueba positiva si se situara en un campo eléctrico. El diagrama de la izquierda muestra las líneas de fuerza de un campo eléctrico creado por dos cargas positivas. Una carga de prueba positiva sería repelida por ambas. El diagrama de la derecha muestra las líneas de fuerza de un campo eléctrico creado por dos cargas de signo opuesto. Una carga de prueba positiva sería atraída por la carga negativa y repelida por la positiva.

Carga eléctrica y electricidad

  • ¿Que fenómenos físicos demuestran la existencia de la carga eléctrica?.

Aquí van algunos fenómenos físicos:

  • Un globo se pega a un pulóver porque, al frotarlos entre sí, uno y otro adquieren cargas opuestas.

  • (atracción) Un globo cargado por frotamiento atrae pequeños trozos de papel. Las cargas del mismo signo se repelen, por lo que las cargas negativas del globo hacen que las cargas negativas del papel se alejen de ellas. De este modo, la zona del papel próximas al globo se cargan positivamente y se adhieren a él porque las cargas opuestas se atraen.

  • (repulsión) los dos globos cargados cuelgan de un mismo punto, uno al lado del otro. Se repelen entre si porque ambos están cargados negativamente. Si su estado fuera neutro, penderían contiguos uno al otro.

  • La diferencia de potencial entre nubes, o entre una nube y el suelo, produce descargas eléctricas atmosféricas o rayos. El flujo de electricidad también produce una onda sonora, el trueno.

  • Carga eléctrica y electricidad

  • (carga en una nube). Arriba, en las nubes, torbellinos de partículas de hielo se cargan de electricidad estática. La parte superior de la nube resulta cargada positivamente; y la inferior, negativamente. A veces, esa electricidad se descarga en forma de relámpago dentro de la nube, para restablecer el equilibrio de las cargas.

  • (inducción electroestática)frotando una cuchara de plástico sobre la ropa es posible desviar el chorro de agua que mana de una llave. Las cargas negativas de la cuchara repelen lejos de ellas a las cargas negativas del agua, mientras que atraen hacia ellas a las positivas. Así la cuchara induce la aparición en el agua de zonas cargadas, por lo que el efecto se llama de inducción electrostática.

    • ¿ Qué es una corriente eléctrica y como se produce ?-


    Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.


    El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ù), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación e = I × R, donde e es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos.

    Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito determinado puede calcularse a partir de la expresión P = e × I, o la que se obtiene al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I2 × R. También se consume potencia en la producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como luz u ondas de radio y en la descomposición química.

    Carga eléctrica y electricidad

    - ¿Qué es y como se produce una C.C. y una C.A.?

    Hasta ahora se ha considerado que la corriente eléctrica se desplaza desde el polo positivo del generador al negativo (la corriente electrónica o real lo hace al revés: los electrones se ven repelidos por el negativo y atraídos por el positivo).

    Carga eléctrica y electricidad

    En una gráfica en la que en el eje horizontal se expresa el tiempo y en el vertical la tensión en cada instante, la representación de este tipo de corriente, que llamaremos CORRIENTE CONTINUA, es el de la figura 1, si el valor de la tensión es constante durante todo el tiempo y ...

    Fig.1 : Corriente continua

    Carga eléctrica y electricidad

    la de la figura 2 si dicho valor varía a lo largo del tiempo ( pero nunca se hace negativa)

    Fig.2 : Corriente continua variable

    Carga eléctrica y electricidad

    Ahora bien, existen generadores en los que la polaridad está constantemente cambiando de signo, por lo que el sentido de la corriente es uno durante un intervalo de tiempo, y de sentido contrario en el intervalo siguiente. 
    Obsérvese que siempre existe paso de corriente; lo que varia constantemente es el signo (el sentido) de ésta.

    Fig.3 : Corriente alterna

     

    Naturalmente, para cambiar de un sentido a otro, es preciso que pase por cero, por lo que el valor de la tensión no será el mismo en todos los instantes. A este 

    tipo de corriente se le llama CORRIENTE ALTERNA, y, por el mismo motivo, se habla de TENSION ALTERNA. La figura 3 muestra un ejemplo de corriente alterna.

    La corriente contínua se abrevia con las letras C.C.(Corriente Continua) o D.C. (Direct Current), y la alterna, por C.A. (Corriente Alterna) o A.C.(Alternated Current) .

    Un poco mas de CORRIENTES ALTERNAS  

    Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en este principio, y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente alterna. Esta corriente tiene una serie de características ventajosas en comparación con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La característica práctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagnético denominado transformador. Cuando una corriente alterna pasa por una bobina de alambre, el campo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa otra bobina en el campo magnético de la primera bobina, sin estar directamente conectada a ella, el movimiento del campo magnético induce una corriente alterna en la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras mayor que la primera, la tensión inducida en ella será mayor que la tensión de la primera, ya que el campo actúa sobre un número mayor de conductores individuales. Al contrario, si el número de espiras de la segunda bobina es menor, la tensión será más baja que la de la primera.

    • ¿que es y como funciona una pila eléctrica?

    Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrólito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrólito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente eléctrica.
    Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía química se ha transformado en energía eléctrica (es decir, cuando las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas reversibles en las que el producto químico que al reaccionar en los electrodos produce energía eléctrica, puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal de la pila.

  • PILAS PRIMARIAS  

  • La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en la década de 1860. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrólito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que el recipiente de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 voltios.

    Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce 1,34 V, aproximadamente.


    La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.

  • PILAS SECUNDARIAS  

  • El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse invirtiendo la reacción química, fue inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería, que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrólito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrólito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrólito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrólito produciendo nuevamente sulfato de plomo.


    Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se invierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.

    Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo es de óxido de níquel y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce 1,15 V, aproximadamente.


    Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

  • PILAS SOLARES  

  • Las pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la superficie opuesta. Allí se recogen como corriente eléctrica. Las pilas solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones, como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.

    • ¿que efectos físico puede producir una corriente eléctrica?

    Principales efectos de la corriente electrica.

    Una corriente electrica que recorre un hilo conductor revela su presencia por diversos efectos:

  • calineta el conductor y si este es bastanrte fino, puede hasta fundirse : Estas propiedades caloríficas caracterizan el efecto joule de la corriente.

  • desvia la aguja imanada: si se coloca un hilo conductor, recorrido por una corriente proximo una brújula y paralelamente a la aguja imanada se ve a esta separarse de la dirección norte-sur. Arroyando varias veces el hilo sobre sí mismo como si se quisiera envolver con el la brújula se obtiene una desviación mas notable, apreciando la corriente, auque el aumento de temperatura del conductor sea apreciable. La corriente electrica tiene, pues, propiedades magneticas.

  • produce fenómenos quiemico: Cortando el hilo conductor y sumergiendo los dos extremos asi obtenido en una una disolución acuosa de un ácido de una sal o de una base, se observa un desprendimiento de gases o formación de depósitos en las partes del conductor sumergidas. La corriente eléctrica, tiene pues, propiedades químicas. Esto quiere decir, que algunas sustancias, tales como las soluciones químicas, son conductoras de la electricidad. Si conectamos un generador o una fuente de poder entre un par de electrodos que estan sumergidos en una solución (eléctrolito ), circulara una cierta corriente. Las soluciones llamadas electrolitos contienen iones positivos y negativos, y transportan la carga electrica entre losa electrodos.

  • El electrodo conectado al lado positivo de la fuente de poder se llama anodo y el conectado al lado negativo, cataodo.

    Como en el electrolito los iones positivos se dirigenal catado se llaman cationes ; como los iones negativos se dirigen al ánodo, se llaman aniones.

    Conclusión.

    En este trabajo demostramos y definimos que el tema de la electricidad ha sido investigado durante siglos y hasta en nuestros días ha demostrado notables avances en la ciencia pudiendo así crecer poco a poco su investigación abriendo puertas importantes a los físicos de hoy en día.

    Hoy por hoy podemos afirmar que la electricidad es una herramienta fundamental para poder subsistir en medio de este mundo con tantos avances tecnológicos que tienen a la electricidad como el motor indispensable para éstos.

    Además nos dimos cuenta, y pudimos comprobar que la electricidad y las cargas eléctricas, no es un tema que este muy lejano de observar y ejemplificar puesto que se pueden obtener cargas eléctricas con tan solo frotar un trozo de PVC.

    Bibliografía.

    • Internet. “ciencias místicas.com.ar (buscador Google).

    • enciclopedia “Guía del estudiante” Física edición 1994.

    • Enciclopedia multimedia “encarta” 2000.

    • El gran saber Larousse, “biblioteca temática educacional” Física (electricidad).

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