Electricidad: introducción y conceptos generales para Bachillerato

Introducción y Conceptos Generales de Electricidad

Tema 14. Electricidad
Parte 1: Introducción y conceptos
generales
CFFA
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Naturaleza de la Electricidad

Estructura Atómica

Tema 14. Electricidad
generales).
Parte 1 (Introducción y conceptos

1. Naturaleza de la electricidad
   Estructura de los átomos
   El átomo es la partícula más pequeña de un cuerpo simple y su estructura está formada por una
   parte central que se llama núcleo. En él está concentrada la mayor parte de masa del átomo y
   está compuesto principalmente de electrones, protones y neutrones.

• Electrones: giran a gran velocidad alrededor del núcleo describiendo órbitas elípticas
  y se mantienen en estas órbitas gracias a la energía de atracción eléctrica del núcleo.
  La carga eléctrica de los electrones es negativa y su masa casi despreciable.
• Protones: forman parte del núcleo del átomo. El valor de su carga eléctrica es el
  mismo que el de los electrones pero positiva. Su masa es 1836 veces superior a la del
  electrón.
• Neutrones: también forman parte del núcleo del átomo. Están formados por un protón
  más un electrón así que no tienen carga eléctrica y su masa es aproximadamente
  la de un protón.
  Átomo
  Electrón
  Núcleo
  (protones + neutrones)
  Cada átomo en su estado original tiene el mismo número de electrones que de protones, por lo
  que podemos considerar al átomo como eléctricamente neutro. El átomo, cuando pierde un
  electrón, queda instantáneamente sin equilibrio eléctrico, ya que el número de protones es
  superior al de electrones. En este caso, diremos que el átomo quedará cargado positivamente y
  se convertirá en un ión positivo o catión. Si, en el caso contrario, un átomo captura un electrón,
  quedará cargado negativamente y se convertirá en un ión negativo o anión.
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1 electron
Electron
Proton
Neutron

Li
Li+
Atomo de Litio
Catión Litio
Cuanto más alejados estén los electrones del núcleo, más pequeña será la fuerza de atracción
que recibe del núcleo y, por tanto, más pequeña será la energía que le tengamos que suministrar
para vencer la fuerza de atracción y hacer que salte de la última capa o capa periférica.
Los átomos de diferente carga se atraen y los que tienen la misma carga, se repelen.
Decimos que un cuerpo se ha electrizado cuando ha adquirido una carga eléctrica, o sea,
perdido la neutralidad eléctrica inicial, ya sea ganando o perdiendo electrones.

Carga Eléctrica

Carga eléctrica
A
Definiendo bien este término decimos que la carga eléctrica es la cantidad de electricidad
que posee un cuerpo cargado. Depende del número de electrones ganados o perdidos.
También puede definirse como la diferencia entre el número total de electrones y de protones
en su seno.
Puede ser positiva o negativa.
La unidad de la carga eléctrica, también llamada como unidad de la electricidad es el
culombio (C).

• La carga de 1C equivale a la carga de 6.24.1018 electrones.
• La carga de un elelectrón equivale a la carga de 1.6·10-19 C.
  Si existe un déficit de electrones, la carga es positiva; IÓN positivo o CATIÓN.
  Si existe una ganancia de electrones, la carga es negativa; IÓN negativo o ANIÓN.

++
IÓN POSITIVO
O
CATIÓN
IÓN NEGATIVO
O
ANIÓN
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Ley de Coulomb y Campo Eléctrico

Ley de Coulomb

Ley de coulomb:
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas es proporcional a cada una de las
cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

®
F
atracción o repulsión = K .
Q1 . Q2
d2

• K es una constante que depende del medio que las envuelve, su valor es de 9.109
  N.m2/C2.
• 
  F -> La flecha que tiene la F nos indica que es una magnitud vectorial. Esto quiere
  decir que aparte del valor de la magnitud nos indica su dirección de aplicación.
  También podríamos decir que las magnitudes vectoriales son las que podemos dibujar
  con una flecha (vector) en un esquema.
• Q es carga eléctrica en culombios (C)
• 
  ®
  Unidad de F : Newton
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Campo Eléctrico

El campo eléctrico debido a una carga Q es la región del espacio alrededor de esta carga
donde se manifiestan las fuerzas de atracción o de repulsión sobre otras cargas eléctricas
situadas en este espacio.
El campo eléctrico se representa por las líneas de fuerza, que corresponden a los caminos que
seguiría una carga eléctrica puntual positiva al ser atraída o repelida por la carga eléctrica que
ha creado el campo.

1
1
1
.
1
1
1
1
-+

1
1
+
1
1
-
1
1
t
+
Campo eléctrico
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a) Líneas de campo de
una carga puntual positiva

+
c) Líneas de campo de
un dipolo eléctrico

b) Líneas de campo de
dos cargas positivas

+
+
d) Líneas de campo de cargas diferentes
con diferente intensidad

+
+
La intensidad que ha creado el campo se calcula con la siguiente fórmula:

->
E
= K
Q
2
d

• El campo eléctrico al igual que la fuerza es una magnitud vectorial.
• Relación entre campo eléctrico y fuerza:
• 
  ®
  F = Q.E

->
Es por ello que el campo eléctrico también se define como la la fuerza eléctrica por unidad de
carga.

• 
  Unidad:
  Newton
  N
  Coulombio
  C
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Clasificación de Materiales por Conductividad

• 
  Materiales conductores: En los materiales conductores los átomos de las moléculas
  están unidos por enlaces metálicos (metal-metal), con lo que tenemos una gran cantidad de
  electrones libres (característicos de este tipo de enlace) que son los que se ponen en movimiento
  (intensidad) cuando se aplica una diferencia de potencial en un conductor.
  Todo material es susceptible de ser conductor, todo depende de la tensión (ddp) aplicada. Los
  mejores conductores son:

• Plata, oro, cobre, aluminio.
• Grafito (no metal)
  ELECTRONES FIJOS
  ÁTOMOS
  MATERIAL CONDUCTOR
  ELECTRONES LIBRES
  CORRIENTE
  Is como el selenio. sil
• Materiales semiconductores: Elementos como el selenio, silicio o germanio tienen 4
  electrones de valencia y para formar su estructura comparten estos electrones con otros
  electrones de átomos cercanos. Este tipo de enlace es el llamado enlace covalente y
  proporciona fuerzas atractivas muy fuertes entre los diferentes átomos. Al aumentar la
  temperatura en estos materiales se rompen algunos de estos enlaces y quedan electrones libres,
  por tanto, se convierten en conductores en determinadas circunstancias. Su conductividad
  dependerá del número de electrones libres existentes.
• 
  Materiales aislantes o no conductores: A diferencia de los metales no disponen de
  electrones libres porque necesitan todos sus electrones de valencia para realizar sus enlaces.
  Es aquel material cuya estructura atómica impide todo movimiento de electrones libres de un
  átomo a otro. No existen aislantes perfectos, siempre se produce algún tipo de desplazamiento
  de electrones, pero es tan mínimo que a efectos prácticos se considera nulo.
  Los materiales conductores son los utilizados en los sistemas eléctricos como cauces de la
  circulación de electrones, es decir, de la corriente eléctrica. Por lo contrario los aislantes no
  permiten la circulación de la corriente eléctrica pero son los materiales que pueden acumular
  carga electrostàtica.
  La ELECTRICIDAD es la forma de energía basada en que la materia posee cargas positivas
  y negativas, que pueden manifestarse en reposo (electricidad estática) o en movimiento
  corriente eléctrica) y que puede dar lugar a luz, calor, campos magnéticos, movimientos y
  aplicaciones químicas.
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Efectos y Transformaciones de la Corriente Eléctrica

Según Einstein: "La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma"
Efectos o transformaciones de la corriente eléctrica:

• Luminoso: la corriente pasa por un filamento, éste se calienta y brilla.
• Mecánico (movimiento): basado en el fenómeno de inducción magnética (motores).
• Calorífico: la electricidad pasa por un cable y lo calienta, por ejemplo en una estufa.
• Químico: por efecto eléctrico podemos descomponer algunas sustancias.
• Magnético: la corriente también produce efectos magnéticos (lo veremos más
  adelante).
  Transformaciones
  Radiante
  entre los seis
  tipos
  de energía.
  Nuclear
  Química
  Eléctrica
  Térmica
  Mecánica

Electricidad Estática

Electricidad estática
Es el conjunto de electrones libres que permanecen en un sitio sin moverse y con una carga
negativa. Si estos electrones estáticos tienen la oportunidad de saltar hacia un conductor, puede
provocar una descarga electroestática. Un cuerpo se dice que esta cargado si contiene un
número de electrones superior o inferior al normal. Puede ser positivo o negativo según los
electrones están respectivamente en defecto o en exceso con respecto a los protones. Si el
número de electrones es igual al de protones, entonces se dice que el cuerpo esta descargado.
Cuando un cuerpo tiene carga + o - pero no se traslada a ningún sitio.
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Se genera a menudo cuando dos materiales que han estado en contacto se separan como
consecuencia de la atracción electrostática de sus electrones o bien cuando existe un
frotamiento entre distintos materiales, originándose la perdida de los electrones y
consecuentemente quedando el material cargado eléctricamente. En todos estos casos esta
fricción entre dos materiales distintos da lugar a la electrificación, creando así una diferencia
de potencial eléctrico entre los distintos elementos que han estado en contacto. La electricidad
estática se suele formar por:

• Pulverización o aspersión
• Agitación
• Llenado de recipientes a chorro libre
• Frotación
  La eliminación de electrones de un cuerpo implica su contacto con otro y después una
  separación del mismo. El segundo tendrá un exceso de electrones y por tanto, quedará cargado
  negativamente. En cambio, el primero tendrá una deficiencia de electrones, por lo que será
  positivo. La descarga se produce mediante una chispa.
  El rayo (30000A) es una forma de electricidad estática.
  La generación de cargas electrostáticas en la manipulación y transvase de líquidos
  inflamables genera, con frecuencia, accidentes muy graves. En el transvase de líquidos
  inflamable hay que asegurarse que las cargas electrostáticas que se forman pueden eliminarse
  fácilmente sin ocasionar peligro, para ello todas las superficies conductoras deben estar
  interconectadas y, a su vez, el conjunto debe estar conectado a tierra. No debemos usar plástico
  ya que es un mal conductor y almacena cargas. Se deben conectar antes de iniciar el trasvase.
  La electricidad estática no se crea, su aparición se debe a una distribución desigual y temporal
  De electrones. La carga electrostática no nace de la fricción de dos materiales, sino de la
  separación de dos superficies en contacto. Al separar dos superficies anteriormente unidas, se
  provoca un desequilibrio en la distribución de cargas que origina un campo electrostático. Si
  los materiales son aislantes, la carga acumulada no se podrá descargar de inmediato, sino que
  subsistirá un tiempo. Si son conductores, a causa de su elevada conductividad se producirá
  durante el proceso de separación la igualación de cargas a través de superficie de contacto.
  Después de la separación total no existirá ningún exceso de carga medible.

Producción de Energía Eléctrica

Producción de energía eléctrica
Para producir energía eléctrica necesitamos un dispositivo que cree y mantenga una
diferencia de potencial entre dos puntos para permitir el flujo de electrones. Esto lo
conseguimos de diferentes maneras:

• Movimiento: aprovechando la inducción electromagnética se mueve un conductor
  eléctrico dentro de un campo eléctrico.
• Fricción: electricidad estática.
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