Fuerza eléctrica

Introducción

• Fuerza eléctrica:

Entre dos o más cargas aparece una fuerza
denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del
valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras
que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del
mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de
distinto signo se atraen.

La fuerza entre dos cargas se calcula
como:

q1, q2 = Valor de las cargas 1 y
2

d = Distancia de separación entre las
cargas

Fe = Fuerza eléctrica

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto
además de determinar el módulo se deben determinar
dirección y sentido.

Dirección de la fuerza eléctrica: Si se
trata únicamente de dos cargas, la dirección de la
fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. 

Sentido de la fuerza eléctrica: El sentido de la
fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas
cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas
son de signo contrario.

Fuerzas originadas por varias cargas sobre otra: Si se
tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante
sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza
sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se
tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la
composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector
resultante.

1.1 Carga Eléctrica:

La materia se compone por átomos. Los mismos
tienen un núcleo de protones (que tienen carga positiva) y
neutrones (carga neutra). En la periferia del átomo, se
encuentran los electrones (carga negativa) describiendo
órbitas alrededor del núcleo.

Los electrones de las órbitas más
alejadas (electrones libres) pueden abandonar el átomo y
agregarse a otro cercano. El átomo que tiene un
electrón menos queda cargado positivamente, mientras el
átomo que ganó un electrón tiene carga
negativa.

Por ejemplo cuando se frotan dos materiales distintos
como plástico y vidrio ocurre eso con muchos de sus
átomos, liberan y aceptan electrones, por lo tanto uno de
los materiales queda cargado positivamente (sus átomos
liberaron electrones) y el otro negativamente (con más
electrones).

La carga eléctrica se mide en Coulomb. Un Coulomb
es una unidad de carga grande por lo que es común usar
submúltiplos como el micro Coulomb (1 µC = 1 10 -6
C). La ley de conservación de cargas dice que dado un
sistema aislado no hay cargas que se creen ni se destruyan, sino
que la carga se conserva.La carga eléctrica de un material
siempre es múltiplo de la carga eléctrica de un
electrón. El signo de la carga eléctrica indica si
se trata de carga negativa o positiva.

Conductores
Aislantes

Los materiales presentan distintos comportamientos ante
el movimiento de cargas eléctricas.

Conductores: Los elementos conductores tienen facilidad
para permitir el movimiento de cargas y sus átomos se
caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o
cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen
la electricidad.

Aisladores: Los aisladores son materiales que presentan
cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de
cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones.
En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero
los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los
elementos conductores.

2.1 Carga por Fricción:

Es el método de carga en el que se transfieren
electrones de un material a otro, por que se rozan o friccionan.
En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de
electrones porque la fricción aumenta el contacto de un
material con el otro. Los electrones más internos de un
átomo están fuertemente unidos al núcleo, de
carga opuesta, pero los más externos de muchos
átomos están unidos muy débilmente y pueden
desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones
exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por
ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la
resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un
tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la
lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con
un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el
tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere
una carga positiva. Los átomos con deficiencia de
electrones son iones, iones positivos porque, al perder
electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta
positiva.

2.2 Carga por Inducción:

Cuando un cuerpo con carga
eléctrica se aproxima a otro neutro causando una
redistribución, en las cargas de éste
último, debido a la repulsión generada por las
cargas del material cargado.

Para completar el proceso de carga por inducción
se debe conectar brevemente el objeto a "tierra" y luego retirar
el cuerpo cargado.

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo
que comienza con el acercamiento a él de una varilla de
material aislante, cargada. Considérese una esfera
conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al
acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de
conducción que se encuentran en la superficie de la esfera
emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el
lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano
queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a
la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado
cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de
repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que
tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta
en las esfera como un todo sea cero. La carga por
inducción no se restringe a los conductores, sino que
puede presentarse en todos los materiales.

El campo
Eléctrico

Existe cuando existe una carga y
representa el vínculo entre ésta y otra carga al
momento de determinar la interacción entre ambas y las
fuerzas ejercidas. Tiene carácter vectorial (campo
vectorial) y se representa por medio de líneas de campo.
Si la carga es positiva, el campo eléctrico es radial y
saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y
entrante.

La unidad con la que se mide es:

La letra con la que se representa el campo
eléctrico es la E.

El campo eléctrico (en unidades de voltios por
metro) se define como la fuerza (en newtons) por unidad de carga
(en coulombs). De esta definición y de la ley de Coulomb,
se desprende que la magnitud de un campo eléctrico
E creado por una carga puntual Q es:

Al existir una carga sabemos que hay un campo
eléctrico entrante o saliente de la misma, pero
éste es comprobable únicamente al incluir una
segunda carga (denominada carga de prueba) y medir la existencia
de una fuerza sobre esta segunda carga.

Algunas características

• En el interior de un conductor el campo
  eléctrico es 0.

• En un conductor con cargas
  eléctricas, las mismas se encuentran en la
  superficie.

La Corriente
Eléctrica

Es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un
material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior
del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa
en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.
Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un
movimiento de cargas, produce un campo magnético, un
fenómeno que puede aprovecharse en el
electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la
corriente eléctrica es el galvanómetro que,
calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en
serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

• La Potencia Eléctrica:

Es la relación de paso de energía de un
flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de
energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo
determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es
el vatio (watt).

Cuando una corriente eléctrica fluye en un
circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo
mecánico o termodinámico. Los dispositivos
convierten la energía eléctrica de muchas maneras
útiles, como calor, luz (lámpara incandescente),
movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos
químicos. La electricidad se puede producir
mecánica o químicamente por la generación de
energía eléctrica, o también por la
transformación de la luz en las células
fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar
químicamente en baterías.

La energía consumida por un dispositivo
eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en
kilovatios-hora (kWh). Normalmente las empresas que suministran
energía eléctrica a la industria y los hogares, en
lugar de facturar el consumo en vatios-hora, lo hacen en
kilovatios-hora (kWh). La potencia en vatios (W) o kilovatios
(kW) de todos los aparatos eléctricos debe figurar junto
con la tensión de alimentación en una placa
metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de
dichos equipos. En los motores, esa placa se halla colocada en
uno de sus costados y en el caso de las bombillas de alumbrado el
dato viene impreso en el cristal o en su base.

Potencia en corriente continua

Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia
eléctrica desarrollada en un cierto instante por un
dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de
potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente
que pasa a través del dispositivo. Por esta razón
la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión.
Esto es,

• (1) 

Donde I es el valor instantáneo de la
corriente y V es el valor instantáneo del voltaje.
Si I se expresa en amperios y V en voltios,
P estará expresada en watts (vatios). Igual
definición se aplica cuando se consideran valores promedio
para I, V y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor
R o se puede calcular la resistencia equivalente del
dispositivo, la potencia también puede calcularse
como,

(2)

Recordando que a mayor corriente, menor
voltaje.

Potencia en corriente alterna

Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el
promedio de potencia eléctrica desarrollada por un
dispositivo de dos terminales es una función de los
valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la
diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad
de corriente que pasa a través del dispositivo.

Y sustituyendo los valores del pico por los
eficaces:

Esta ley tiene el nombre del físico alemán
Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló
valores de tensión y corriente que pasaba a través
de unos circuitos eléctricos simples que contenían
una gran cantidad de cables. Él presentó una
ecuación un poco más compleja que la mencionada
anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La
ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de
Ohm.

Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos
pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas
(únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado
un régimen permanente (véase también
«Circuito RLC» y «Régimen transitorio
(electrónica)»). También debe tenerse en
cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser
influido por la temperatura.

El
Magnetismo

Es un fenómeno físico por el que los
objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión
sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han
presentado propiedades magnéticas detectables
fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus
aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo
todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por
la presencia de un campo magnético.

El magnetismo también tiene otras manifestaciones
en física, particularmente como uno de los dos componentes
de la radiación electromagnética, como por ejemplo,
la luz.

El magnetismo es un fenómeno físico
por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o
repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales
conocidos que han presentado propiedades magnéticas
detectables fácilmente como el níquel, hierro,
cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.
Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor
forma, por la presencia de un campo magnético.

El magnetismo también tiene otras manifestaciones
en física, particularmente como uno de los dos componentes
de la radiación electromagnética, como por ejemplo,
la luz.

5.1 Polos Magnéticos: Tanto si se trata de
un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de
atracción se halla en sus extremos, llamados
polos. Un imán consta de dos polos, denominados
polo norte y polo sur, o, alternativamente,
polo positivo y polo negativo. Los polos
iguales se repelen y los polos distintos se atraen. No existen
polos aislados (véase Monopolo magnético), y por lo
tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos
nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque
la fuerza de atracción del imán
disminuye.

Entre ambos polos se crean líneas de
fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en
el interior del imán también van de un polo al
otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas
esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada
encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina,
las limaduras se orientan en la dirección de las
líneas de fuerza.

Los imanes pueden ser: naturales o artificiales, o bien,
permanentes o temporales.

Un imán natural es un mineral con propiedades
magnéticas (magnetita).

Un imán artificial es un cuerpo de material
ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del
magnetismo.

Un imán permanente está fabricado en acero
imantado.

Un imán temporal, pierde sus propiedades una vez
que cesa la causa que provoca el magnetismo.

Un electroimán es una bobina (en el caso
mínimo, una espiral) por la cual circula corriente
eléctrica.

Los imanes mantienen su campo magnético para
siempre, a menos que sufran de un golpe de gran magnitud o se les
aplique cargas magnéticas opuestas.

5.2 El Campo Magnético:

La existencia de un campo magnético se pone de
relieve gracias a la propiedad (la cual la podemos localizar en
el espacio) de orientar un magnetómetro (laminilla de
acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una
brújula, que evidencia la existencia del campo
magnético terrestre, puede ser considerada un
magnetómetro.

La Inducción
Electromagnética

Es el fenómeno que origina la producción
de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o
cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en
un medio móvil respecto a un campo magnético
estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un
conductor, se produce una corriente inducida. Este
fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quien lo
expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es
proporcional a la variación del flujo magnético
(Ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la
corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo
magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener
el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la
intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se
mueva respecto de él.

6.2 La Ley de inducción
electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de
Faraday)

La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en
un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que
cambia el flujo magnético que lo atraviesa

Se basa en los experimentos que Michael Faraday
realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un
circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con
que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa
una superficie cualquiera con el circuito como borde:1

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las
cuales conforman las ecuaciones fundamentales del
electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes
del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de
Maxwell, unificando así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de
alambre, la fórmula anterior se transforma en:

El sentido del voltaje inducido (el signo negativo en la
fórmula) se debe a la ley de Lenz.

6.3 Corriente Alterna:

Se denomina así a la corriente eléctrica
en la que su magnitud y dirección varían
respondiendo a un determinado ciclo. La forma de onda de la
corriente alterna utilizada en tendidos eléctricos
domiciliarlos es la onda senoidal, puesto que es de fácil
generación.

El generador de Corriente Alterna es un
dispositivo que convierte la energía mecánica en
energía eléctrica. El generador más simple
consta de una espira rectangular que gira en un campo
magnético uniforme.

Un generador producirá una corriente
eléctrica que cambia de dirección a medida que gira
la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la
transmisión de potencia eléctrica, por lo que la
mayoría de los generadores eléctricos son de este
tipo. En su forma más simple, un generador de corriente
alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo
dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura
están sacados a los anillos colectores sólidos sin
segmentos del árbol del generador en lugar de los
conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una
fuente externa de corriente continua más que con el
generador en sí. Los generadores de corriente alterna de
baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su
eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia
deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta
velocidad, son a menudo máquinas de dos polos. A veces, es
preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las
armaduras giratorias no son prácticas en este tipo de
aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las
escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse
fallas mecánicas que podrían causar cortocircuitos.
Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija
en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes
de campo.

Conclusiones

La fuerza eléctrica, Entre dos o más
cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo
módulo depende del valor de las cargas y de la distancia
que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada
carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí,
mientras que las de distinto signo se atraen.

En la carga eléctrica, la materia se compone por
átomos. Los mismos tienen un núcleo de protones
(que tienen carga positiva) y neutrones (carga neutra). En la
periferia del átomo, se encuentran los electrones (carga
negativa) describiendo órbitas alrededor del
núcleo.

La carga eléctrica se mide en Coulomb. Un Coulomb
es una unidad de carga grande por lo que es común usar
submúltiplos como el micro Coulomb (1 µC = 1 10 -6
C).

Los conductores, tienen facilidad para permitir el movimiento
de cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos
electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo
tanto son materiales que conducen la electricidad.

Los aisladores, son materiales que presentan cierta dificultad
al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen
mayor dificultad para ceder o aceptar electrones.

Carga por Fricción, Es el
método de carga en el que se transfieren electrones de un
material a otro, por que se rozan o friccionan. En la carga por
fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque
la fricción aumenta el contacto de un material con el
otro.

El campo Eléctrico, existe cuando existe una
carga y representa el vínculo entre ésta y otra
carga al momento de determinar la interacción entre ambas
y las fuerzas ejercidas. Tiene carácter vectorial (campo
vectorial) y se representa por medio de líneas de campo.
Si la carga es positiva, el campo eléctrico es radial y
saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y
entrante.

La corriente eléctrica, es el flujo de carga por
unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento
de los electrones en el interior del material. En el Sistema
Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre
segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente
eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas,
produce un campo magnético, un fenómeno que puede
aprovecharse en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la
corriente eléctrica es el galvanómetro que,
calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en
serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

La Potencia Eléctrica, es la relación de
paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es
decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un
elemento en un tiempo determinado.

Potencia en corriente alterna,
Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el
promedio de potencia eléctrica desarrollada por un
dispositivo de dos terminales es una función de los
valores eficaces o valores cuadráticos medios, de
la diferencia de potencial entre los terminales y de la
intensidad de corriente que pasa a través del
dispositivo.

La ley de Ohm, dice que la intensidad que circula entre
dos puntos de un circuito eléctrico es proporcional a la
tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta
constante es la conductancia eléctrica, que es lo
contrario a la resistencia eléctrica.

El Magnetismo, es un fenómeno físico por
el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o
repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales
conocidos que han presentado propiedades magnéticas
detectables fácilmente como el níquel, hierro,
cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.
Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor
forma, por la presencia de un campo magnético.

Los Polos Magnéticos, Tanto si se trata de un
tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de
atracción se halla en sus extremos, llamados
polos. Un imán consta de dos polos, denominados
polo norte y polo sur, o, alternativamente,
polo positivo y polo negativo. Los polos
iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

La Inducción Electromagnética, es el
fenómeno que origina la producción de una fuerza
electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a
un campo magnético variable, o bien en un medio
móvil respecto a un campo magnético
estático.

La Ley de de Faraday, establece que la corriente
inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez
con que cambia el flujo magnético que lo
atraviesa.

Corriente Alterna, es la corriente eléctrica en
la que su magnitud y dirección varían
respondiendo a un determinado ciclo. La forma de onda de la
corriente alterna utilizada en tendidos eléctricos
domiciliarlos es la onda senoidal, puesto que es de fácil
generación

Bibliografía

http://www.fisicapractica.com/carga-electrica-1.php

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Faraday

http://www.monografias.com/trabajos74/generacion-corriente-alterna/generacion-corriente-alterna

http://www.monografias.com/trabajos74/generacion-corriente-alterna/generacion-corriente-alterna#ixzz2IvamZCvL

Anexos

La corriente eléctrica está
definida por convenio en dirección contraria al
desplazamiento de los electrones

Líneas de fuerza magnéticas
de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro
sobre papel.

Autor:

Elba Acevedo

3er año "C"

Física

República Bolivariana de
Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la
Educación

Unidad Educativa "Santa Joaquina de
Vedruna"

Cantaura Estado
Anzoátegui

Cantaura, Febrero del 2.013