carga_y_energia_electrica

DOCENTE
CORREO
TEMA
GRADO
FECHA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA JOSÉ EUSEBIO CARO
ÁREA DE TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA
2016
JESÚS EDUARDO MADROÑERO RUALES
[email protected]
CARGA Y ENERGÍA ELÉCTRICA
ONCE
05 DE ABRIL DE 2016
CARGA ELÉCTRICA
Un electrón es la partícula más pequeña que exhibe carga eléctrica negativa. Cuando en un material está presente un
exceso de electrones, existe una carga eléctrica negativa neta. Cuando hay deficiencia de electrones, existe una carga
eléctrica positiva neta.
La carga de un electrón y la de un protón son iguales en magnitud. La carga eléctrica, es una propiedad eléctrica de la
materia que existe en virtud del exceso o deficiencia de electrones, usualmente es simbolizada mediante Q. La
electricidad estática es la presencia de una carga positiva o negativa neta en un material. Todo mundo ha experimentado
los efectos de la electricidad estática de vez en cuando, por ejemplo, cuando se intenta tocar una superficie metálica o a
otra persona, o cuando las prendas de vestir puestas en una secadora se adhieren entre sí.
Los materiales con cargas de polaridad opuesta se atraen entre sí, y los materiales con cargas de la misma polaridad se
repelen, como se muestra en la figura 5:
Fig. 1 - Atracción y Repulsión de cargas eléctricas
Entre las cargas actúa una fuerza, evidenciada por la atracción o la repulsión de estas. Esta fuerza, llamada campo
eléctrico, se compone de líneas de fuerza invisibles, como se detalla en la figura 6:
Fig. 2 - Campo eléctrico entre dos superficies opuestamente cargadas
COULOMB: LA UNIDAD DE CARGA
La carga eléctrica (Q) se mide en coulombs, simbolizada mediante la letra C. Un coulomb es la carga total poseída por
6.25 x 1018 electrones.
Un solo electrón tiene una carga de 1.6 x 10 -19 C. la carga total Q, expresada en coulombs, de un número dado de
electrones se establece mediante la siguiente fórmula:
𝑄=
𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠
6.25 𝑥 1018 (𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠/𝐶)
ENERGÍA ELÉCTRICA
La electricidad o energía eléctrica, es un fenómeno natural controlado para el uso del género humano y gracias a este
fenómeno se han desarrollado las comunicaciones, el alumbrado eléctrico, los dispositivos de computación, entre otros.
La electricidad es el fenómeno físico que proviene de la existencia e interacción de cargas eléctricas. La carga, es la
propiedad intrínseca de la materia responsable de los fenómenos eléctricos.
VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA
VOLTAJE
Como se ha visto anteriormente, existe una fuerza de atracción entre una carga positiva y una negativa. Se debe aplicar
cierta cantidad de energía, en forma de trabajo, para vencer dicha fuerza y separar las cargas a determinada distancia.
Todas las cargas opuestas poseen cierta energía potencial a causa de la separación que hay entre ellas. La diferencia en
la energía potencial por carga es la diferencia de potencial o voltaje. En circuitos eléctricos, el voltaje es la fuerza
propulsora y es lo que establece la corriente.
Como una analogía, considere un tanque de agua que está soportado a varios pies sobre el nivel del suelo. Se debe
ejercer una cantidad dada de energía, en forma de trabajo, para subir agua y llenar el tanque. Una vez almacenada en el
tanque, el agua tiene cierta energía potencial que, si es liberada, puede utilizarse para realizar trabajo. El voltaje,
simbolizado mediante V, se define como energía o trabajo por unidad de carga, como se expresa en la siguiente
ecuación:
𝑉=
𝑊
𝑄
donde V es el voltaje (voltios), W es la energía (joules) y Q es la carga (coulombs). Un voltio es la diferencia de
potencial (voltaje) entre dos puntos cuando se utiliza un joule de energía para mover un coulomb de carga de un punto a
otro.
Ejemplo: Si por cada 25 C (coulombs) de carga, están disponibles 50 J (joules) de energía, ¿cuál es el voltaje V
(voltios)?
𝑉=
𝑊 50 𝐽
=
=𝟐𝑽
𝑄 25 𝐶
CORRIENTE
El voltaje proporciona energía a los electrones, lo que les permite moverse por un circuito. Este movimiento de
electrones es la corriente, la cual produce trabajo en un circuito eléctrico. En todos los materiales conductores y
semiconductores están disponibles electrones libres. Estos electrones se mueven al azar en todas direcciones, de un
átomo a otro, dentro de la estructura del material, tal como indica la figura 7:
Fig. 3 - Movimiento aleatorio de electrones libres en un material
Si en un material conductor o semiconductor se aplica un voltaje, un extremo del material se vuelve positivo y el otro
negativo, como indica la figura 8. La fuerza repulsiva producida por el voltaje negativo en el extremo izquierdo hace
que los electrones libres (cargas negativas) se muevan hacia la derecha. La fuerza de atracción producida por el voltaje
positivo en el extremo derecho tira de los electrones libres hacia la derecha. El resultado es un movimiento neto de los
electrones libres desde el extremo negativo del material hasta el extremo positivo, como indica la figura 8:
Fig. 4 - Los electrones fluyen de negativo a positivo cuando se aplica un voltaje a través de un material conductor o
semiconductor
El movimiento de estos electrones libres del extremo negativo del material al extremo positivo es la corriente eléctrica,
simbolizada mediante I. La corriente eléctrica es la velocidad que lleva el flujo de la carga.
En un material conductor, el número de electrones (cantidad de carga) que fluyen más allá de cierto punto en una
unidad de tiempo determinan la corriente.
𝐼=
𝑄
𝑡
donde I es la corriente (amperios), Q es la carga (coulombs) y t es el tiempo. Un amperio (1 A) es la cantidad de
corriente que existe cuando cierto número de electrones, cuya carga total es de un coulomb (1 C), pasa por un área de
sección transversal en un segundo (1 seg).
Ejemplo: Diez Coulombs (C) de carga Q, fluyen más allá de cierto punto de un alambre en 4 segundos (s) de tiempo t.
¿Cuál es la corriente I en amperios (A)?
𝐼=
𝑄 10 𝐶
=
= 𝟐. 𝟓 𝑨
𝑡
4𝑠
RESISTENCIA
Cuando en un material existe corriente, los electrones libres se mueven en éste y de vez en cuando chocan con átomos.
Estas colisiones provocan que los electrones pierdan algo de su energía, con lo cual se restringe su movimiento. Entre
más colisiones haya, más se restringe el flujo de electrones. Esta restricción varía y está determinada por el tipo de
material. La propiedad de un material de restringir u oponerse al flujo de electrones se llama resistencia, R.
La resistencia es la oposición a la corriente. La resistencia se expresa en ohmios, simbolizada mediante la letra griega
omega (Ω), y en un circuito eléctrico se calcula mediante la expresión:
𝑅=
𝑉
𝐼
Existe un ohm (1 Ω) de resistencia si hay un amperio (1 A) de corriente en un material cuando se aplica un voltio (1 V)
al material.
Ejemplo: Si se tiene un voltaje de 12 V (voltios) y una corriente de 2 A (amperios). ¿Cuál es el valor de resistencia R
(ohms)?
𝑅=
𝑉 12 𝑉
=
=𝟔Ω
𝐼
2𝐴
CONDUCTANCIA
Es el recíproco de la resistencia. Se simboliza con la letra G. la conductancia es una medida de facilidad con la que se
establece la corriente. Se calcula mediante la expresión:
𝐺=
1
𝑅
La unidad de conductancia es el siemens, abreviada con S.
ACTIVIDAD
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Consultar las biografías de: Charles Augustin Coulomb, Alessandro Volta, Georg Simon Ohm.
Definir el término voltaje y enuncie su unidad.
Definir el término corriente y enuncie su unidad.
Definir el término resistencia y enuncie su unidad.
¿Cuánta energía W se utiliza para desplazar 12 C (de carga Q) de un punto a otro cuando el voltaje V entre dichos
puntos es de 4 V?
Si 4 A de corriente I circulan por un alambre de cobre, ¿Cuántos coulombs de carga Q se mueven por dicho
alambre en 1.5 segundos de tiempo t?
Si un alambre de cobre tiene una resistencia R de 25 ohmios (Ω), ¿Cuántos amperios de corriente I circulan por el
alambre cuando se aplica un voltaje de 50 V?