FÍSICA

FÍSICA
Diseño de Interiores y Mobiliario
2014
PROF.
ING.
CECILIA
ARIAGNO
ING. DANIEL MORENO
Unidad Nº 5: Naturaleza eléctrica de la materia
ELECTROSTÁTICA
Introducción:
La materia está constituida por átomos, los cuales se conforman de
protones, neutrones y electrones. El electrón es el componente del
átomo que lleva carga eléctrica negativa neutralizada por la carga
eléctrica positiva del núcleo o protón. El protón es una partícula, con
carga positiva, ubicada dentro del núcleo del átomo junto con los
neutrones. La carga del protón Qp y la del electrón Qe son de igual intensidad, y signo
contrario.
Qe= - 1,6 x 10 -19C
Qp= + 1,6 x10-19C
[C]: unidad de carga eléctrica del SI “Coulomb”
El protón y el electrón están presentes en todos los núcleos atómicos.
El neutrón es una partícula sin carga que constituye una de las partículas fundamentales
que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10-27 kg, aproximadamente
un 0,125% mayor que la del protón. La existencia del neutrón fue profetizada en 1920 por el
físico británico Ernest Rutherford y por científicos australianos y estadounidenses, pero la
verificación experimental de su existencia resultó difícil debido a que la carga eléctrica del
neutrón es nula y la mayoría de los detectores de partículas sólo registran las partículas
cargadas.
ELECTRIZACIONES.
Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban un trozo de
ámbar (piedra amarilla) ésta podía atraer partículas de pasto seco. Posiblemente el primero
que comenzó a realizar observaciones científicas fue el matemático Thales de Mileto, por
allá el año 600 AC.
No fue hasta 1.660 que el médico y físico inglés Wiliam Gilbert, estudiando el efecto que se
producía al frotar ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la
interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o sin movimiento de
diferentes signos. Es decir una carga (+) y la otra (–). A este fenómeno lo denominó
“electricidad” por analogía con el “elektron” nombre que en griego se le daba al ámbar.
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Se dice que un cuerpo está cargado negativamente si tiene un exceso de electrones y está
cargado positivamente si tiene una ausencia de electrones, es decir, si tiene más protones
que electrones. Un cuerpo neutro tiene igual cantidad de electrones que de protones.
El desequilibrio de cargas se logra mediante electrizaciones por fricción, por inducción y por
contacto.
Si asumimos que un átomo tiene una forma parecida a nuestro Sistema Solar, es decir:
alrededor de un cuerpo central hay otros que están girando a su alrededor. En el caso del
átomo, visto de ésta manera, el cuerpo central sería el núcleo y en éste están los protones y
los neutrones, férreamente unidos, y los cuerpos que giran alrededor del núcleo son los
electrones, ocupando – ellos – órbitas distintas.
Los electrones por sus posiciones orbitales tienen cierta cantidad de energía que los liga al
núcleo. A los que están más cerca del núcleo los une una mayor cantidad de energía y los
que están en órbitas más lejanas tienen una menor energía que los liga al átomo.
El electrón que ocupa la última órbita, debido a su menor energía que lo liga al núcleo,
puede - con facilidad - “escaparse” de su órbita e ir en camino a “buscar” una órbita que dejó
libre otro electrón en otro átomo. Es normal que ocurra esto en todo cuerpo, esté o no
cargado eléctricamente. A los electrones que están en viaje entre átomo y átomo les
llamaremos electrones libres
Electrización por fricción: para cargar un cuerpo neutro por el método de fricción se
necesitan dos cuerpos neutros eléctricamente. Si no hay seguridad de que lo estén deberán
conectarse, brevemente, a tierra para equilibrar sus cargas eléctricas. Una vez que se tiene
la seguridad de contar con dos cuerpos neutros eléctricamente se ponen en contacto y se
friccionan entre sí.
Ocurre que a nivel superficial de ambos cuerpos se produce un traspaso de electrones de
uno a otro cuerpo. Aquel que reciba más electrones quedará cargado negativamente y el
otro,
que
cedió
más
electrones,
quedará
cargado
positivamente.
Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material
tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es
más positivo en la serie triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando
entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica.
Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de más positivo a más negativo:
Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar,
polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.
Una manifestación de carga estática la tenemos en las nubes cuando se
generan tormentas eléctricas con rayos. Cuando una nube se encuentra
completamente ionizada o cargada positivamente, se establece un canal o
conducto natural que es capaz de atraer iones cargados negativamente
desde la Tierra hasta la nube. Cuando los iones negativos procedentes de
la Tierra hacen contacto con la nube, se produce el rayo al liberar ésta la
enorme carga de corriente eléctrica estática acumulada.
2
Otro ejemplo lo tenemos en los vehículos, que al desplazarse a través de la masa de aire
que lo rodea, adquieren carga estática. Cuando eso ocurre podemos llegar a sentir una
descarga o calambrazo eléctrico en el cuerpo al tocar alguna de las partes metálicas del
vehículo o al tocar a otra persona.
Electrización por contacto: aquí necesitamos un cuerpo previamente cargado, por ejemplo
negativamente, y otro neutro, para ponerlos en contacto. Después de rato ambos adquieren
carga eléctrica del mismo signo. Lo que sucede es que mientras dure el contacto la carga
total que existe entre ambos cuerpos tiene a dividirse proporcionalmente según las
capacidades que tiene cada uno de ellos para poseer carga eléctrica, consecuencia de esto
es que el cuerpo que está cargado (por ejemplo negativamente) le traspasa, a nivel
superficial, parte de los electrones que tenía en exceso al que estaba neutro.
De esta forma el que estaba neutro quedará cargado negativamente y el que estaba
cargado previamente seguirá cargado, pero con menor carga que la que tenía.
Al final del proceso ambos cuerpos quedan cargados negativamente y, nuevamente, se
tiene que la carga total del conjunto de los dos cuerpos se mantiene constante.
Cuerpo con carga negativa
Cuerpo neutro
Al separarse los cuerpos
Se ponen en contacto
Electrización por inducción: Igual que el método anterior, necesitamos un cuerpo neutro
eléctricamente y otro cargado. Supongamos que el cuerpo cargado tiene carga positiva.
Cuerpo con carga positiva
Cuerpo neutro
Acercamos los cuerpos sin que haya contacto. Veremos que en el cuerpo neutro se produce
una polarización (ordenamiento superficial de carga eléctrica), donde el cuerpo cargado
positivamente atrae a la carga negativa del que está neutro.
Posteriormente hacemos contacto a tierra en el cuerpo neutro.
Luego se desconecta la conexión a tierra y se separan los cuerpos. Se observará que el
cuerpo neutro quedará cargado negativamente y el que estaba positivo continúa así.
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Ejemplo) en la Figura se ve como la bola de derecha
se electriza.
Explica las electrizaciones presentes en este caso.
MATERIALES MALOS Y BUENOS CONDUCTORES DE LA CORRIENTE
ELÉCTRICA.

Conductores: son todos aquellos materiales o elementos cuyos electrones tiene la
posibilidad de moverse libremente. En algunos tipos de materiales, como los
metales, los electrones más externos del átomo están tan débilmente enlazados al
núcleo que ellos se mueven caóticamente en el espacio que existe entre los átomos.
Debido a que estos electrones no-enlazados son libres cuando reciben energía
comienzan a moverse de inmediato de un átomo a otro, de una molécula a otra
El más utilizado de todos los metales en cualquier tipo de circuito eléctrico es el
cobre (Cu), por ser relativamente barato y buen conductor de la electricidad, al igual
que el aluminio (Al). Sin embargo, los mejores metales conductores son el oro (Au) y
la plata (Ag), aunque ambos se utilizan muy limitadamente por su alto costo.

Semiconductores: Existen también otros elementos denominados metaloides, que
actúan como semiconductores de la corriente eléctrica. Entre esos elementos o
materiales se encuentran el silicio (Si), el galio (Ga) y el germanio (Ge).
Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder electrones cuando
reciben energía eléctrica y su característica principal es permitir el movimiento de
electrones en un solo sentido e impedirlo en sentido contrario.
El cristal de silicio es el elemento más utilizado en la actualidad como material
semiconductor para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados y los
microprocesadores.

Aislantes: por último están los materiales aislantes, cuyos átomos ni ceden ni captan
electrones. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la
goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales
propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica.
RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
Todas las sustancias se oponen en mayor o menor grado al paso de la corriente eléctrica,
esta oposición es a la que llamamos resistencia eléctrica de los materiales. Los buenos
conductores de la electricidad tienen una resistencia eléctrica muy baja, los aisladores
tienen una resistencia muy alta. Se le llama resistividad al grado de dificultad que
encuentran los electrones en sus desplazamientos.
Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en Ohm por metro (Ω·m, a veces
también en Ω·mm²/m).
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Su valor describe el comportamiento de un material
frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una
idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto
de resistividad indica que el material es mal conductor
mientras que uno bajo indicará que es un buen
conductor.
Generalmente la resistividad de los metales aumenta
con la temperatura, mientras que la resistividad de los
semiconductores disminuye ante el aumento de la
temperatura.
DESCARGAS ELÉCTRICAS:
Las descargas eléctricas, si se producen, se realizan desde o hacia una punta o borde.
Por esta razón sentimos que nos da la corriente, si ocurre, cuando tocamos un borde de un
artefacto que funciona con motor. Producto de la fricción que hay en las piezas del motor el
artefacto adquiere carga electrostática y al tocarla hacemos conexión (puente) entre el
artefacto y la tierra, produciéndose una descarga que viene del borde del artefacto a nuestro
cuerpo.
Por esta misma razón, los pararrayos son aparatos metálicos en forma de punta que se
colocan sobre los edificios. Esto es más común en países donde ocurren con más
frecuencia las tempestades eléctricas.
Una descarga eléctrica dura hasta que el cuerpo desde donde se produce la descarga
queda en equilibrio electrostático, es decir se neutraliza eléctricamente.
En un material mal conductor de la electricidad la carga que adquiere se distribuye
uniformemente en todo el cuerpo, en su superficie y en su interior. En un material buen
conductor la carga que adquiere se distribuye en toda su superficie, y el cómo se distribuye
depende de la forma de la superficie del cuerpo.
Si el cuerpo conductor que se carga es una esfera, entonces la carga se distribuye
uniformemente en su superficie (figura 1), en cambio si su superficie es irregular, la carga
tiene mayor densidad en la parte de la superficie con mayor curvatura (figura 2).
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ATRACCIÓN Y REPULSIÓN DE CARGAS
Cuando se aproximan dos cuerpos electrizados con cargas del mismo tipo se repelen y si
son de distinto tipo éstas se atraen. Esta atracción o repulsión, que pueden experimentar, se
manifiesta con una fuerza atractiva o repulsiva según sea el caso.
Charles Coulomb en 1785 descubrió la fuerza de interacción entre cargas eléctricas y
encontró que la magnitud de ella es directamente proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Es decir, dos cargas
se atraen o repelen con mayor intensidad si se encuentran más próximas entre sí, al
contrario, si se alejan la fuerza que existe entre ellas disminuye.
CAMPO ELÉCTRICO
El campo eléctrico es una magnitud vectorial que indica el manifiesto de fenómenos
eléctricos en una región del espacio. Se representa por E.
La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas
propiedades especiales. Si se coloca, en un punto cualquiera de dicha región, una carga
eléctrica de prueba se observa que aparece una fuerza electrostática.
ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA - VOLTAJE
Las cargas eléctricas según su carga, posición y cercanía a otras cargas, tienen una energía
potencial eléctrica [U].
Esa energía por unidad de carga eléctrica se denomina potencial eléctrico [ V ] en un punto
del espacio.
Supongamos en un cierto lugar del espacio se encuentra una carga eléctrica q, que tiene
una energía potencial eléctrica U, entonces el potencial eléctrico en dicho lugar se define
con la expresión matemática:
V=
El potencial eléctrico nos permite caracterizar los efectos de una o más cargas sin
especificar su signo ni el valor de una carga situada en la posición de interés.
La diferencia de potencial eléctrico [ΔV] o comúnmente llamada voltaje, indica la diferencia
de energía, por unidad de carga eléctrica, que hay entre dos puntos.
ΔV=
Esta magnitud es una medida de la fuerza que hay que comunicar a los electrones para que
e muevan en un circuito eléctrico.
La unidad del potencial eléctrico es:
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ELECTRODINÁMICA
CORRIENTE ELÉCTRICA
El concepto de corriente eléctrica como su nombre lo indica se refiere al flujo de
electrones en el espacio en una dirección determinada.
En el caso de la electricidad, la intensidad de la corriente eléctrica es la carga neta que
atraviesa una superficie transversal de un conductor en cada unidad de tiempo.
Operacionalmente se define:
i=
Siendo ∆Q la carga eléctrica que atraviesa la sección del conductor.
∆t : el tiempo considerado
i : es la intensidad de la corriente eléctrica que circula
La unidad de corriente eléctrica es el Ampere: [A]
CIRCUITO ELÉCTRICO
Elementos:
 Generador de energía: es el dispositivo que entrega energía
al circuito, puede ser: una pila, una batería, un grupo
electrógeno, el toma corriente, etc. Se simboliza:
 Conductores: son los cables metálicos por donde circulan los
electrones.
 Llave o interruptor: permite interrumpir el flujo de electrones. Símbolo:
 Receptores: son los transformadores de la energía eléctrica en otras formas de
energía. Por ejemplo focos, motores, calentadores, etc.
Muchas veces se simbolizan como resistencias:
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Símbolos:
Entonces el circuito queda:
Sentido de circulación de la corriente
eléctrica en un circuito eléctrico:
RESISTENCIAS
Los conductores, los receptores, las baterías, todos los elementos por donde circulan
electrones ofrecen resistencia a dicho flujo.
Algunas resistencias que se han colocado deliberadamente en plaquetas de circuitos para
regular la circulación de electrones por ciertos lugares.
Hay resistencias de hilo, formadas por un cilindro aislante sobre el cual se enrolla un hilo
conductor, Otras son resistencias de carbón: se utilizan para circuitos de bajo voltaje. Se
construyen con un pequeño cilindro de grafito revestido de material aislante.
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La resistencia de un conductor se expresa:
R=
 .l
A
Siendo:
 = resistividad eléctrica, propiedad intensiva de los materiales conductores.
l= Longitud del conductor
A= Sección del conductor.
Cuanto mayor es la longitud, mayor es la resistencia del conductor.
Cuanto mayor es la sección, menor es la resistencia del conductor.
Debe destacarse que la resistencia de un conductor es independiente de la corriente
eléctrica que circula por él.
Asociación de resistencias: cuando se conectan dos o más resistencias se pueden
presentar diferentes conexiones. En cada una de ellas se puede determinar el valor de una
resistencia equivalente (Re), que cumple la función de reemplazar a las resistencias de la
conexión.
o
en serie: por todas las resistencias circula la misma intensidad de corriente eléctrica.
Ej: luces de una guirnalda. Si uno de los focos se funde se interrumpe
la circulación de corriente eléctrica y se apaga la guirnalda.
o
en paralelo: todas las resistencias están conectadas entre los mismos nodos.
Ej) conexiones domiciliarias.
o
mixtas:
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LEY DE OHM
Se puede comprobar que la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un elemento
de un circuito es directamente proporcional a la diferencia de voltaje entre sus extremos.
La ley de Ohm se define como la relación entre la diferencia de potencial eléctrico o voltaje
entre dos puntos de un conductor y la intensidad de la corriente eléctrica, matemáticamente
se expresa:
R
V
i
Aquí se ve como R es la constante de proporcionalidad en la ecuación y representa la
Resistencia que el conductor ofrece al flujo de cargas eléctricas a través de él. En un circuito
representa a la resistencia de un material con el símbolo R
Unidades:
[V]=[volt]
[R]=[Ω]
[i]=[A]
POTENCIA ELÉCTRICA:
Todos los receptores eléctricos transforman energía eléctrica en otras formas de energía. La
potencia eléctrica es la magnitud que indica la velocidad con la cual se produce dicha
transferencia. Es una magnitud escalar que mide la energía consumida por unidad de
tiempo. Su unidad es el watt, y se expresa matemáticamente:
, como la Energía recibida es : ΔU= ∆V. ∆Q la
W=
expresión queda:
W=
=∆V.
W= ∆v.i
resumiendo:
En aquellos dispositivos en los cuales se aplique la Ley de Ohm, también se expresa:
W=
W= i2.R
ó
También se puede calcular la potencia de un generador eléctrico, reemplazando la energía
consumida por la energía entregada al circuito.
Aplicación de la ley de Ohm y cálculo de potencias eléctricas en:
a) circuitos con resistencias conectadas en serie:
Cuando dos o más resistencias se hallan en serie, el valor
de la resistencia equivalente de la serie, RES, se obtiene
sumando los valores de cada una de las resistencias del
grupo.
RES = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Como lo indica la definición de serie, la corriente en cada una de las resistencias debe ser la
misma, e igual a la que circularía por la equivalente si se reemplazara el conjunto:
iES = i1 = i2= i3 = ... = in.
Por otro lado, la suma de las diferencias de potencial en cada una de las
resistencias es igual a la diferencia de potencial del grupo, o sea, la que tendría la
resistencia equivalente: ΔVES = ΔV1 + ΔV2 + ΔV3 + ... + ΔVn
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La potencia de la conexión es la sumatoria de las potencias de cada una de las
resistencias:
W=ΣWi= W 1+W 2+W 3+…..
b) Circuitos con resistencia conectadas en paralelo:
Para hallar el valor de una resistencia equivalente de un paralelo, REP, se deben
sumar las inversas multiplicativas de cada una de las resistencias en paralelo
Por ser una conexión en paralelo, y todas las resistencias se
hallan conectadas entre los mismos nodos, la diferencia de
potencial en cada una de las resistencias debe ser la misma, e
igual a la que someteríamos a la equivalente si se reemplazara
el conjunto: ΔVEP = ΔV1 = ΔV2 = ΔV3 = ... = ΔVn.
Por otro lado, la suma de las intensidades de corriente en cada
una de las resistencias es igual a la intensidad de corriente del
grupo, o sea, la que tendría la resistencia equivalente si
reemplazara al conjunto:
iEP = i1 + i2 + i3 + ... + in
La potencia de la conexión es la sumatoria de las potencias de cada una de las
resistencias:
W=ΣWi= W 1+W 2+W 3+…..
Nota: Los circuitos eléctricos de nuestras casas están conectados en paralelo. Esto se
evidencia por dos características obvias nos lo indican: tal como se ve en una serie
cualquiera, el hecho de que se destruya una de las resistencias impediría el paso de la
corriente por el resto de las resistencias asociadas. Evidentemente no es eso lo que ocurre
en casa: si se quema una lamparita, o la retiro del portalámparas, o simplemente la apago...
el resto de la casa permanece con energía. La segunda propiedad es que -tal como se ve en
el paralelo- todas las resistencias (todos los artefactos) están sometidos a la misma
diferencia de potencial, lo cual era esperable ya que todos mis electrodomésticos traen la
indicación de conectar a 220 V
EFECTO JOULE
Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, encuentra una dificultad que depende
de cada material y que ya se ha definido como resistencia eléctrica. Los electrones al
trasladarse por el conductor rozan entre sí transformando energía eléctrica en calor. A ésta
transformación se la denomina Efecto Joule.
“La cantidad de calor producida por una corriente eléctrica, depende
directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que
ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al
paso de la corriente”.
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Expresión matemática:
Q= 0,24
cal 2
. I . R . t
J
donde:
Q = Energía calorífica producida por la corriente expresada en : cal
I = Intensidad de la corriente que circula, expresada en :A
R = Resistencia eléctrica del conductor: expresada en 
 t = Tiempo, expresado en :s
Para disminuir el efecto Joule en los conductores se trata de utilizar cables gruesos, ya que
al aumentar la sección de los mismos disminuye su resistencia, entonces los choques entre
los electrones disminuyen y por consiguiente disminuye el calentamiento..
El problema con esto, claro, es que un cable muy grueso es más caro, que uno fino y además pesa
mucho y es menos manejable. Por eso, cuando la corriente que va a circular por él es pequeña, no se
elijen cables demasiado gruesos. Cuando se observan los cables de los aparatos eléctricos de una
vivienda se ve que algunos son bastante gruesos, sobre todo los de los electrodomésticos por los que
más intensidad de corriente eléctrica circula. Y, si alguna vez has visto el cable de un horno eléctrico
en una industria o algún otro aparato de gran consumo, observarás que son realmente gruesos, para
minimizar el efecto Joule en ellos.
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Trabajo Práctico
Analiza y responde las siguientes situaciones aplicando los conceptos desarrollados
en la unidad.
1. ¿Cómo se explica el funcionamiento de un fusible aplicando el efecto térmico de la
circulación de la corriente eléctrica? Grafica la situación.
2. La circulación de corriente eléctrica por una solución, tiene un efecto químico
utilizado en la “Galvanometría”. Explica en qué consiste y describe el cromado de un
metal utilizando ésta técnica.
3. Completa:
Dispositivos de seguridad eléctrica
Llave térmica o
Disyuntor o
termomagnética
Interruptor
diferencial
¿Cuál es su función?
¿A quién protege? Y por qué?
¿Cómo y dónde se conecta?
Indica, un ejemplo, de valor de
corriente eléctrica para la cual se
activa el mecanismo de activación
del dispositivo de seguridad.
4. En una conexión eléctrica domiciliaria, se van poniendo en funcionamiento cada vez
más artefactos eléctricos. ¿Cómo se modifica:
a) la intensidad de la corriente eléctrica que circula por la llave térmica
b) el voltaje de la llave?
c) la potencia del circuito?
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