Lección 1

Tema III
• Lección 1ª
– De la triboelectricidad al pararrayos
• Lección 2º
– La corriente eléctrica
• Lección 3ª
– El campo magnético
1
De la triboelectricidad al
pararrayos
•
•
•
•
Primeras experiencias eléctricas
La Ley de Coulomb
Campo y potencial eléctrico
Efectos y aplicaciones del potencial
electrostático
2
3
Así quedó
4
Consejos para poner
gasolina
•
EN SU VEHICULO: Frene, ponga el freno de mano, apague el
motor, radio y luces
•
NUNCA regrese a su vehículo mientras está cargando combustible.
•
POR PRECAUCIÓN: Acostúmbrese a cerrar la puerta del coche al
salir o entrar en él, así se descargará de electricidad estática al
tocar algo metálico.
•
Después de cerrar la puerta TOQUE LA PARTE METÁLICA DE LA
CARROCERÍA, antes de tocar la pistola de combustible. De esta
manera la electricidad estática de su cuerpo se descargará en el
metal y no en la pistola.
•
EXTREME LAS PRECAUCIONES si la gasolina se ha derramado o
salpicado en el piso. ANTES de poner en marcha nuevamente el
motor, la gasolina derramada debe ser recogida
5
CONCLUSIONES
• Existe carga
– ¿Cómo es? ¿cómo aparece?
• Se puede almacenar generando cuerpos
cargados
• Puede pasar de un cuerpo a otro
– ¿Cómo? ¿en qué condiciones?
6
¿Cómo es la carga?
• Existen dos tipos de
carga
• Resinosa (positiva)
• Vítrea (negativa)
7
Cómo se produce I
• La
electrización
por
frotamiento
o
“TRIBOELECTRICIDAD” es la primera forma
de contacto con las cargas eléctricas que hemos
tenido.
8
Escala triboeléctrica
Materiales más
positivos
aire
vidrio pulido
fibra sintética
piel de conejo
mica
lana
piel de gato
plomo
aluminio
papel
algodón
papel
ebonita
acero
madera
caucho
resina
cobre
níquel
plata
azufre
vidrio sin pulir
acetato (celuloide)
poliéster
poliuretano
polipropileno
vinilo (PVC)
silicona
Materiales más
negativos
Los materiales que están
más próximos al extremo
más negativo, tienen
propensión a adquirir carga
eléctrica negativa al rozar
con materiales situados
encima de ellos.
Los materiales más
próximos al extremo más
positivo tienen tendencia
adquirir carga eléctrica
positiva al rozar con los
situados debajo de ellos.
Para adquirir una carga
máxima los materiales
puestos en contacto debe
estar lo más apartados
posible el uno del otro en
esta lista
teflón
9
Generador de van der
Graaff
•
•
Este generador es capaz de
almacenar en su parte superior
una gran cantidad de carga
Por frotamiento, que se realiza
en la base, se desprende
carga y se transporta hasta la
cabeza
10
Efectos electrostáticos
11
Como se produce II
• Hemos visto que la
carga se produce por
frotamiento
También se produce por:
• contacto
e
• inducción
12
Contacto
• Si mantenemos la varilla, la bola del péndulo se
separa de su posición de equilibrio
• La bola del péndulo se ha cargado
13
Carga por inducción
• La barra cargada induce
cargas en las dos bolas, que
están en contacto
• Al separar las bolas cada
una mantiene su carga
• ¿Se mantienen así las dos
bolas?
14
Fuerza entre dos cargas
• El módulo es proporcional al valor de
ambas cargas.
• Puede ser atractiva o repulsiva según
el signo de las cargas. Siendo
atractiva para cargas de distinto signo
y de repulsión para cargas del mismo
signo.
• Es del tipo acción-reacción
• Varia con la distancia de forma
inversamente proporcional a su
cuadrado.
• Tiene la dirección de la línea que une
las cargas.
15
La Ley de Coulomb
q ⋅ q'
F∝ 2
d
r
q ⋅ q' r
F = Ke 2 u r
d
• El valor de la constante depende del sistema de
medida utilizado y del medio en el que estén las
cargas.
• La fuerza sobre cada uno de los péndulos
aparece aunque estos no estén en contacto.
Estamos ante una acción a distancia
16
Problema
¿Cuál será la fuerza que actuará
sobre un electrón colocado en
el segmento que une dos
cargas de + 0.05 y - 0.08 c,
separadas 2 m y que dista 0.5
m de la negativa?
La situación será como se indica en la figura, el electrón se verá repelido por la
carga negativa (Qb), y atraído por la positiva (Qa), lo que nos da siempre una
fuerza siempre dirigida hacia la izquierda y contenida en la línea que las une.
Para la carga “A” r
− 19
Qa ⋅ e
9 0,05 × 1,6 × 10
− 11
Fa = K e 2 = 9 × 10
N
=
3
2
×
10
,
2
da
(2 − 0,5)
−19
r
0
08
×
16
×
10
.
.
9
−10
Para la carga “B” FB = 9 × 10
4
6
10
,
=
×
N
2
0.5
r r
r
− 11
− 10
− 10
F
=
F
+
F
=
3
,
2
×
10
+
4
,
6
×
10
=
4
,
9
×
10
N
El módulo de la resultante:
a
b
17
Acciones a distancia
• Cuando dejamos un cuerpo en el aire se
cae solo.
• Si estuviera en la Luna ¿caería igual que
en la Tierra?
• ¿y si está en una nave espacial, también
cae?
• Ni en la Luna ni en la Tierra nadie lo toca,
pero cae
• En estos dos casos estamos en un
campo gravitatorio
18
El campo eléctrico
• El trocito de papel sube
hacia la mano ¿por qué?
• El trocito de papel se ha
cargado por inducción y
es atraído por la mano,
aunque no esté en
contacto con ella.
• EL campo se pone de
manifiesto por la
aparición de una fuerza
19
Campo
• Es la región del espacio en la que, cuando
colocamos el “cuerpo adecuado” en uno
cualquiera de sus puntos, aparece sobre él una
fuerza.
• El campo existe ya pero sólo se pone de
manifiesto al colocar “el cuerpo adecuado”
• Un campo no es una fuerza, se manifiesta por la
aparición de una fuerza.
r
r
F = q ⋅ E;
r
Q r
E = Ke 2 u
d
20
Representación del campo
• El campo eléctrico en cada
punto, lo representamos por
la trayectoria que seguiría
una carga positiva colocada
en el punto (línea de campo)
• El módulo nos lo da el valor de
la fuerza que actúa sobre una
carga unitaria positiva, lo
medimos en V/m
• Entendemos que sale de las
cargas positivas y termina en
las cargas negativas
21
Problema
¿Cuál será el campo creado
por una carga de +0,05 C
en un punto que dista 3m
de ella?
•
El módulo del campo eléctrico será
0.05
= 9 × 10 2 = 5 × 107 V / m
3
r
Q
E = Ke 2
d
9
•
Como la carga que genera el campo es positiva, la dirección del
campo será la línea que une la carga con “P” y distanciándose de
ella. Como de “P” sólo nos dicen que dista 3 m de la carga, podrá
estar en cualquier punto de la superficie esférica de radio 3 m
centrada en la carga
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Otra descripción del campo
eléctrico
• Para describir el campo eléctrico
empleamos:
– Líneas de campo
– Superficies equipotenciales
• ¿Qué son las líneas equipotenciales? o
mejor ¿qué es el potencial eléctrico?
23
Potencial eléctrico
• Si la carga se mueve espontáneamente pierde
energía, si la pierde la tenía.
• Para que la gane se la tenemos que dar
nosotros.
• Necesitaremos dar más o menos energía según
en que punto se encuentre y a donde vaya.
• A la energía por unidad de carga, que se gasta
o que tenemos que darle, para ir de un punto a
otro la llamamos diferencia de potencial entre
esos dos puntos (∆W/q) = VB - VA = ∆V
24
Formulación del potencial
• La energía para mover una carga “q” entre
“A” y “B” será ∆W = q × ∆V
• Matemáticamente eso lo escribimos como:
∆W =
∫
r r
F ⋅ dl =
∫
r
r
r r
(q ⋅ E) ⋅ dl = q E ⋅ dl
∫
25
Relación potencial campo
• Si el trabajo lo realizamos nosotros, la energía
aumenta pues se acerca a la carga que crea el
campo.
• Cuando nosotros realizamos trabajo decimos
que es un trabajo negativo
r r
VB − VA = − E ⋅ dl
∫
B
A
26
Campo y medios materiales
• Los medios materiales se clasificaron en
eléctricos (hoy aislantes) y anaeléctricos
(hoy conductores) “según se electrizaran
por frotamiento o no”. Realmente según
se advirtiera o no su electrización
• Hoy hablamos de conductores y
dieléctricos.
27
Conductores
Los conductores se caracterizan
por tener cargas libres en su
volumen
– Al aplicarles un campo eléctrico
sus electrones se ven sometidos a
una fuerza que los lleva a la
superficie.
– El movimiento de los electrones
sólo puede terminar cuando el
campo en el interior del conductor
es nulo.
28
Conductores II
• Se caracterizan por que el
potencial es único en todo
el conductor
• El campo en el interior es
nulo
• El campo en su superficie
es perpendicular a ella y
más intenso cuanto menor
es su radio (efecto punta)
Fuego de san Telmo
29
Dieléctricos
Los dieléctricos no tienen
en su interior cargas
libres
• Los centros de las cargas
positivas y negativas
coinciden
• El campo eléctrico “deforma”
sus moléculas, los
dieléctricos se polarizan
30
Efectos del potencial
También las tormentas
31
La atmósfera
• En condiciones de buen
tiempo, en todas las capas
de la atmósfera existe un
campo eléctrico muy
pequeño y normal a la
superficie de la tierra.
• La ionosfera como tiene una
alta densidad de iones, se
la puede considerar como
un conductor. Su
conductividad es alta.
• La troposfera tiene una baja
conductividad, que aumenta
mucho con la altura. El
campo eléctrico disminuye
rápidamente con la altura.
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Troposfera y Campo eléctrico
• En la troposfera existen cargas procedentes de:
– Rayos cósmicos
– Radiación ultravioleta
Se produce un campo
• La pequeña conductividad del aire permite:
– El “almacenamiento” de las cargas en regiones en las que el
campo eléctrico es muy pequeño
– Un cierto grado de movilidad de las cargas en las regiones en
las que el campo es mayor
• El valor del campo eléctrico en una cierta región de ella,
depende también de la composición de la atmósfera, un
valor típico en buenas condiciones es 130 V/m.
• La contaminación por partículas cargadas, como las
procedentes de los aerosoles, aumenta el campo
eléctrico en esa región (un valor típico 500 V/m).
33
Alguna nube
34
Formación de tormentas
• Los elementos sólidos
provocan que se
aglutinen en ellos
partículas de vapor
formando una gota de
mayor tamaño
• En su caída y por
frotamiento con otras
gotas de vapor de menor
tamaño se electrizan
negativamente
• Se provoca una
redistribución de
cargas y un aumento
en el valor del campo
eléctrico.
35
Formación de rayos
• El aumento del campo
supone una mayor
diferencia de potencial
• A partir de un valor crítico
(de 10 a 45 kV) salta la
chispa y aparece el rayo.
• El rayo supone una transformación de la
energía eléctrica en:
– Energía electromagnética (relámpago)
– Energía acústica (trueno)
– Energía calorífica
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La energía se transforma en
• Electromagnética
produciéndose
fogonazos de luz,
los relámpagos,
dentro de la nube,
entre nubes o
tierra-nube
• Calorífica, que no la
visualizamos y
origina aumento de
temperatura
• Acústica de fácil
apreciación
37
Rayos
38
¿Cómo son los rayos?
Presentan trayectorias
irregulares, pues
siguen caminos
ionizados que
presentan menos
resistencia eléctrica.
Pueden compararse a
corrientes eléctricas
de alta intensidad
(30.000 Amperios)
39
Rayos
40
Más rayos
41
¿Cómo viajan los rayos?
La tierra está cargada
positivamente por inducción
• Desde la nube se produce una
“guía” que viaja a 2 x 105 m/s y
en zigzag hasta las cercanías
de la Tierra.
• Desde la Tierra se produce
una corriente de iones
positivos en busca de la guía
negativa (efecto corona).
• Si se produce la unión una
corriente de iones positivos
circula hacia la nube y se
produce el “RAYO”
42
Efectos de los rayos
Un rayo es equivalente a una corriente eléctrica de
entre 5 y 300 kA ( en casa 25 A) debida a una
tensión entre 1.000 y un millón de voltios.
Un rayo directo puede suponer una potencia de unos
diez mil millones de vatios. Un horno o una
lavadora consumen del orden de tres o cuatro mil
vatios.
De forma directa pueden producir: Quemaduras en la piel,
lesiones en retina, lesiones pulmonares y óseas, muerte
por paro cardíaco, paro respiratorio, lesiones cerebrales.
43
Efectos indirectos
• Potenciales desfasados,
peligrosos en las zonas
de aire libre
• Las corrientes inducidas
y las variaciones bruscas
del potencial en las
cercanías del punto de
impacto, pueden afectar
a conducciones metálicas
de gas, agua, telefonía o
red eléctrica.
44
Prevención del rayo
• Para prevenir los efectos de los rayos se
emplean los pararrayos.
• Los primeros fueron atraparrayos o pararrayos
ionizantes.
45
Pararrayos ionizantes
Ionizan el aire y crean un camino
para captar la descarga del rayo
– Ionización pasiva (Franklin). El
campo eléctrico es mayor en las
zonas terminadas en punta (efecto
punta)
– Ionización activa emiten descargas
eléctricas de polaridad inversa al
rayo, lo atraen y elevan el punto
de impacto por encima de la
estructura a proteger. Se crea
mayor radio de cobertura en la
base que un pararrayos
convencional
46
Pararrayos desionizantes
Los pararrayos desionizantes
constan de dos electrodos de
aluminio separados por un
aislante dieléctrico
El pararrayos CTS se encarga de disipar todas las cargas a la
toma de tierra en forma de corriente eléctrica, el efecto de
generar una fuga progresiva de corrientes eléctricas de baja
intensidad a la toma de tierra , causa la eliminación del
efecto corona y evita la formación de los caminos
trazadores y en consecuencia, la formación e impacto del
rayo queda anulado en toda la zona de protección.
47
Aplicaciones
•
•
•
•
•
•
•
Pulverizadores
Filtros
Desionizadores del aire
Electroforesis
Pinturas electrostáticas
Impresora
Fotocopiadora
48
La fotocopiadora I
Consta de:
• Un sustrato metálico
sobre el que se
encuentra
• un material
fotoconductor en el
que se induce carga
electrostática desde un
• ánodo a un alto
potencial
49
La fotocopiadora II
• La luz procedente de
la imagen que
queremos copiar
• genera carga libre en
el material
fotoconductor
• que neutraliza la
carga estática en
algunos puntos
50
La fotocopiadora III
• Las partículas de
toner, negativas, son
atraídas por la carga
electrostática positiva
del material
fotoconductor, que las
fija sobre él.
51
La fotocopiadora IV
• El paso del papel, que
se ha electrizado
positivamente, sobre el
material fotoconductor
• hace que se adhiera el
toner en los puntos
adecuados,
reproduciendo la
imagen.
52
Resumen
• La materia está formada por
cargas positivas y negativas
• La electricidad estática puede
producir grandes diferencias de
potencial.
• El campo eléctrico se pone de
manifiesto por la fuerza ejercida
sobre cargas.
• En el interior de los conductores
el campo es nulo y
perpendicular a su superficie.
• Los dieléctricos se polarizan.
53