“Electrostática”

La electrostática es la rama de la electricidad encargada de estudiar las cargas electrostáticas en reposo. Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos por materia, la cual a su vez está conformada por pequeñas partículas que no son visibles a simple vista, llamados átomos.

Los átomos tienen electrones  que contienen carga eléctrica negativa, protones que poseen carga eléctrica positiva y por los neutrones que no tienen carga eléctrica.

La electrostática es la rama de la Física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser analizadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.

“Ley de Coulomb”

 La ley de Coulomb puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

Se nombra en reconocimiento del físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), que la enunció en 1785 y forma la base de la electrostática.

Charles-Augustin de Coulomb desarrolló la balanza de torsión con la que determinó las propiedades de la fuerza electrostática. Este instrumento consiste en una barra que cuelga de una fibra capaz de torcerse. Si la barra gira, la fibra tiende a hacerla regresar a su posición original, con lo que conociendo la fuerza de torsión que la fibra ejerce sobre la barra, se puede determinar la fuerza ejercida en un punto de la barra. La ley de Coulomb también conocida como ley de cargas tiene que ver con las cargas eléctricas de un material, es decir, depende de si sus cargas son negativas o positivas.

Variación de la fuerza de Coulomb entre dos cargas puntuales en función de la distancia.

En la barra de la balanza, Coulomb colocó una pequeña esfera cargada y a continuación, a diferentes distancias, posicionó otra esfera también cargada. Luego midió la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.

“Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico”

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor {\displaystyle q} sufre los efectos de una fuerza eléctrica.

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el campo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético F^μν.²

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, solo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.

Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.

La presencia de carga eléctrica en una región del espacio modifica las características de dicho espacio dando lugar a un campo eléctrico. Así pues, podemos considerar un campo eléctrico como una región del espacio cuyas propiedades han sido modificadas por la presencia de una carga eléctrica, de tal modo que al introducir en dicho campo eléctrico una nueva carga eléctrica, esta experimentará una fuerza.

El campo eléctrico se representa matemáticamente mediante el vector campo eléctrico, definido como el cociente entre la fuerza eléctrica que experimenta una carga testigo y el valor de esa carga testigo (una carga testigo positiva).

La definición más intuitiva del campo eléctrico se la puede dar mediante la ley de Coulomb. Esta ley, una vez generalizada, permite expresar el campo entre distribuciones de carga en reposo relativo. Sin embargo, para cargas en movimiento se requiere una definición más formal y completa, se requiere el uso de cuadrivectores y el principio de mínima acción. 

                                                             ELECTRODINAMICA

 La electrodinámica es la parte de la Física que estudia los efectos de las cargas eléctricas en movimiento, es decir, de la corriente eléctrica.
   Un circuito eléctrico es un camino cerrado formado por conductores eléctricos, por el que circula una corriente eléctrica.


                                                           RESISTENCIA ELECTRICA

Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.

                                                              
                                                                    LEY DE OHM

La ley de Ohm dice que la intensidad de la corriente 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 la inversa de la resistencia eléctrica

     

                                                             CIRCUITO ELECTRICO

El circuito eléctrico es el recorrido preestablecido por por el que se desplazan las cargas eléctricas.

Circuito elemental

Las cargas eléctrica que constituyen una corriente eléctrica pasan de un punto que tiene mayor potencial eléctrico a otro que tiene un potencial inferior. Para mantener permanentemente esa diferencia de potencial, llamada también voltaje otensión entre los extremos de un conductor, se necesita un dispositivo llamado generador (pilas, baterías, dinamos, alternadores...) que tome las cargas que llegan a un extremo y las impulse hasta el otro. El flujo de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente eléctrica.

Si quieres ver los componentes de un circuito eléctrico elemental pincha aquí.

Se distinguen dos tipos de corrientes:

Corriente continua: Es aquella corriente en donde los electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd), y es generada por una pila o batería.

Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño. Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede acarrear daños irreversibles en el equipo.

Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA y en inglés por la de AC.

Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica.

El mecanismo que lo constituye es un elemento giratorio llamado rotor, accionado por una turbina el cual al girar en el interior de un campo magnético (masa), induce en sus terminales de salida un determinado voltaje. A este tipo de corriente se le conoce como corriente alterna (a).

POTENCIA ELÉCTRICA Y EL EFECTO JOULE

La potencia eléctrica se define como la rapidez con la que un  aparato que emplea energía eléctrica realiza un trabajo; de igual manera se interpreta como la energía que una maquina o cualquier aparato eléctrico en un segundo.

 

La diferencia de potencial entre dos puntos es igual a

 

Sabemos que se estableció que la potencia es la relación existente entre el trabajo efectuado por una unidad de tiempo, es decir,

Debido a que la corriente eléctrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de tiempo, podemos expresar la potencia eléctrica en relación a la diferencia de potencial y la corriente, por lo tanto:

P=VI

 

 

Ahora, al aplicar la Ley de Ohm a la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:

 

 

  

 La potencia eléctrica se mide en watts, considerando que la energía eléctrica es el producto de la potencia por el tiempo, Comisión Federal de Electricidad (CFE) calcula el costo de esa energía a partir de la potencia en kilowatts y el tiempo en horas, es decir, en kilowatthoras (kWh), el cual equivale a 3.6 x 10 a la 6 J de energía.

 

EJEMPLOS:

Ejemplo n° 1

 

Una plancha tiene resistencia interna de 24 Ohms y se encuentra conectada a una toma de corriente de 120 V. Determina la potencia que consume la plancha.

 

Aplicando la ecuación tenemos:

 

Ejemplo n° 2

 

Determina la corriente que utiliza un aparato eléctrico que funciona con 4.5 V. y consume un potencia de 0.11 Watts.

 

Para determinar la corriente, podemos despejarla de la ecuación, por lo tanto:

 

EFECTO JOULE Y LEY DE JOULE

Entendiendo la energía y el calor

 

Para poder comprender el efecto Joule, debemos aclarar brevemente el concepto de calor. Al calor se le conoce como el desprendimiento de energía por parte de un sistema como causa del movimiento, a escala microscópica, de las partículas que lo componen.

Efecto Joule

Los electrones se mueven de forma totalmente aleatoria, impactando en interaccionando con otras partículas y, por lo tanto, generando movimiento y desprendimiento de calor.

 

 

Por ejemplo: si calentamos una olla de agua, lo que en realidad se produce es un aumento de la energía del sistema, algo que, a nivel molecular, se traduce como un mayor movimiento de las partículas que componen dicho sistema. Esta energía “absorbida”, más tarde, se desprende nuevamente al exterior en forma de calor, siempre que el entorno que rodee a dicho sistema cuente con unos niveles energéticos inferiores (en este caso, así es, pues el aire que rodea a la olla suele estar a una temperatura inferior).

¿Por qué se desprende esa energía en lugar de conservarla? Todos los sistemas tienden, por naturaleza, a buscar una situación de reposo o calma –entendemos reposo o calma como la situación en la que el movimiento de sus partículas sea el menor posible–. Por ello, cuando este estado de relativa calma se altera, los sistemas intercambian energía con los que les rodean para tratar de aproximarse lo máximo posible a dicho estado. En el caso de la olla, se emite calor al exterior para tratar de “enfriarse” y reducir sus niveles energéticos. Ese intercambio de energía es a lo que llamamos calor.

Qué es el efecto Joule y por qué ocurre

Efecto Joule

El efecto Joule, a vista de pájaro, es el desprendimiento de calor provocado por el movimiento de electrones –también conocido como corriente eléctrica– por un material. Este efecto se recoge en la fórmula Q = P x t, donde “Q” es energía o calor desprendido (también representada por la letra E y medida en Julios o Calorías), “P” la potencia consumida (medida en vatios) y “t” el tiempo transcurrido (medido en segundos).

Para entender el efecto Joule, debemos entender el origen de las corrientes eléctricas. Para ello, imaginemos un circuito simple con una pila de 6 Voltios (con un polo positivo y otro negativo) y una resistencia de unos 3 ohmios.

1.Al conectar la pila al circuito, los electrones almacenados en la pila comenzarán a recorrer el circuito desde el polo positivo hasta el negativo, atravesando los cables y la resistencia conectada al mismo.

2.Estos electrones se mueven a causa de una diferencia de potencial –que, en este caso, es de 6 voltios–. Para entender dicho concepto, imaginemos una escalera. El polo positivo es la zona superior de la escalera. El polo negativo, la zona inferior. Desde la zona superior, hacemos rodar unas bolas. Estas, inevitablemente, comenzarán a descender hacia abajo por la fuerza gravitatoria. Con los electrones ocurre algo similar. Este movimiento de electrones del polo positivo (mayor potencial) al polo negativo (menor potencial) es lo que conocemos como corriente eléctrica.

3.Al moverse esos electrones, estos impactan con otros átomos y partículas subatómicas (las que componen los cables, las resistencias, etc.) y, por lo tanto, provocan que estas se muevan en mayor o menor medida. Al aumentar su movimiento, aumenta su energía y, por lo tanto, el desprendimiento de calor al exterior. Este desprendimiento inevitable –solo sería evitable si los materiales conductores fueran 100% perfectos, algo que es imposible de lograr– de energía en forma de calor se conoce como el efecto Joule.

 

 

 

efecto Joule

Los calefactores son un claro ejemplo de aplicación del efecto Joule.

 

 

El efecto Joule y la cantidad de calor que se desprende depende de varias variables:

 

◾La intensidad de corriente. O el número de electrones que pasan por unidad de tiempo. Para entender este concepto, imaginemos una tubería de agua. Cuanto mayor diámetro tenga la tubería de agua, más caudal podrá atravesarla en una unidad de tiempo. La intensidad de corriente es similar. Cuanto menor sea la resistencia y mayor sea la diferencia de potencial, mayor será será la cantidad de electrones en movimiento en una unidad de tiempo.

 

 

◾La resistencia. Es la oposición que presenta un elemento al paso de los electrones por el mismo. Normalmente entendemos como resistencia a un elemento concreto (que puede ser una bombilla o cualquier otro), pero la resistencia también está presente en los cables, por ejemplo. Y es que todo material por el que pasa la corriente eléctrica, presenta oposición al paso de electrones. Si no la presentaran, se obtendría el mayor rendimiento posible de todos los sistemas y el calor generado sería ínfimo. Para que podamos comprender mejor este concepto: la resistencia podríamos entenderla como el número de obstáculos que tendría que sortear un atleta en una carrera de 200 metros obstáculos. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será el número de obstáculos que se presenten en el camino del electrón.

◾La diferencia de potencial o voltaje. Volviendo a la analogía, la diferencia de potencial la podríamos entender como la diferencia de altura existente entre la parte superior de una escalera y la parte inferior. En dicho ejemplo, la gravedad atrae a los cuerpos de la zona superior. En el caso de la corriente eléctrica, los átomos son los que atraen los electrones del polo positivo al negativo, generando ese movimiento.

◾Tiempo. Cuanto mayor es el tiempo, la cantidad de calor generada aumenta. Por lo tanto también influye.

◾Potencia. Normalmente, la influencia de la resistencia, la intensidad y la diferencia de potencial de un circuito se reúne en una magnitud conocida como potencia (que es la que aparece en la fórmula anterior).

El efecto Joule, algo deseado y despreciado

A priori, el efecto Joule puede parecer algo totalmente despreciable, pues impide la obtención de la máxima cantidad de energía de una corriente eléctrica que alimenta a un sistema. Por ejemplo, en los procesadores es algo que siempre se trata de evitar, pues se trata aprovechar la mayor cantidad de energía eléctrica para aumentar el rendimiento del ordenador, tablet o smartphone al que está conectado.

El efecto Joule es un efecto alabado y, al mismo tiempo, despreciado Pero el efecto Joule también es algo muy deseado y esencial para muchos productos actuales. Productos como las estufas, los calefactores, los termos, los secadores o incluso las vitrocerámicas. Y es que este efecto permite convertir la energía eléctrica en calor, algo que ha sido muy explotado por ingenieros durante el último siglo para la creación de un sinfín de productos.

En el caso de los secadores, por ejemplo, encontramos una serie de resistencias que se calientan con el paso de la corriente eléctrica, calentando así el aire que expulsa al exterior. El juego está en tratar de obtener la mayor eficiencia energética (con la menor cantidad de electricidad posible, calentar el aire a una misma temperatura).

Así pues, el efecto Joule es, como todo en esta vida, algo muy relativo. Dependiendo del ámbito y la situación en la que nos encontremos, nos interesará su aparición o no. Pero eso es algo con lo que tendremos que lidiar mientras la energía eléctrica sea una de las bases de nuestra sociedad.

La ley de joule afirma que: el calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente matemáticamente se expresa:

Q= Cantidad de calor (cal)

0.24 cal = 1 joule de trabajo

I= Intensidad de corriente (A)

R= Resistencia de aparato (Ω)

t= Tiempo que dura funcionando (s)

 

“Historia de la electricidad”

La historia de la electricidad se refiere al estudio y uso humano de la electricidad, al descubrimiento de sus leyes como fenómeno físico y a la invención de artefactos para su uso práctico.

El fenómeno en sí, fuera de su relación con el observador humano, no tiene historia; y si se la considerase como parte de la historia natural, tendría tanta como el tiempo, el espacio, la materia y la energía. Como también se denomina electricidad a la rama de la ciencia que estudia el fenómeno y a la rama de la tecnología que lo aplica, la historia de la electricidad es la rama de la historia de la ciencia y de la historia de la tecnología que se ocupa de su surgimiento y evolución.

Uno de sus hitos iniciales puede situarse hacia el año 600 a. C., cuando el filósofo griego Tales de Mileto observó que frotando una varilla de ámbar con una lana o piel, se obtenían pequeñas cargas (efecto tribo eléctrico) que atraían pequeños objetos, y frotando mucho tiempo podía causar la aparición de una chispa. Cerca de la antigua ciudad griega de Magnesia se encontraban las denominadas piedras de Magnesia, que incluían magnetita. Los antiguos griegos observaron que los trozos de este material se atraían entre sí, y también a pequeños objetos de hierro. Las palabras magneto (equivalente en español a imán) y magnetismo derivan de ese topónimo.

La electricidad evolucionó históricamente desde la simple percepción del fenómeno, a su tratamiento científico, que no se haría sistemático hasta el siglo XVIII. Se registraron a lo largo de la Edad Antigua y Media otras observaciones aisladas y simples especulaciones, así como intuiciones médicas (uso de peces eléctricos en enfermedades como la gota y el dolor de cabeza) referidas por autores como Plinio el Viejo y Escribo nio Largo, u objetos arqueológicos de interpretación discutible, como la Batería de  Bagdad, un objeto encontrado en Irak en1938, fechado alrededor de 250 a. C., que se asemeja a una celda electro química. No se han encontrado documentos que evidencien su utilización, aunque hay otras descripciones anacrónicas de dispositivos eléctricos en muros egipcios y escritos antiguos.

Esas especulaciones y registros fragmentarios son el tratamiento casi exclusivo (con la notable excepción del uso del magnetismo para la brújula) que hay desde la Antigüedad hasta la Revolución científica del siglo XVII; aunque todavía entonces pasa a ser poco más que un espectáculo para exhibir en los salones. Las primeras aportaciones que pueden entenderse como aproximaciones sucesivas al fenómeno eléctrico fueron realizadas por investigadores sistemáticos como William Gilbert, Otto von Guericke, Du Fay, Pieter van Musschenbroek(botella de Leyden) o William Watson. Las observaciones sometidas a método científico empiezan a dar sus frutos con Luigi Galvani, Alessandro Volta, Charles-Augustin de Coulomb o Benjamin Franklin, proseguidas a comienzos del siglo XIX por André-Marie Ampère, Michael Faraday o Georg Ohm. Los nombres de estos pioneros terminaron bautizando las unidades hoy utilizadas en la medida de las distintas magnitudes del fenómeno. La comprensión final de la electricidad se logró recién con su unificación con el magnetismo en un único fenómeno electromagnético descrito por las ecuaciones de Maxwell (1861-1865).

El telégrafo eléctrico (Samuel Morse, 1833, precedido por Gauss y Weber, 1822) puede considerarse como la primera gran aplicación en el campo de las telecomunicaciones, pero no será en la primera revolución industrial, sino a partir del cuarto final del siglo XIX cuando las aplicaciones económicas de la electricidad la convertirán en una de las fuerzas motrices de la segunda revolución industrial. Más que de grandes teóricos como Lord Kelvin, fue el momento de ingenieros, como Zénobe Gramme, Nikola Tesla, Frank Sprague, George Westinghouse, Ernst Werner von Siemens, Alexander Graham Bell y sobre todo Thomas Alva Edison y su revolucionaria manera de entender la relación entre investigación científico-técnica y mercado capitalista. Los sucesivos cambios de paradigma de la primera mitad del siglo XX (relativista y cuántico) estudiarán la función de la electricidad en una nueva dimensión: atómica y sub atómica.

“Historia de la electrostática”

La electrostática es la rama de la Física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser analizadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.

Alrededor del año 600 a. C., el filósofo griego Tales de Mileto descubrió que si frotaba un trozo de la resina vegetal fósil llamada ámbar, en griego élektron, este cuerpo adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos. Algo más tarde, otro griego, Teofrasto(310 a. C.), realizó un estudio de los diferentes materiales que eran capaces de producir fenómenos eléctricos y escribió el primer tratado sobre la electricidad.

A principios del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la navegación con brújulas magnéticas. El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad, creada a partir del término griego elektron (ámbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analizó sus experimentos y fue el primero en comentar que había fuerzas de atracción entre ciertos cuerpos y de repulsión entre otros.

Alrededor de 1672 el físico alemán Otto von Guericke construye la primera máquina electrostática capaz de producir y almacenar energía eléctrica estática por rozamiento. Esta máquina consistía en una bola de azufre atravesada por una varilla que servía para hacer girar la bola. Las manos aplicadas sobre la bola producían una carga mayor que la conseguida hasta entonces. Francis Hawksbee perfeccionó hacia 1707 la máquina de fricción usando una esfera de vidrio.