Electrostática y Corriente Eléctrica, Diapositivas de Física

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Profesor: Alfonso Toro

FMF 019 Física

Electrostática - Corriente Eléctrica

Campo Eléctrico La presencia de una carga eléctrica produce una fuerza sobre todas las otras cargas presentes. La fuerza eléctrica produce una “acción a distancia” los objetos cargados pueden influenciar a otros sin tocarlos. La ley de Coulomb nos permite calcular la fuerza ejercida por la carga q 2 sobre la q 1. Si acercamos la carga q 2 hacia q 1 entonces la magnitud de la fuerza sobre q 1 se incrementará. ¿Cuánto tarda en “sentirse” este efecto? No ocurre instantáneamente. (ninguna señal se puede propagar más rápidamente que la luz. La cargas ejercen una fuerza sobre las otras mediante perturbaciones que ellas generan en el espacio que las rodean.

Estas perturbaciones se llaman campos

eléctricos.

Cada objeto cargado genera un campo

eléctrico que influencia el espacio alrededor.

Campo Eléctrico La dirección del campo eléctrico es definida como la dirección que tomaría la fuerza sobre una carga positiva si se colocara cerca de Q. Cargas positivas experimentan una fuerza en la dirección del campo; cargas negativas (por ejemplo electrones) experimentan una fuerza en dirección opuesta al campo

Campo Eléctrico Si se colocan varias cargas, el campo total es la suma vectorial de los campos producidos por cada carga.

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico corresponde a energía potencial por unidad de carga eléctrica. Es capacidad de realizar trabajo producto de la posición. Potencia = Energía / Carga = Joule / Coulomb = Volt El potencial es un número y se obtiene para cargas puntuales evaluando la expresión siguiente (sólo importa la carga y la distancia al lugar donde se quiere calcular)

R

q

V k

e

Ejemplo: Determine el punto donde el campo eléctrico es cero en la distribución de la figura. La posición buscada se ubica en la posición más lejana a la carga de mayor magnitud. Sea x la distancia desde la carga - 2,5 μC. Los campos en la posición buscada tienen igual magnitud.

x m x m

x x x x

E

x

k

x

E ke e

1 2 2 2 2 2 2 6 2 6 1

− −

Por lo tanto el campo eléctrico es nulo a 1,82 m a la izquierda de la carga de - 2,5 μC.

Corriente Eléctrica Vimos que los portadores de carga eléctrica se pueden mover por la acción de una fuerza (Fuerza de Coulomb). Al existir un desplazamiento, concluimos que esta fuerza realiza Trabajo Mecánico. El trabajo podemos evaluarlo como el cambio en la Energía Potencial. ( ) 2 1 W =− U = − U − U Pero la Energía Potencial la podemos evaluar en base a la “Diferencia de Potencial” ( ) 2 1 W =− q  V =− q  V − V

Por lo tanto podemos afirmar que las cargas eléctricas se mueven si existe una

Diferencia de Potencial Eléctrico.

Diferencia de Potencial ¿Qué fenómeno ocurre cuando se enciende la ampolleta de la figura? Al igual que una masa, en presencia de la gravedad, que se mueve desde zonas de mayor potencial (mayor altura) a zonas de menor potencial. Las cargas eléctricas (positivas) siguen el mismo comportamiento. Este proceso es natural. Sin embargo, las masas no suben “naturalmente”, sino que alguien debe proporcionar la Energía para ello (Trabajo) Al conectar la ampolleta, la batería gastará energía química para mover (dentro de la batería) cargas desde un potencial bajo (borne negativo) a uno más alto (borne positivo). Una vez que estas cargas hayan llegado al borne positivo (potencial alto), circularán a través de circuito externo (alambre y ampolleta) hasta el borne negativo (potencial bajo).

Corriente Eléctrica La Corriente Eléctrica, es una cantidad física que da cuenta del movimiento de los portadores de carga eléctrica por un circuito, la cual queda caracterizada por su Intensidad. Es en rigor un flujo de carga eléctrica.        = s C t Q I  A  t Q I  =^ Ampere André-Marie Ampère (1775-1836)

Ley de Ohm Los portadores de carga eléctrica que se mueven a través de un material lo hacen impulsados por un campo eléctrico que depende de una diferencia de potencial. A pesar de lo que podría suponerse, avanzan a una muy baja velocidad, pues en su movimiento chocan constantemente con los átomos del material, por lo cual en promedio avanzan no más de 1 metro por hora. V = R  I Ley de Ohm Georg Simon Ohm (1789-1854) Georg Simon Ohm estableció que en muchos materiales la relación entre la Intensidad ( I) y la Diferencia de potencial (V) es lineal o proporcional. Definiéndose una constante que se denominó Resistencia Eléctrica.   = = A V R^ Ohm

Resistencia Eléctrica A L R = 

Efecto Joule La Potencia ( energía por unidad de tiempo) a la cual se “pierde” o “consume” esta energía está dada por: R V P V I R I 2 2 =  =  = Vimos que cuando los portadores de carga atraviesan un material, lo hacen colisionando con la estructura molecular del material. En estos choques se pierde parte de la energía “eléctrica” la cual se transforma en Calor.  P  = V  A = Watt

Conexión de Resistencias Conexión Serie: Dos resistencia conectadas están en serie, si la corriente que pasa por ellas es la misma. Usando la Ley de Ohm se tiene: V (^ R R ) I V V V R I R I  = +   = + =  +  1 2 1 2 1 2 Desde sus extremos la resistencia es la misma que la de una sola de Valor R 1 +R 2 1 2 R R R eq = +

Conexión de Resistencias Conexión Paralelo: Dos resistencia conectadas están en paralelo, si están a la misma diferencia de potencial. Usando la Ley de Ohm se tiene: 2 2 1 2 1 1 I I I V R I V R I V R I eq  = +       =   =   =  Desde sus extremos la resistencia es la misma que la de una sola de Valor 1 2 1 1 1 R R R eq = +