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ELECTRICIDAD
ING. LUIS FELIPE CASTELLANOS CASTELLANOS
CORREO ELECTRÓNICO:
[email protected]
[email protected]
Pagina web
maestrofelipe.jimdo.com
1
ANTECEDENTES
HISTORICOS DE LA
ELECTRICIDAD
2
¿Qué pasaría si no existiera la electricidad?
¿Te imaginas una vida sin celular? sin
microondas, sin lavadora, sin televisión, es por
ello que en este documento encontrarás la
historia y las aportaciones de algunos científicos
a esta parte de la Física.
3
4
5
OTTO DE GUERICKE
6
PIETER VAN MUSSCHENBROEK
Descubrió la manera de
almacenar cargas eléctricas al
utilizar:
7
BENJAMIN FRANKLIN
Observo que cuando un conductor
de carga negativa termina el
punta, los electrones de acumulan
en esa región y por repulsión
abandonan
dicho
extremo,
fijándose en las moléculas de aire.
8
Utilizo lo antes
descrito, para
protección d
edificios,
mediante la
construcción
de pararrayos.
Por medio de un pararrayos las descargas eléctricas que se producen en
la atmosfera se disipan en el suelo
9
CHARLES COULOMB
En 1777 invento la
balanza de torsión
para medir la magnitud
de la fuerza de
atracción o de
repulsión por medio del
retorcimiento de la
fibra fina y dirigida.
10
ALESSANDRO VOLTA
Invento el
electróforo:
almacenaba
y generaba
electricidad
estática.
11
GEORG OHM
Estableció la ley fundamental de las corrientes
eléctricas, al encontrar la existencia de una
relación, entre la resistencia de un conductor,
la diferencia de potencial y la intensidad de
corriente eléctrica.
12
MICHAEL FARADAY
Descubrió la
inducción
electromagnética, al
imán
usar un
para
generar una corriente
eléctrica al
desplazarlo dentro de
un espiral de hierro.
13
JAMES JOULE
Encontró la cantidad
de calor originado por
una corriente eléctrica
al circular a través de
un conductor, es
directamente
proporcional a la
resistencia.
14
JOSEPH HENRY
Constructor del
primer electroimán.
15
HEINRICH LENZ
Enuncio la ley
relativa al sentido
de corriente
inducida.
16
JAMES MAXWELL
Propuso la teoría electromagnética de la luz y las
ecuaciones generales del campo electromagnético.
17
NIKOLA TELSA
Inventor del motor asíncrono y estudio
las corrientes polifasicas.
18
JOSEPH THOMSON
Investigo la
estructura de
la materia y
de los
electrones.
19
PIETER VAN MUSSCHENBROEK:
Descubrió la manera de
almacenar cargas eléctricas
(botella Leyden).
1656
electroimán.
CHARLES COULOMB:
Invento la balanza de
torsión (para medir fuerza
de atracción y de
repulsión).
TALES DE MILETO:
frotar el ámbar con
piel de gato, atrae
cuerpos ligeros.
600 a.C
JOSEPH HENRY:
Constructor del primer
1746
1753
OTTO DE GUERICKE
Construyo la primera
máquina de eléctrica
1777
1775
ALESSANDRO VOLTA:
Invento el electróforo.
BENJAMIN FRANKLIN:
Observo que cuando un
conductor negativo
termina en punta , los
electrones se acumulan
en el mismo.
1825
1827
GEORG OHM:
Estableció la ley
fundamental de
las corrientes
eléctricas.
20
JAMES JOULE:
Encontró la cantidad de calor,
originado por una corriente al
circular a través de un
conductor.
NIKOLA TELSA:
Inventor del motor
asincrónico.
MICHAEL FARADAY:
Descubrió la
inducción
electroestática.
1840
1831
1834
HEINRICH LENZ:
Enuncio la ley relativa al
sentido de la corriente
inducida.
1865
JAMES MAXWELL:
Propuso la teoría
electromagnética
de la luz.
1902
1904
JOSEPH THOMSON:
Investigo la estructura
de la materia y de los
electrones.
21
BIBLIOGRAFÍA
•Pérez Montiel Héctor, Física General,
Editorial, Publicaciones Cultural, México
2012
22
CARGA ELECTRICA
Y
LEY DE CONSERVACION DE
LA CARGA
23
¿QUÉ ENTIENDES POR
CARGA ELECTRICA?
¿QUÉ ENTIENDES POR LEY
DE CONSERVACION DE LA
CARGA?
24
CARGA ELECTRICA
Toda la materia, se compone de
átomos y estos de partículas
elementales como los electrones,
protones y neutrones.
Los electrones y
protones tienen
una propiedad
llamada
carga
eléctrica.
25
PROTON
carga +
ELECTRONES
carga -
26
INTERACCIÓN DE CARGAS DE
IGUAL O DIFERENTE SIGNO
La Ley de cargas
enuncia que las
cargas de igual
signo se repelen,
mientras que las de
diferente signo se
atraen.
27
Un principio fundamental es:
Carga
Carga
+
+
Resultado
Repelen
Repelen
+
Atraen
+
Atraen
28
BIBLIOGRAFÍA
• Pérez Montiel Héctor, Física General,
Editorial, Publicaciones Cultural, México
2012
• https://www.youtube.com/watch?v=gzI
tkaB_xNc
29
LAS 3 FORMAS DE
ELECTRIZAR A LOS CUERPOS.
30
POR FROTAMIENTO.
Los cuerpos electrizados por frotamiento
producen pequeñas chispas eléctricas, como
sucede cuando después de caminar por una
alfombra se toca un objeto metálico o a otra
persona, o bien al quitarse el suéter o un
traje de lana.
31
32
POR CONTACTO.
Este fenómeno de electrización se origina cuando un cuerpo saturado de
electrones cede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto.
33
POR INDUCCIÓN.
Esta forma de electrización se presenta cuando un cuerpo se carga
eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado.
34
ACTIVIDAD 1
35
36
MATERIALES CONDUCTORES
Y AISLANTES
UNIDADES DE CARGA
ELÉCTRICA
LEY DE COULOMB
37
MATERIALES
CONDUCTORES Y
AISLANTES
38
MATERIALES CONDUCTORES
• Los materiales conductores son los que permiten el movimiento de las cargas
eléctricas por su interior, como por ejemplo, los metales, soluciones de ácidos,
bases y sales disueltas en agua. Así como el cuerpo humano.
39
MATERIALES AISLANTES
• Los materiales aislantes son los que no permiten el movimiento de cargas
eléctricas por su interior, como por ejemplo, la madera, el vidrio, el plástico,
porcelana, ceda, mica y el papel.
40
UNIDADES
DE CARGA
ELÉCTRICA
41
LA CANTIDAD DE CARGA
La cantidad de carga (q) se puede definir en términos del
número de electrones, pero el Coulomb (C) es una mejor
unidad para trabajo posterior. La siguiente puede ser una
definición temporal:
Coulomb: 1 C = 6.25 x 1018 electrones
Esto significa que la carga en un solo electrón es:
1 electrón: e- = -1.6 x 10-19 C
42
LEY DE
COULOMB
43
LEY DE COULOMB
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es
directamente proporcional al producto de las dos cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre
ellas.
q
F
q
F
r
q’
q’
+
F
qq '
F 2
r
44
CÁLCULO DE FUERZA ELÉCTRICA
La constante de proporcionalidad k para la ley de Coulomb
depende de la elección de las unidades para carga.
kqq
F  2
r
Fr 2
donde k 
qq
Cuando la carga q está en coulombs, la distancia r en metros y la fuerza F
en newtons, se tiene:
Fr
9 Nm
k
 9 x 10
2
qq '
C
2
2
45
46
LEY DE COULOMB
2
kq1q2
Fr
F  2 | donde k 
r
q1q2
Símbolo
F
q1q2
r
k
2
Especificación
Fuerza eléctrica de atracción o
repulsión
Carga eléctrica
Unidades
Newtons N
Coulombs (C), micro Coulombs (mC),
nano Coulombs (nC)
Distancia que separa una carga de la mm, cm, m
otra
Constante de proporcionalidad
𝟐
𝑵.
𝒎
𝟗𝒙𝟏𝟎𝟗
𝑪𝟐
47
EJEMPLO 1. UNA CARGA DE –5 MC SE COLOCA A 2 DE UNA
CARGA DE +3 MC. ENCUENTRE LA FUERZA ENTRE LAS DOS
CARGAS.
-5 mC
q
-
F
+3 mC
+
r
q’
2 mm
9 Nm2
C2
kqq ' (9 x 10
F 

2
r
)(5 x 10 C)(3 x 10 C
-6
-3
(2 x 10 m)
F = 3.38 x 104 N;
-6
2
atracción
Nota: Los signos se usan SÓLO para determinar la dirección de la fuerza.
48
ACTIVIDAD 2
49
BIBLIOGRAFÍA
• Pérez Montiel Héctor, Física General, Editorial,
Publicaciones Cultural, México 2012
• Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University © 2007 MC
GRAW HILL
50
CAMPO ELECTRICO
51
EL CONCEPTO DE CAMPO
Un campo se define como una propiedad del espacio en el
que un objeto material experimenta una fuerza.
Sobre la Tierra, se dice que existe un
campo gravitacional en P.
m
.
P
F
Puesto que una masa m experimenta una
fuerza descendente en dicho punto.
¡No hay fuerza, no hay campo; no hay
campo, no hay fuerza!
La dirección del campo está determinada por la fuerza.
52
EL CAMPO ELÉCTRICO
1. Ahora, considere el punto
P a una distancia r de +Q.
2. En P existe un campo eléctrico E
si una carga de prueba +q tiene
una fuerza F en dicho punto.
3. La dirección del E es igual
que la dirección de una fuerza
sobre la carga + (pos).
4. La magnitud de E está
dada por la fórmula:
+q P +.
F
E
r
+ ++
+
++Q++
Campo eléctrico
F
N
E  ; unidades
q
C
53
EL CAMPO ES PROPIEDAD DEL ESPACIO
La fuerza sobre +q está
en dirección del campo.
F .
+q +
-q -.
E
r
++
+
+
++Q++
Campo eléctrico
La fuerza sobre -q
está contra la
dirección del campo.
E
r
++
+
+
++Q++
F
Campo eléctrico
En un punto existe un campo E ya sea que en dicho punto
haya o no una carga. La dirección del campo es
alejándose de la carga +Q.
54
LA MAGNITUD DEL CAMPO E
La magnitud de la intensidad del campo eléctrico en un punto en el
espacio se define como la fuerza por unidad de carga (N/C) que
experimentaría cualquier carga de prueba que se coloque en dicho
punto.
Intensidad de
campo eléctrico E
F
E  ; unidades
q
N
C
La dirección de E en un punto es la misma que la dirección en que
se movería una carga positiva SI se colocara en dicho punto.
55
LA MAGNITUD DEL CAMPO E
F
E
q
E  Intensidad de campo eléctrico
F  Fuerza de atracción o repulsión
q  Carga electrica ( ó -)
56
La magnitud del campo E
F
E
q
F
E
q
F
q
E
F  E q 
57
EJEMPLO 1. UNA CARGA DE +2 NC SE COLOCA A
UNA DISTANCIA R DE UNA CARGA DE–8 MC. SI LA
CARGA EXPERIMENTA UNA FUERZA DE 4000 N, ¿CUÁL
ES LA INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO E EN DICHO
PUNTO P?
Primero, note que la dirección de E es
hacia –Q (abajo).
F
4000 N
E 
-9
q 2 x 10 C
+2 nC
+q + . P
4000 N
E
r
- --- -Q
- –8 mC
-Campo eléctrico
E = 2 x 1012 N/C
hacia abajo
Nota: El campo E sería el mismo para cualquier carga que se
coloque en el punto P. Es una propiedad de dicho espacio.
58
EJEMPLO 2. UN CAMPO CONSTANTE E DE 40,000 N/C SE MANTIENE
ENTRE LAS DOS PLACAS PARALELAS. ¿CUÁLES SON LA MAGNITUD Y
DIRECCIÓN DE LA FUERZA SOBRE UN ELECTRÓN QUE PASA
HORIZONTALMENTE ENTRE LAS PLACAS?
+ + + + + + + +- +
El campo E es hacia abajo, y
la fuerza sobre e- es arriba.
e-
F
E  ; F  qE
q
Fe-
-
e
-.
E
-
- - - - - - - - -
F  qE  (1.6 x 10 C)(4 x 10
-19
4 N
C
F = 6.40 x 10-15 N, hacia arriba
)
59
ACTIVIDAD 3
60
CAPÍTULO 24 – CAMPO ELÉCTRICO
PRESENTACIÓN POWERPOINT DE
PAUL E. TIPPENS, PROFESOR DE FÍSICA
SOUTHERN POLYTECHNIC STATE UNIVERSITY
©
2007
61
62
RESISTIVIDAD DE UN
MATERIAL
63
RESISTIVIDAD DE UN MATERIAL
La resistividad r es una propiedad de un material
que determina su resistencia eléctrica R.
Al recordar que R es directamente
proporcional a la longitud L e inversamente
proporcional al área A, se puede escribir:
La unidad de resistividad es el ohm-metro
(Wm)
64
RESISTENCIA ELÉCTRICA
Tabla de resistividad de
algunos materiales
(Cuadro 2.12)
Metal
r en Ω - m a 0=°C
Plata
1.06𝑥10−8
Cobre
1.72𝑥10−8
Aluminio
3.21𝑥10−8
Platino
11.05𝑥10−8
Mercurio
94.10𝑥10−8
Resistividad del conductor
Ω-metros
L
Longitud del conductor
Metros (m)
A
Área de sección transversal
del conductor
R
Resistencia del conductor
Ohm Ω
65
¿QUÉ LONGITUD L DE ALAMBRE DE COBRE SE REQUIERE PARA
PRODUCIR UN RESISTOR DE 4 MW? SUPONGA QUE EL
DIÁMETRO DEL ALAMBRE ES 1 MM Y QUE LA RESISTIVIDAD R
DEL COBRE ES 1.72 X 10-8 W.M .
A
D
4
2

 (0.001 m)
4
2
A = 7.85 x 10-7 m2
RA (0.004 W)(7.85 x 10 m )
L

-8
r
1.72 x 10 W m
-7
L
Rr
A
La longitud requerida es:
2
L = 0.183 m
66
ACTIVIDAD 4
67
LEY DE OHM
68
LEY DE OHM
La ley de Ohm afirma que la corriente I a través de un
conductor dado es directamente proporcional a la
diferencia de potencial V entre sus puntos extremos.
Ley de Ohm  I  V
La ley de Ohm permite definir la resistencia R y escribir las
siguientes formas de la ley:
𝑽
I=
𝑹
69
LEY DE OHM
I = Intensidad de corriente que circula por el conductor en Amperes “A”
R= Resistencia del conductor en ohm Ω
V= Diferencia de potencial aplicado en los extremos de los conductor en
Volt (V)
V
I ;
R
V  IR;
V
R
I
70
EJEMPLO CUANDO UNA BATERÍA DE 3 V SE CONECTA A UNA LUZ,
SE OBSERVA UNA CORRIENTE DE 6 MA. ¿CUÁL ES LA RESISTENCIA
DEL FILAMENTO DE LA LUZ?
V
3.0 V
R 
I 0.006 A
R = 500 W
La unidad SI para la resistencia
eléctrica es el ohm, W:
1V
1W
1A
71
EJEMPLO CUANDO UNA BATERÍA DE 3 V SE CONECTA A UNA LUZ,
SE OBSERVA UNA CORRIENTE DE 6 MA. ¿CUÁL ES LA RESISTENCIA
DEL FILAMENTO DE LA LUZ?
V
3.0 V
R 
I 0.006 A
R = 500 W
La unidad SI para la resistencia
eléctrica es el ohm, W:
1V
1W
1A
72
EJEMPLO CUANDO UNA BATERÍA DE 3 V SE CONECTA A UNA LUZ,
SE OBSERVA UNA CORRIENTE DE 6 MA. ¿CUÁL ES LA RESISTENCIA
DEL FILAMENTO DE LA LUZ?
V
3.0 V
R 
I 0.006 A
R = 500 W
La unidad SI para la resistencia
eléctrica es el ohm, W:
1V
1W
1A
73
ACTIVIDAD 5
74
CIRCUITOS
ELÉCTRICOS
75
CIRCUITO ELÉCTRICO
• Se define un circuito eléctrico como un conjunto de elementos
conectados entre sí por medio de conductores y que permiten
el paso de la corriente eléctrica.
76
CONEXIONES DE
RESISTENCIAS EN
SERIE, EN PARALELO
Y MIXTA
77
CIRCUITO SERIE
Los elementos están conectados uno a continuación del otro de
forma que por todos ellos pase la misma intensidad de
corriente.
78
• En el circuito de la figura sabemos que la pila es de 4'5 V, y las
lámparas tienen una resistencia de R1= 60 Ω y R2= 30 Ω. Se pide:
calcular la resistencia total o equivalente del circuito, la intensidad de
corriente que circulará por él cuando se cierre el interruptor y las
caídas de tensión en cada una de las bombillas.
79
CIRCUITO PARALELO
Los elementos están colocados de manera que sus extremos
estén conectados a puntos comunes (misma tensión).
80
• En el circuito de la figura sabemos que la pila es de 4'5V, y las
lámparas son de 60Ω y 30Ω, respectivamente. Calcular: La
intensidad en cada rama del circuito, la intensidad total que
circulará y la resistencia equivalente.
81
CIRCUITO MIXTO
• Existen a la vez elementos conectados en serie y en paralelo.
Comenzaremos por calcular la
resistencia equivalente de todo el
circuito (Req).
Inicialmente sustituimos, por un lado,
R1 y R2 por su equivalente, y por
otro, R3 y R4 por la
resistencia equivalente de ambas.
Dado que R1 y R2 están en
paralelo, su equivalente será:
82
ACTIVIDAD 6
83
ELECTRICIDAD
ING. LUIS FELIPE CASTELLANOS CASTELLANOS
CORREO ELECTRÓNICO:
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84