Electrostática: Cargas Eléctricas en Reposo
La electrostática estudia las cargas eléctricas en reposo y las fuerzas que actúan entre ellas. Las cargas pueden ser positivas (faltan electrones) o negativas (sobran electrones).
Propiedades Fundamentales de la Carga
- La carga es cuantizada.
- La carga se conserva: no se crea ni se destruye, solo se transfiere.
Procesos de Electrización
- Por Frotamiento: Dos cuerpos neutros se friccionan; uno pierde electrones y queda positivo, el otro gana electrones y queda negativo.
- Por Contacto: Un cuerpo cargado toca a uno neutro y le transfiere parte de su carga. Ambos quedan con carga del mismo signo.
- Por Inducción: Un cuerpo cargado se acerca a uno neutro sin tocarlo; se separan cargas dentro del neutro. Si se conecta a tierra, el objeto queda cargado con signo opuesto al inductor.
Ley de Coulomb
Describe la fuerza entre dos cargas puntuales. La fuerza puede ser atractiva (cargas de distinto signo) o repulsiva (mismo signo). Cumple la ley del cuadrado inverso.
Campo Eléctrico
Es la región del espacio donde una carga experimenta una fuerza. Se define como fuerza por unidad de carga. Es un vector.
Sentido del Campo Eléctrico
- Sale de cargas positivas.
- Entra hacia cargas negativas.
Líneas de Fuerza del Campo Eléctrico
Representan la dirección del campo.
Propiedades de las Líneas de Fuerza
- Salen de cargas positivas y entran en negativas.
- Nunca se cruzan.
- Más juntas significa mayor intensidad.
- Son tangentes al campo en cada punto.
Superposición de Campos Eléctricos
El campo total producido por varias cargas es la suma vectorial de los campos individuales.
Conductores y Aislantes
Conductores
- Los electrones pueden moverse libremente.
- El campo eléctrico en el interior es cero en equilibrio.
- La carga se distribuye en la superficie.
- El campo es perpendicular a la superficie.
Aislantes
Los electrones no se mueven libremente. La carga permanece donde se colocó.
Distribución de Cargas en un Conductor
Principios en Equilibrio
- En equilibrio, la carga está en la superficie.
- Mayor densidad de carga en puntas.
- El campo interno es cero.
- El campo es perpendicular a la superficie.
Aplicaciones Prácticas
- Pararrayos.
- Jaula de Faraday.
- Descargas en bordes puntiagudos.
Potencial Eléctrico y Energía
Potencial Eléctrico
Es la energía potencial por unidad de carga. Unidad: volt.
Diferencia de Potencial (Voltaje)
Es la diferencia de potencial entre dos puntos. Representa cuánta energía gana o pierde una carga al moverse entre dos puntos.
Potencial Creado por una Carga Puntual
Depende solo de la carga y la distancia.
Relación entre Campo Eléctrico y Potencial
El campo apunta hacia donde el potencial disminuye más rápidamente.
Superficies Equipotenciales
Son superficies o líneas donde el potencial es constante.
Características de las Equipotenciales
- Son perpendiculares a las líneas del campo eléctrico.
- No se realiza trabajo al mover una carga dentro de una equipotencial.
Energía Potencial Eléctrica
La energía debida a la interacción entre dos cargas.
Signos de la Energía Potencial
- Cargas iguales → energía positiva.
- Cargas opuestas → energía negativa.
Trabajo y Conservación de la Carga
Trabajo del Campo Eléctrico
El trabajo que realiza el campo sobre una carga depende de la variación de energía potencial. El campo hace trabajo positivo cuando la carga se mueve espontáneamente.
Comparación de Fuerzas Fundamentales
- Fuerza Eléctrica: Muy intensa, puede atraer o repeler.
- Fuerza Gravitatoria: Muy débil, siempre atractiva.
- Fuerza Magnética: Actúa solo sobre cargas en movimiento.
Principios de la Carga
- Conservación de la Carga: La carga total en un sistema aislado se conserva.
- Cuantización de la Carga: Toda carga es un múltiplo entero de la carga elemental.
Corriente Eléctrica: Cargas en Movimiento
Definición de Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de cargas eléctricas a través de un conductor. Así como el agua en movimiento forma una corriente de agua, las cargas eléctricas en movimiento forman una corriente eléctrica.
Analogías entre Sistemas Hidráulicos y Eléctricos
Estas analogías ayudan a entender cómo funciona la electricidad comparándola con el agua:
- Diferencia de altura ↔ Diferencia de potencial (Voltaje).
- Canilla o llave ↔ Interruptor.
- Manguera ↔ Conductor (cable).
- Estrechamiento ↔ Resistencia.
- Caudal de agua ↔ Corriente eléctrica.
Simbología y Componentes en Circuitos Eléctricos
En los circuitos eléctricos se utilizan símbolos para representar los distintos componentes.
Generador (Pila o Batería)
Es el elemento que entrega energía eléctrica al circuito. Su función es mantener una diferencia de potencial entre sus bornes para que la corriente eléctrica pueda circular.
Lámpara
Es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en luz y calor. Se utiliza como receptor en los circuitos eléctricos.
Motor
Es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, produciendo movimiento. Se utiliza en aparatos como ventiladores, bombas o máquinas.
Interruptor
Es un dispositivo que permite abrir o cerrar un circuito eléctrico. Cuando el interruptor está abierto, la corriente no circula; cuando está cerrado, la corriente circula.
Resistencia
Es un componente que se opone al paso de la corriente eléctrica. Su función es limitar o regular la intensidad de corriente en el circuito.
Resistencia Variable o Reóstato
Es una resistencia cuyo valor puede modificarse. Al variar su valor, cambia la intensidad de corriente que circula por el circuito.
Voltímetro
Es un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito. Siempre se conecta en paralelo con el elemento que se quiere medir.
Amperímetro
Es un instrumento que mide la intensidad de corriente eléctrica que circula por un circuito. Siempre se conecta en serie con los demás elementos del circuito.
Conductor (Cable)
Es el elemento que permite el desplazamiento de las cargas eléctricas. Conecta los distintos componentes del circuito.
Sentido de la Corriente Eléctrica
Benjamin Franklin estableció que la corriente circula del polo positivo al negativo, lo que se conoce como sentido convencional. Más tarde se descubrió que, en los metales, las cargas que se mueven son los electrones, que circulan en sentido contrario, es decir, del negativo al positivo. Por razones históricas y prácticas, se sigue utilizando el sentido convencional.