Electricidad Basica

                                  FENÓMENOS ELÉCTRICOS                                  
Cuando frotamos una varilla de acrílico, plástico, vidrio, celuloide, Etc. Con un paño de lana, podemos verificar que atrae pequeños trozos de papel. Decimos entonces que ese material está electrizado o cargado eléctricamente

 

En distintas experiencias buscando producir cargas eléctricas, se logró
establecer dos tipos de cargas eléctricas que en común acuerdo se llamaron:
.........Positivas (o vítreas)......... indicadas con el signo ( + ) y  generalmente con el color ROJO
.........Negativas (o resinosas).....indicadas con el signo ( - )  y  generalmente con el color AZUL

Se comprobó también que cargas (lo igual signo se repelen entre si, y que cargas de distinto signo se atraen; y que la fuerza de atracción o repulsión son proporcionales a la carga que hay en cada uno de los cuerpos. El principio o ley de la electrostática que determina la repulsión de dos elementos con igual carga originó un aparato para medir la presencia de  cargas eléctricas y comparar magnitudes: el electroscopio. 
 
El electroscopio cuenta con dos láminas de metal muy delgadas unidas en la  parte superior y libres en la parte inferior  Este conjunto está suspendido de un brazo metálico dentro de una botella ò balón para evitar que corrientes de aire puedan mover las láminas. Al aplicar al brazo metálico una carga eléctrica proveniente de un cuerpo cargado y las láminas se separan.
Cuando anulamos la carga las láminas vuelven a su posición original

Podemos construir un electroscopio casero con dos láminas de papel de chocolate al cual lo sacamos el papel encerado (o de envoltorio de cigarrillos)
las unimos en la parte superior por un soporte que haga contacto con la parte metálica de las láminas y que sirva para sujetarlas a un tapón, al que debe atravesar para poder aplicar las cargas eléctricas desde el exterior.

 
 
Cuando se aplica una carga al, electroscopio este la retiene y la suma a una nueva carga aplicada lo cual nos permite comparar la magnitud y la polaridad de cada una de las cargas
Hablamos de un alambre de metal como soporte, y consideramos que las cargas se desplazan a través de él: por lo tanto es un conductor Lo que no permiten el paso de las cargas se llaman "aisladores" Entre los cuerpos conductores tenemos los metales aleaciones soluciones ácidas de sales o hidróxidos Entre los cuerpos aisladores (o malos conductores están el ámbar vidrio, caucho, Mica, lacre, porcelana, Papel madera seca, aire seco, Etc.
La experiencia permitió comprobar que las cargas eléctricas no son, creadas de la nada , sino que por efectos del frotamiento se separan cargas Negativas y Positivas quedando unas en uno de los cuerpos, y las opuestas en el otro La suma de estas cargas se neutralizan entre si o sea, vuelven al estado neutro (sin cargas)
Para tomar las cargas alojadas en los cuerpos y someterlas a la comparación en el electroscopio se utilizan pequeñas piezas metálicas soportadas por mangos aislantes. o cualquier cuerpo metálico sostenido por un aislador Estos  Instrumentos se llaman "Planos de prueba" 

Detalle mostrando los planos de prueba usados en los laboratorios de física para experimentar con cargas eléctricas. Fig 3

 

 

Experiencias hechas con conductores esféricos cargados a los cuales se los cubre con dos hemisferios permite comprobar que el Conductor central se descarga y la carga pasa totalmente a los dos hemisferios

Esta experiencia, y medir con planos de Prueba una esfera hueca, permitió comprobar que las cargas eléctricas están en la superficie del conductor y no en el interior. 
Con un plano de prueba se toma muestra de las cargas en el exterior de la esfera hueca que ha sido cargada, y se comprueba que en el exterior hay una gran cantidad de cargas
El plano de prueba toma muestra de la carga exterior. El plano de prueba no encontró cargas en el interior de la esfera.
 

 
 
 

    Fig.4 
También mediante los planos de prueba se Pudo determinar que los cuerpos no siempre distribuyen la carga en forma pareja sino que la distribución de las cargas depende en gran manera de la forma del cuerpo y que las cargas tienden a acumularse en las puntas.
 


Fig. 5 Las cargas se cumulan en las puntas.


Este efecto permitió un fenómeno que se conoce como VIENTO ELECTRICO se produce por un desprendimiento de cargas eléctricas al aire aprove­chando esta Particularidad.

 

Fig.6 En este experimento el viento eléctrico tuerce la llama de una vela

 








Fig.7 molinete que gira por el viento eléctrico




Tanto para la experiencia de la Fig. 6 y la Fig. 7 se necesitan gran cantidad de cargas, no es posible obtenerlas mediante la simple frotación de objetos; para obtenerlas se necesitan generadores que utilizan distintos artificios para multiplicar y/o acumular cargas eléctricas. Se las conoce como MAQUINAS ELECTROSTÁTICAS y llevan generalmente el nombre de los que experimentaron con ellas y/o las perfeccionaron. Veremos una de ellas.


Fig 8
Máquina de Ramdsem : Posee un disco o cilindro de vidrio que al girar gracias a una manivela convenientemente dispuesta, frota con una almohadilla recubierta de piel de conejo. Además posee escobillas o peines metálicos unidos a una esfera. Al girar, las cargas pasan a la almohadilla a su parte metálica a tierra y el colector recoge las (+) Sí las cargas llegan a un nivel alto, se producen chispas entre la esfera conectada al colector de cargas positivas(+) y la toma de tierra a donde están las cargas negativas (-)

DENSIDAD ELECTRICA:
Se llama densidad eléctrica a la cantidad de electricidad por centímetro cuadrado (cm²) que se encuentra en la superficie del cuerpo.

INDUCCION ELECTROSTATICA:
Es uno de los efectos (distinto al de la atracción) que sufre un conductor cuando se aproxima a otro electrizado, sin llegar a tocarlo.

Se forma en el, cuerpo una carga eléctrica de igual valor a la del inductor pero de signo contrario sobre la superficie más próxima al mismo otra carga de igual valor e igual signo en la superficie opuesta.

 

INTERPRETACIÓN DE LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS           TEMA 2

Breve interpretación de la teoría atómica

Cuerpo: Todo lo que ocupa un lugar en el espacio. El cuerpo está constituido de materia
Molécula: la parte mas pequeña en que puede dividirse la materia sin perder sus propiedades características.
Átomo: Unidad de materia de la que esta constituida la molécula.

 
El equilibrio en las órbitas está dado por la atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones, por lo que sus cargas deben ser de distinto signo. Si los electrones tienen carga negativa, El núcleo tiene carga positiva. A su vez el Núcleo está formado por distintas partículas, como los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, resultantes de la unión de una carga negativa con una carga positiva con un resultante de carga neutra. 

Los protones son mas grandes y mas pesados que los electrones, por lo que los neutrones, tienen un tamaño y peso prácticamente igual al del protón; El Peso Atómico, está dado por la suma de protones y neutrones. El Número Atómico está dado por el número de protones. 

La suma de cargas positivas en el Núcleo y la suma de cargas de los Electrones es igual, lo que permite mantener un equilibrio y la órbita que recorren los electrones sin pegarse al Núcleo, esta sustentada por el la velocidad con que giran alrededor determinada por la fuerza centrífuga resultante que es igual a la atracción ejercida por el núcleo. Mientras mas lento giran, mas cercana es su órbita del núcleo, y menos susceptible a ser influida por cambios externos. 

La órbita mas lejana al Núcleo, se llama órbita periférica, y contiene electrones girando a mayor velocidad y mas susceptible a modificaciones desde el exterior. La Masa del Átomo, se considera concentrada en el Núcleo, ya que los protones que forman el Núcleo, tienen 1840 veces mas Masa que los Electrones. 

El elemento mas simple es el Hidrógeno, que está constituido por un Protón y un Electrón, y la Masa de este Átomo (Peso Atómico) = 1. 

Un Átomo puede incorporar electrones en su órbita periférica, decimos entonces que éste Átomo está Ionizado Negativamente. Si temporalmente cede un electrón de su órbita periférica, decimos que esta Ionizado Positivamente. Las características eléctricas de una materia, depende de la disposición del /de los  Átomo /Átomos  que la forman y las características de las órbitas periféricas de ese /esos Átomo / Átomos. Los Electrones que pueden ser movidos con facilidad, reciben el nombre de Iones o Electrones Libres, y la característica en los conductores es tener buena cantidad de Electrones Libres con Átomos cuyas Orbitas Periféricas están muy cercanas entre si, Asimismo la característica de los aislantes, es no poseer Electrones libres, y que las Orbitas periféricas de los Átomos que lo componen, estén distantes entre sí. La propiedad de ser conductor de la electricidad se llama "Conductibilidad" y su opuesta, la propiedad de oponerse al paso de la electricidad se llama "Resistencia" .

MAS CONDUCTIBILIDAD -----------------------------------> MENOS RESISTENCIA

MAS RESISTENCIA ------------------------------------>MENOS CONDUCTIBILIDAD

Aun los mejores aislantes, tienen algo de conductibilidad y aun los mejores conductores ofrecen algo de resistencia. Los aislantes además, pueden ser perforados por un "salto de chispa". A la magnitud que se produce esa ruptura, se la conoce como "Rigidez dieléctrica". 

Podemos decir que si tenemos un cuerpo cargado negativamente, posee en su estructura electrones que determinan que ya no este en estado neutro y asuma una propiedad por ese exceso de electrones. También se puede aplicar a un cuerpo cargado positivamente, decir que en su estructura hay una carencia de electrones que le dan esa propiedad al sacarlo de su estado neutro.  Si comunicamos dos cuerpos en los que haya diferencia entre si, en la cantidad de electrones en sus estructuras, habrá una tendencia a igualar la cantidad de electrones en las estructuras. En este igualamiento, el cuerpo que tiene electrones sobrantes, le pasará electrones al que le falta hasta igualar las cargas de los cuerpos. Este pasar de electrones se llama "flujo eléctrico" o "corriente eléctrica". Si utilizamos un elemento conductor para que se realice el traslado de electrones de un cuerpo cargado a otro, los electrones del cuerpo sobrante, mediante los electrones libres del conductor, pasarán de un extremo al otro y depositarán allí los electrones sobrantes, produciéndose además como resultado de este traslado, fenómenos térmicos, magnéticos, químicos, Etc. que pueden ser utilizados individualmente o combinados en distintas aplicaciones. Al estudio de las corrientes eléctricas, se lo llama ELECTRODINÁMICA.

Vemos este traslado de los electrones en un grafico que simula un cuerpo cargado negativamente unido por un trozo de conductor a otro cargado positivamente.

En los átomos del conductor, al ser incorporados electrones desde el cuerpo cargado negativamente (-) y atraídos hacia el otro cuerpo con menor carga (+) se añaden electrones a las órbitas periféricas de los átomos, donde son rechazados al acercarse el electrón dueño de esa órbita, ya que iguales cargas se rechazan entre sí. El electrón salta entonces a otra órbita periférica de otro átomo lindante con el primero y así sucesivamente hasta recorrer el conductor desde un extremo al otro, donde puede saltar y quedar en forma estable en el cuerpo que en su estructura necesita incorporar electrones.

El movimiento de los electrones, vemos que implica un trabajo para saltar de orbita en orbita de los electrones que componen el conductor, si el trabajo es mayor, decimos que el cuerpo ofrece resistencia al paso de los electrones, si el trabajo es mínimo, decimos que es un buen conductor.

El trabajo dentro de un conductor, produce el calentamiento del mismo, de ahí que se llame resistencias a los conductores preparados para aprovechar este fenómeno. Para usar y estudiar la corriente eléctrica ya no es suficiente trabajar con cuerpos cargados, ya que estos se descargan rápidamente no permitiendo aprovechar y/o observar lo producido por la corriente eléctrica, para lo cual se construyeron máquinas que produjeran continuamente una diferencia de cargas, lo que se conoce como "generadores de corriente continua"

ELECTRICIDAD TEMA III y RESISTENCIAS

Por sus características, se puede decir que la corriente eléctrica es un "FLUIDO" y es útil para su estudio compararla con otros fluidos, por ejemplo al agua.
La circulación eléctrica en un conductor; es semejante al agua desplazándose en un caño. Estas comparaciones, tienen como objeto memorizar con que prioridad de la corriente eléctrica, tienen relación cada una de las magnitudes o medidas usadas en electricidad. 

 

El molino de viento, transforma la energía del viento (energía eólica) en un movimiento que acciona una bomba de agua, la que extrae el agua y la traslada mediante un caño de depósito de agua, de donde es utilizada.
El molinete, transforma la energía del viento en un movimiento que acciona un generador de corriente (dinamo o alternador) y la traslada mediante un cable a las bornes de la batería donde se depositan las cargas eléctricas para ser utilizadas.
En el traslado del agua, se utiliza un caño como conductor, la cantidad de líquido trasladado (caudal) depende del diámetro interno del caño y de la presión o velocidad de desplazamiento del líquido. En forma semejante analizamos la circulación de los electrones en el cable conductor, una "INTENSIDAD", relacionada con el diámetro del conductor, y una "FUERZA o VELOCIDAD" de desplazamiento de  los electrones;  la intensidad ( I ) se mide en "AMPERES ó AMPERIOS" ( A ). La Fuerza o Velocidad, se mide en simplemente VOLTIOS y es llamada también FUERZA ELECTROMOTRIZ ( E ) o DIFERENCIA DE TENSIÓN ó simplemente TENSIÓN ( U ), siendo éstas letras usadas para abreviar el término al cuál nos referimos.
Es importante recordar que de la ( I ) en ( A ), depende al grueso del conductor, y de la ( E ) ó ( U ) en  (V), depende la aislación necesaria para dicho conductor, en semejanza a la relación entre el diámetro interno del caño de agua según el grosor del chorro de agua; y el grueso de la pared del caño según la presión del agua respectivamente. En los conductores eléctricos, el grueso del conductor se mide en milímetros lineales de diámetro, para los alambres, sean de cobre desnudo, cubiertos con un baño de estaño (estañados) o con una capa de aislante, en forma de vaina plástica de goma o una pintura aislante (barniz ó esmalte). Para medir el diámetro de los alambres se utiliza un instrumento de precisión llamado llamada "MICRÓMETRO", que consta de un tornillo con una escala graduada.  En el caso de alambre cubiertos con pintura aislante, es necesario quitar ésta antes de efectuar la medición, lo que se hace quemando el alambre y retirando luego el esmalte carbonizado.

Teniendo en cuanta la propiedad de las cargas eléctricas, de circular en las superficies de los conductores, y de la necesidad de que los conductores sean más flexibles que un alambre rígido, se construyen los conductores de varios alambres. Los más comunes son de 7 hilos y se miden por su "SECCIÓN" en mm². La sección total es la suma de las secciones parecidas, y se miden en mm². En la siguiente tabla, se compara aproximadamente el diámetro lineal, la sección en mm². y el amperaje reglamentario en conductores de cobre.  

 

La intensidad no sólo es necesario conocerla para la elección del

conductor, sino para la elección de las llaves, los tomacorrientes,
los disyuntores térmicos o tableros con fusibles, etc.
Estas características vienen impresas por reglamentación en las distintas partes, indicando el máximo amperaje de trabajo.

Para los conductores, la reglamentación exige que esté impreso en su cobertura plástica las características del mismo, o que si se comercializa por rollo, vengan provisto en una etiqueta donde consten las características del conductor.

Tanto para los conductores como para las llaves, tomas, Etc. el usar por debajo de normas, supone un riesgo de sobrecalentamiento y destrucción del material, sin tener en cuenta que lo que se pierde de energía en una instalación defectuosa es energía no aprovechada en los artefactos, y que en una larga trayectoria de conductores, la pérdida puede ser tan importante que dificulta el funcionamiento de éstos mismos artefactos. El uso en sobre-dimensionado, es un gasto superfluo, y además quita lugar de ventilación para el caso de conductores en caños dentro de las paredes, con la consiguiente acumulación de humedad que disminuye la vida útil del conductor.

 

                 

                           RESISTENCIAS                        

Para aprovechar la energía térmica en un conductor, o para tener en un  determinado lugar una disminución de diferencia de potencial, se usan elementos de no muy buenas características conductoras y que pueden tolerar los fenómenos térmicos sin deteriorarse. A éstos elementos se los llaman: RESISTENCIAS.
Las resistencias preparadas para el uso en calentadores, se hacen de un material que no oxida ni se degrada rápidamente por el incremento de la temperatura al aire libre, en tanto que para el uso en iluminación, se busca el que pueda soportar temperaturas extremas sin ablandarse ni derretirse. En los primeros casos se hacen con aleaciones con cromo y níquel; y en el último caso se usa el tungsteno.
Para el uso en electricidad y electrónica, se cuenta también con el encapsulado en plástico ó en cerámica, para resistencias que se usan para producir una caída de potencial o una limitación en la corriente que circula por un circuito.
Las resistencias se miden en: OHMS. Y ésta medida se abrevia con la letra griega  Omega: 
La unidad de resistencia, es = 1 ohms. y corresponde al elemento en el cual cae una diferencia de potencial de 1 Voltio con una intensidad de 1 Amperio.
De ésta igualdad, tenemos ahora otra fórmula: R = V % A x R: (resistencia en Ohms) donde:  V= (Diferencia de potencial en Voltios) y  A= (Intensidad en Amperes)
Esta nueva fórmula, nos permite hacer cálculos con estas variantes, y combinada con la fórmula de potencia: W = V x A podemos manejar todos los datos necesarios para determinar como calcular la potencia disipada en calor en una resistencia y así elegir el material conveniente según su uso, para un buen rendimiento.
En electricidad y electrónica, se provee de un gran número de resistencias para uso de diversos artefactos; en el uso en electrónica, se provee de resistencias encapsulado e identificadas por un código de colores. Los tamaños de las mismas, regulan los límites de disipación térmica, siendo las más usuales las de 1/2 Watts. de disipación, y en mini-componentes las de 1/4 ó 1/8 Watts.
Para comprobar el estado satisfactorio de la resistencia, hay que recurrir a un instrumento de medición: el Ohmmetro, el cual nos indicará en una escala graduada, el valor escrito o calculo aproximadamente, nos dará el estado de la resistencia, se ésta debe reinstalarse o ser remplazada. Se considera como normal hasta un 20% por arriba ó un 20% por abajo entre el valor leído y el real.
En circuitos de precisión, hay que respetar las tolerancias determinadas en el circuito ó en los colores del elemento de medir.

Hay forma de conectar dos o mas resistencias, a fin de mejorar sus características o lograr un valor determinado que no tenemos, con la suma de otros que si tenemos en abundancia. Para lo cual se establecen dos tipos de conexiones.

 

            R₁                                    R₂        Resistencia Total: R₁+ R₂

Conexión Serie: (una detrás de la otra). En éste caso, el valor en Ohms. de las resistencias  se suman, dando como resultante una resistencia equivalente a la suma de los valores parciales.

---

                                       

Conexión en paralelo: En éste caso, el valor en Ohms. de la resistencia resultante, es menor que cualquiera de las dos. 
En el caso de que las resistencias sean iguales, el valor resultante es la mitad del valor de cada resistencia de forma individual; pero si no son iguales, debemos apelar la fórmula:

_{Si tenemos más de dos resistencias en paralelo; debemos sacar resultados de dos en dos. Ejemplo:}

    R₁ = 680 Ohms;     R₂= 1200 Ohms;     R₃= 1500 Ohms

En primer lugar, saco la resultante entre ^R1 y  ^R2;

            R₁ x   R₂₌                        680  x 1200 =   
            R₁ +  R_2 =                             680  + 1200 =   
del resultado que llamaremos R _1//2  la sumamos en paralelo con R₃ 

_{Este será el resultado de las tres resistencias en paralelo;}

Dijimos que las resistencias pueden ser medidas mediante un instrumento que se llama "Ohmmetro". En la actualidad, este instrumento viene incorporado en un instrumento de múltiples usos, el que recibe el nombre en castellano de MULTÍMETRO" y en inglés "TESTER". Para acceder el multímetro en su función se Ohmmetro, debemos buscar con la llave selectora las indicaciones con la letra "" Omega. o con la palabra Ohms. Los multímetros suelen tener varias escalas, pero solo una que corresponde para la medición de resistencias, por lo general la que está en la parte superior de las escalas graduadas. En la mayoría es reconocible también porque está invertida con respecto a las demás escalas graduadas, ya que los valores altos están a la izquierda y los valores bajos a la derecha.
Además, en la mayoría de los casos, la llave selectora tiene en la posición de resistencias varias opciones, indicadas con: x10, x1K en los más económicos y otras más en los instrumentos de mayor precisión. Estas opciones, tienen como finalidad aprovechar la escala graduada en una zona de mayor definición, es decir donde pequeñas diferencias de valor leído son posibles de percibir. Esto se da en la mayoría de los instrumentos, en la porción media  a la derecha de la escala graduada, donde los valores están mejor acotados y más distanciados para pequeñas diferencias, en cambio en la porción media izquierda de la escala, los valores y las cotas se amontonan y superponen siendo muy difícil registrar pequeñas variaciones de lectura y por lo tanto se obtiene una lectura de poca precisión. Cabe mencionar, que en la práctica para la mayoría de los usos, no es necesario tener una lectura precisa, sino que es suficiente una lectura aproximada que permita determinar si el elemento esta dañado seriamente, lo que se detectaría con una desvalorización (aumento de la resistencia del elemento que supere el doble del valor correspondiente o más) ó una carbonización o sublimación (disminución violenta de la resistencia, producido por un salto de chispa y la combustión del elemento o en el caso de la sublimación, por un depósito de sustancias conductoras como óxido o partículas orgánicas. Puede ocurrir por el derrame de algún electrolito (líquido conductor).
La indicación en la  llave selectora x10, indicaría que el valor leído en la escala graduada, hay que multiplicarlo por diez, lo que equivale al agregarle un cero a la derecha del valor leído. Por Ej. leemos 3 y dos rayitas; sería 3,2
Al multiplicarlo sería: 3,2 x 10 = 32 éste es el valor leído en el instrumento, y como es valor de resistencias, se miden en: Ohms.
Si la llave selectora está en x1k es decir por un mil, lo que es equivalente a agregar tres ceros a la derecha del valor leído o correr la coma (si hubiera) tres lugares a la derecha. En nuestro ejemplo: 3,2 x 1K = 3200 

MAGNETISMO
Se le llama MAGNETISMO a la propiedad que tienen algunas substancias de atraer cuerpos que tengan en su composición hierro. Esta propiedad fué la que le dió a una piedra con éstos atributos, el nombre MAGNETITA; siendo esta la forma natural en que se presenta.
Las propiedades de éste fenómeno, son semejantes a la de las cargas eléctricas, teniendo como definición en lugar de concentración de la fuerza magnética, el nombre de polos. En coincidencia con el magnetismo terrestre, se han definido un polo norte y un polo sur. También ocurre que dos polos iguales se repelen y dos polos distintos se atraen, con una fuerza que depende de la distancia de separación entre las dos piezas polares y la densidad de las cargas magnéticas.

Esta propiedad permite el uso de agujas imantadas, suspendidas de un mecanismo que les permite girar libremente, para la fabricación de un instrumento que permita conocer donde está el polo sur y el polo norte geográfico. Este instrumento ha recibido el nombre de BRÚJULA, del nombre Bussola que se refiere a la caja que contiene el instrumento y lo protege de la intemperie.
 
Las pequeñas piezas confeccionadas a distintos fines con éstas características, se llaman imanes permanentes; cuando éstos imanes se generan por el paso de una corriente eléctrica que recibe el nombre de electroimanes.  

ELECTROMAGNETISMO

Para aprovechar el fenómeno que se produce al circular la electricidad por un conductor, se usa un artificio que permite sumar esa fuerza magnética; esto consiste en arrollar el conductor sobre un carretel, de modo que al pasar varias veces por el mismo lugar, la fuerza magnética concentra alrededor del carretel. Tenemos así el INDUCTOR ó BOBINA.

Ley de la mano derecha:
Se aplica para conocer la polaridad magnética conociendo el sentido de la circulación eléctrica y el sentido del del arroyado del conductor o bobina. Esta dice: Si acomodamos la mano derecha de modo que los dedos del índice al meñique imiten la dirección de la circulación de la corriente eléctrica (de - a + ); el dedo pulgar quedará indicando el polo norte del campo magnético generado.
INDUCCIÓN MAGNÉTICA: a semejanza de lo que ocurría con las cargas eléctricas, en el magnetismo se produce el fenómeno de INDUCCIÓN, por el que si acercamos un imán permanente a una pieza de hierro o ferrosa (que contenga hierro en su posición); se produce en ésta pieza metálica campo magnético de igual valor al del imán permanente, pero signo contrario.   

Hay distintos signos para los Inductores o Bobinas que permiten identificarlos según usos.