8. Electricidad. Electrostática:

Transcripción

1 4 8 Electcdad Electostátca: A veces, especalmente en tempo seco, al penase con una peneta plástca se ven pequeñas chspas acompañadas de chasqudos; además, el pelo es ataído po la peneta Lo msmo llega a sucede con las pendas de vest: al fotalas tambén despden luz y chasqudos En un día tomentoso saltan ayos ente las nubes y el suelo acompañados del fuete udo y el tueno Todos estos fenómenos desctos son fenómenos eléctcos Ya Thales de Mleto, un gego que vvó 600 años antes de nuesta ea, descbe que el ámba (una esna fósl que los fencos taían de las costas del ma Báltco) fotado es capaz de atae cuepos lgeos Como ámba en gego se dce electón, a esta popedad del ámba se le llama electcdad Hasta el año 600, Gullemo Glbet (544603) médco nglés, obsevó que otos mateales tales como el vdo, azufe, pedas pecosas, etc ean tambén eléctcos, peo que los metales no lo ean Benjamín Fankln (706790), que tuvo ente otos métos el de se el pme físco noteamecano, luego se una see de expementos, llamo postva a la clase de electcdad que apaece en el vdo y negatva a aquella que ocue en el plástco; donde estos nombes han pemanecdo a tavés del tempo Podemos supone que la matea posee dos clases de masa: la habtual que conocemos, como el contendo de matea en klogamos, po ejemplo, y la masa eléctca, esponsable de la electcdad denomnada caga eléctca De los expementos de Fankln se dedujo que además de exst dos clases de electcdad, las cagas guales se ataen y opuestas se epelen La ntepetacón actual de los cuepos mateales es que, en su estado nomal o neuto, contene gual cantdad de electcdad postva y negatva S se fotan dos cuepos, po ejemplo, vdo y seda, se tansfee una pequeña pate de un cuepo haca el oto, alteando su neutaldad eléctca En este caso, el vdo adquda una caga postva o défct de caga negatva, en tanto la seda se cagaá negatvamente o défct de caga postva Peo s una vez efectuada la electzacón se envuelve el vdo con la seda, no se apeca fueza alguna sobe el cuepo anteo Ello ndca que a pesa de esta electzadas sus pates, el conjunto vdoseda se compota como s no lo estuvea, mantenendo una neutaldad eléctca Este fenómeno fue ntepetado po Fankln ntoducendo el pncpo de consevacón de la caga, según el cual cuando un cuepo es electzado po oto, la cantdad de electcdad que ecbe uno de los cuepos es gual a la que cede el oto, peo en conjunto no hay poduccón neta de caga En témnos de cagas postvas y negatvas ello sgnfca que la apacón de una caga negatva en el vdo va acompañada de ota postva de gual magntud en la seda o vcevesa, de modo que la suma de ambas es ceo Po oto lado, s una baa metálca, que se sostene en la mano se fota con pel, no paece adqu caga alguna Sn embago s se le toma con una manlla de madea y el metal no se toca con las manos mentas se fota es posble cagala Esto se explca dcendo que los metales, el cuepo humano, y la tea son conductoes de la electcdad y que el vdo, los plástcos, la madea, etc son aslantes o deléctcos De acuedo a este análss, los cuepos están fomados po potones (caga postva), electones (caga negatva) y neutones que son patículas sn caga eléctca Dos potones se echazan ente sí, dos electones se echazan ente sí, un potón y un electón se ataen ente sí y los neutones no ejecen fueza eléctca alguna La caga eléctca, al gual que la masa, consttuye una popedad fundamental de la matea Se manfesta a tavés de fuezas, denomnadas estas electostátcas, que son las esponsables de los fenómenos eléctcos Su nfluenca en el espaco puede descbse con el auxlo de la nocón físca de campo eléctco El concepto de potencal eléctco hace posble una descpcón altenatva de dcha nfluenca en témnos de enegías La electostátca foma pate de una ama de la físca la cual estuda el compotamento de la caga eléctca en la matea, es dec, de la medda de la caga eléctca o cantdad de electcdad pesente en los cuepos y, en geneal, de los fenómenos asocados a las cagas eléctcas en eposo

2 4 El desaollo de la teoía atómca pemtó aclaa el ogen y la natualeza de los fenómenos eléctcos; la nocón de fludo eléctco, ntoducda po Benjamín Fankln paa explca la electcdad, fue pecsada a pncpos de sglo al descubse que la matea está compuesta íntmamente de átomos y éstos a su vez po patículas que tenen popedades eléctcas Como sucede con otas áeas de la físca, el nteés de la electostátca esde no sólo en que descbe las caacteístcas de una de las fuezas fundamentales de la natualeza, sno tambén en que faclta la compensón de sus aplcacones tecnológcas Desde el paaayos hasta la televsón una ampla vaedad de dspostvos centífcos y tecnológcos están elaconados con los fenómenos electostátcos Electzacón: Exsten tes fomas de pode electza un cuepo Estas son po fotamento, po contacto, y po nfluenca o nducda La electzacón po fotamento se explca del sguente modo Po efecto de la fccón, los electones extenos de los átomos del paño de lana son lbeados y ceddos a la baa de ámba, con lo cual ésta queda cagada negatvamente y el paño de lana postvamente En témnos análogos puede explcase la electzacón del vdo po la seda En cualquea de estos fenómenos se peden o se ganan electones, peo el númeo de electones ceddos po uno de los cuepos en contacto es gual al númeo de electones aceptado po el oto, de ahí que en conjunto no hay poduccón n destuccón de caga eléctca Esta es la explcacón, desde la teoía atómca, del pncpo de consevacón de la caga eléctca fomulado po Fankln con anteodad a dcha teoía sobe la base de obsevacones sencllas La electzacón po contacto es consdeada como la consecuenca de un flujo de cagas negatvas de un cuepo a oto S el cuepo cagado es postvo es poque sus coespondentes átomos poseen un defecto de electones, que se veá en pate compensado po la apotacón del cuepo neuto cuando ambos entan en contacto, El esultado fnal es que el cuepo cagado se hace menos postvo y el neuto adquee caga eléctca postva Aun cuando en ealdad se hayan tansfedo electones del cuepo neuto al cagado postvamente, todo sucede como s el segundo hubese ceddo pate de su caga postva al pmeo En el caso de que el cuepo cagado ncalmente sea negatvo, la tansfeenca de caga negatva de uno a oto coesponde, en este caso, a una cesón de electones La electzacón po nfluenca es un efecto de las fuezas eléctcas Debdo a que éstas se ejecen a dstanca, un cuepo cagado postvamente en las poxmdades de oto neuto ataeá haca sí a las cagas negatvas, con lo que la egón póxma queda cagada negatvamente S el cuepo cagado es negatvo entonces el efecto de epulsón sobe los electones atómcos convetá esa zona en postva En ambos casos, la sepaacón de cagas nducda o fomacón de polos eléctcos po las fuezas eléctcas es tanstoa y desapaece cuando el agente esponsable se aleja sufcentemente del cuepo neuto La fomacón de estas dos egones o polos de caacteístcas eléctcas opuestas hace que a la electzacón po nfluenca se la denomne tambén polazacón eléctca Esto explca el poque una baa, po ejemplo de plástco, electzada, en las cecanías de toctos de papel, estos son ataídos haca la baa

3 43 La baa electzada cea un campo eléctco en toda la egón ccundante que la odea Este campo poduce la polazacón de los toctos de papel S el campo eléctco desapaece (descagando la baa), la polazacón tambén desapaece Cuando a un cuepo se le dota de popedades eléctcas sacándole o entegándole electones, se dce que ha sdo electzado La electzacón po fotamento pemtó, a tavés de unas cuantas expeencas fundamentales y de una ntepetacón de las msmas cada vez más completa, senta las bases de lo que se entende po electostátca La teoía atómca modena explca el po qué de los fenómenos de electzacón y hace de la caga eléctca una popedad fundamental de la matea en todas sus fomas Un átomo de cualque sustanca está consttudo, en esenca, po una egón cental o núcleo y una envoltua extena fomada po electones El núcleo está fomado po dos tpos de patículas, los potones, dotados de caga eléctca postva, y los neutones, sn caga eléctca aunque con una masa semejante a la del potón Tanto unos como otos se hallan undos ente sí po efecto de unas fuezas mucho más ntensas que las de la epulsón electostátca, las fuezas nucleaes, fomando un todo compacto Su caga total es postva debdo a la pesenca de los potones Los electones son patículas mucho más lgeas que los potones y tenen caga eléctca negatva La caga de un electón es gual en magntud, aunque de sgno contao, a la de un potón Las fuezas eléctcas atactvas que expementan los electones especto del núcleo hace que éstos se muevan en tono a él en una stuacón que podía se compaada, en una pmea apoxmacón, a la de los planetas gando en tono al Sol po efecto, en este caso de la ataccón gavtatoa El númeo de electones en un átomo es gual al de potones de su núcleo coespondente, de ahí que en conjunto y a pesa de esta fomado po patículas con caga, el átomo completo esulte eléctcamente neuto Aunque los electones se encuentan lgados al núcleo po fuezas de natualeza eléctca, en algunos tpos de átomos les esulta sencllo lbease de ellas (onzacón) Cuando un electón loga escapa de dcha nfluenca, el átomo coespondente pede la neutaldad eléctca y se convete en un on postvo, al posee un númeo de potones supeo al de electones Lo contao sucede cuando un electón adconal es ncopoado a un átomo neuto Entonces el on fomado es negatvo La caga del electón (o del potón) consttuye el valo mínmo e ndvsble de cantdad de electcdad Es, po tanto, la caga elemental y po ello consttuye una undad natual de cantdad de electcdad Cualque ota caga equvaldá a un númeo enteo de veces la caga del electón El

4 44 coulomb es la undad de caga eléctca en el Sstema Intenaconal y equvale a caga del electón (e), es dec: 8 6,7 0 veces la [C] = 8 6,7 0 e Po consguente, a un conducto que tuvea la caga postva de un coulomb, le faltaían 6,7 tllones de electones Un conducto que tuvea la caga negatva de un coulomb tendía un exceso de 6,7 tllones de electones Paa la electostátca, el coulomb es una undad de caga extemadamente gande! LA LEY DE COULOMB El físco Fancés Chales A Coulomb (736806) en 785, po medo de una balanza de tosón nventada po él, logó establece que ente dos cuepos cagados eléctcamente se ejecía una fueza que seguía una ley paecda a la de Newton efeente a la ley de gavtacón unvesal, aunque con dos mpotantes dfeencas: La fueza eléctca (o de Coulomb) puede se epulsva La fueza eléctca ente dos cuepos dsmnuye s se ntepone un tece cuepo (lo que no sucede a la fueza de Newton) El enuncado de la Ley de Coulomb es el sguente: La fueza que ejecen ente sí dos cuepos cagados eléctcamente, es dectamente popoconal al poducto de sus masas eléctcas o cagas, e nvesamente popoconal al cuadado de la dstanca que los sepaa Tal fueza se aplca en los espectvos centos de las cagas y están dgdas a lo lago de la línea que las une S q y de Coulomb puede se escta en la foma: q epesentan las cagas de cada uno de los cuepos y la dstanca que los sepaa, la ley F q q = K e (8) K e es la constante de popoconaldad, llamada constante electostátca cuyo valo en el SI y en el N m C vacío es apoxmadamente [ ] q F F q La ecuacón (8) es válda, como se djo, en el vacío y cuando la dstanca es gande compaada con el tamaño de las cagas, es dec, paa patículas puntuales S ente las cagas exste oto medo o sustanca, la fueza electostátca se vuelve meno El cuocente ente la fueza en el vacío

5 45 y la fueza en oto medo se llama pemtvdad eléctca elatva al vacío ( ε ) o coefcente deléctco de dcha sustanca, es dec, donde F es la fueza ente las dos cagas colocadas en el vacío y el medo = F F' ε, (8) F ' la fueza ente las cagas en Medo aco Ae Acete Mca do Agua Ttanato( bao) ε,0000,0005, , Pemtvdades eléctcas elatvas de algunos medos EL CAMPO ELECTICO: Las cagas eléctcas no necestan de un medo mateal paa ejece su nfluenca sobe otas, de ahí que las fuezas eléctcas sean denomnadas fuezas de accón a dstanca Cuando en la natualeza se da una stuacón de este estlo, se ecue a la dea de campo paa faclta la descpcón en témnos físcos de la nfluenca que uno o más cuepos ejecen sobe el espaco que les odea En el caso gavtaconal la nfluenca gavtatoa de la tea sobe el espaco se hace vsble cuando a modo de pueba se coloca un cuepo y se mde su peso w El campo gavtatoo o aceleacón de gavedad es g = w m, es dec, la fueza gavtaconal po undad de masa Análogamente paa el caso eléctco es posble descb las nfluencas de cagas eléctcas sobe otas defnendo el campo eléctco como la fueza eléctca po undad de caga (postva) De un modo equvalente es posble tambén, po ejemplo, ntoduc la nocón de campo magnétco Cuando dos cagas están póxmas y, po ejemplo, se echazan, puede magnase que cada fueza apaece nstantáneamente en cuanto apaezca la caga que la ogna, sn que nada la tansmta, o ben puede suponese que la fuea es tansmtda con ceta velocdad po el espaco que odea a las cagas: este punto de vsta se ha encontado más acode con los expementos que el anteo La zona del espaco que odea a una caga es, pues, dfeente del espaco nomal: a esta zona se le llama campo eléctco E Las fuezas ente los cuepos cagados se consdea que son debdas a la nteaccón mutua de sus campos eléctcos La velocdad con 8 que se tansmte esta nteaccón es la de la luz ( [ km s] = 3 0 [ m s] ) En geneal paa cuantfca la egón del espaco donde está pesente un campo eléctco se utlza una caga de

6 46 pueba ecbe este nombe una caga muy pequeña (paa que su popo campo sea muy pequeño) y postva (po convencón) De este modo: En una egón del espaco exstá un campo eléctco E s la caga de pueba (y tambén cualque ota caga) sente una fueza de ogen eléctco Se llama ntensdad de campo eléctco E en un punto, al cuocente de dvd la fueza F que ecbe la caga de pueba q, cuando la caga se pone en el punto consdeado, es dec: F E = (83) q De acuedo con esta ecuacón, tambén puede decse que la ntensdad del campo eléctco es gual a la fueza que ecbe la undad de caga En el sstema ntenaconal, la undad de campo eléctco es el[ N C] En (83) se hace nota el caácte vectoal del campo eléctco La ntensdad del campo eléctco es un vecto cuya deccón y sentdo son los de la fueza El campo puede epesentase po las llamadas líneas de fuezas; estas líneas deben tazase de acuedo a las convencones sguentes: La tangente a una línea de fueza en cualque punto es la deccón de E en ese punto Estas salen de una caga postva y entan a las negatvas Las líneas de fueza se dbujan de tal foma que el numeo de líneas po undad de áea tansvesal (pependcula a las líneas) es popoconal a la magntud de E Cuándo las líneas son póxmas unas a las otas, E y la fueza F sobe una caga colocada en dcho punto es gande y cuándo estas líneas están sepaadas tanto E como F son pequeñas Las fguas epesentan en el plano del papel a dvesos campos eléctcos de cagas puntuales En todas las fguas se han epesentado en dos puntos cualesquea a los vectoes que epesentan la ntensdad del campo, paa hace nota que, que son sempe tangentes a la línea de fueza que pasa po ellos Note que el vecto A es mayo, poque se encuenta en una zona donde las líneas de fueza están más juntas que la zona donde está el vecto B Campo eléctco de una caga postva Campo eléctco de una caga negatva Campo de dos caga de magntud Las líneas salen adalmente de la caga Las líneas entan adalmente a la caga guales peo de sgno opuesto Po oto lado, combnando la ley de coulomb (8) con la defncón de campo eléctco (83), s Q es la caga geneadoa del campo y q po lo tanto la caga de pueba postva que sente la fueza F, el campo eléctco ceado po la caga Q a la dstanca de esta seá:

7 47 F Q q Q E = = K e = K e (84) q q E Q Dfeenca de potencal: S se mueve una caga de pueba ente dos puntos de un campo eléctco, en sentdo contao a las líneas de fueza, habá que ealza un tabajo paa vence la fueza que ecbe la caga de pueba En la fgua se ha supuesto que el camno segudo se encuenta sobe una línea de fueza Al taslada la caga del punto al punto, se ealza un tabajo que se almacena en la caga en foma de enegía potencal Se llama dfeenca de potencal (o de tensón) ente el punto y el, al tabajo ealzado po un agente exteno po undad de caga paa taslada a esta desde el punto al, es dec = = W q, (85) donde W es el tabajo ealzado po el agente exteno paa lleva la caga q del punto al punto En el sstema ntenaconal, la undad de dfeenca de potencal es el[ volt ], en hono del físco talano Alejando olta (74587) De este modo, ente dos puntos habá una volt volt, paa lleva una dfeenca de potencal de [ ] cuando hay que ealza un tabajo de [ ] caga de coulomb desde un punto a oto Dfeenca de potencal epesenta el tabajo po undad de caga que hay que ealza paa taslada una caga de a Potencal eléctco en un punto: S al punto se le supone un potencal ceo (po ejemplo, en el nfnto o en un punto muy alejado de donde se encuenta la caga geneadoa del campo eléctco), el potencal del punto, o en geneal de un punto cualquea, se defne como:

8 48 El potencal en un punto es el tabajo ealzado po un agente exteno po undad de caga paa taslada esta desde el nfnto hasta el punto consdeado, es dec p W p = (86) q La vsualzacón de cómo vaía el potencal de un punto a oto en un campo electostátco se efectúa ecuendo a la nocón de supefce equpotencal como luga geométco de los puntos del campo que se encuentan a gual potencal Su epesentacón gáfca da luga a una see de supefces que, a modo de envoltuas sucesvas, odean al cuepo cagado cuyo campo se está consdeando Cada una de ellas une todos los puntos de gual potencal El campo eléctco queda sempe pependcula a las supefces equpotencales apuntando haca las supefces de meno potencal eléctco E Equpotencales 3 E 3 E E Supefces equpotencales y campo eléctco paa una caga postva De acuedo con la defncón de tabajo W = F y ecodando que en este caso la fueza F es la electostátca (no constante), el potencal eléctco ceado po una caga puntual Q a una dstanca de esta es dado po: K Q = p e (87) Capactanca: Cuando a dos vasos dfeentes se les agega agua, almacena más el que tene mayo capacdad Análogamente cuando dos conductoes dfeentes ecben una caga eléctca, la caga almacenada seá mayo en el de mayo capacdad eléctca o capactanca, es dec, La capactanca de un conducto es la medda de su capacdad eléctca

9 49 S se tenen dos vasos clíndcos guales el nvel que alcance el agua seá dectamente popoconal al volumen agegado En foma smla: El potencal que adquee un conducto, es dectamente popoconal a la caga que ecbe S se tenen dos vasos clíndcos de dstnta capacdad el nvel al que sube el msmo volumen de agua agegado, seá nvesamente popoconal a la capacdad del vaso En la msma foma: El potencal que adquee un conducto es nvesamente popoconal a su capactanca De este modo eunendo los dos enuncados anteoes: El potencal que adquee un conducto es dectamente popoconal a la caga que ecbe, e nvesamente popoconal a su capactanca La ecuacón coespondente se escbe: = q C, q C =, (88) sendo C su capactanca, la cual depende de las popedades geométcas que pesente el C que se abeva como faad conducto La undad de capactanca es el coulomb sobe volt [ ] [ F ], en hono al físco nglés Mguel Faaday (79867) De este modo, un conducto tene un faad de capactanca, s al ecb la caga de un coulomb, su dfeenca de potencal o tensón aumenta en un volt Coente eléctca: Un conducto metálco está fomado po ones postvos (átomos despovstos de un electón) Los electones peddos po los átomos se mueven desodenadamente saltando de átomo en átomo, unéndose ocasonalmente y bevemente con algunos de ellos Estos electones se denomnan 7 lbes, los cuales se mueven con velocdades del oden de 0 [ m s] La caga neta del conducto es nula, pues exste el msmo numeo de cagas postvas que de negatvas

10 50 S un conducto se encuenta en un campo eléctco, tanto los ones postvos como los electones quedan sometdos a fuezas que tende a movelos; como sólo los electones lbes pueden hacelo, sólo se moveán en sentdo contao al campo Al aplca el campo, los electones ncan su movmento sn que haya acumulacón de electones en el conducto, de tal manea que en cualque pocón de este el númeo de ones postvos y de electones lbe es el msmo, po lo que: Un conducto que lleva una coente eléctca no está cagado eléctcamente S el campo aplcado es constante, los electones en cualque nstante se moveán en el msmo sentdo dento del conducto y la coente se llama contnua (CC) S el campo eléctco aplcado camba altenatvamente de sentdo dento del conducto la coente se llama altena (CA) En un conducto metálco, un alambe po ejemplo, los electones se mueven y las cagas postvas, undas a los átomos, pemanecen ancladas en su luga En los fludos, la coente puede esta fomada po ones postvos y negatvos movéndose en sentdo opuesto Se ha convendo que el sentdo de la coente eléctca sea el de las cagas o ones postvos En un alambe, po tanto, la coente eléctca seá contaa al sentdo de la velocdad de los electones, llamada electónca Cuando pasa una coente eléctca po un conducto se poducen, pncpalmente, tes fenómenos o efectos: La tempeatua del conducto aumenta, comuncando calo a sus alededoes El conducto se odea de un campo magnétco y ejece fuezas sobe otas coentes o sobe manes La coente, al atavesa cetas sustancas o fludos, las descompone químcamente (poceso de electólss) Intensdad de coente: Se llama ntensdad de coente eléctca al cuocente ente la caga eléctca la seccón tansvesal de un conducto y el tempo t equedo, es dec: q t En el sstema ntenaconal, la coente se mde en [ ] q que atavesa = (89) C, undad que se denomna s ampee[ ] A, en hono del físco fancés Andés Maía Ampèe (786853) Po tanto, en un conducto cculaá una coente de un ampee cuando en un segundo lo atavese una caga de un coulomb a tavés de su seccón tansvesal La coente eléctca se compota como un fludo, po ejemplo agua que pasa a tavés de un tubo S po cualque seccón de este pasan, dgamos 5 [lt] de agua en [s], la msma cantdad pasaá po cualque oto (ecuede que el caudal o gasto Q se conseva) Lo msmo pasa con la coente eléctca Po tanto, la ntensdad de coente en cualque pate de un conducto es la msma olvendo a la analogía hdáulca, s el tubo que lleva 5 [lt] de agua en [s] se bfuca y po un tubo pasan [lt] de agua en [s], po el oto pasaán tes, aplcando el concepto a la coente eléctca y genealzando, se tene la pmea egla de Kchhoff, En un nodo, la suma de las ntensdades de coentes que llegan es gual a la suma de las ntensdades de las coentes que salen Un nodo es el punto donde se encuentan dos o más conductoes

11 5 ' ' ' S, epesentan las coentes que llevan a un nodo e,,,, 3 del nodo: ' ' ' 3 =, 3 3 las coentes que salen (80) ' ' nodo ' 3 Ley de ohm: Sguendo la analogía hdáulca, paa que po un tubo que une dos depóstos de agua pase una coente de agua, es pecso que haya una dfeenca de nveles ente el agua de los depóstos Cuando mayo sea la dfeenca de nveles pasaán más ltos de agua po segundo y cuando mayo sea la oposcón que pesente el tubo al paso del agua (poque sea ugoso, lago o estecho) menos agua podá pasa En cada seccón del tubo pasa el msmo númeo de ltos de agua po segundo, pues de no se así, había acumulacón de pédda de agua, lo que no puede se, ya que el agua es un fludo ncompesble Análogamente, paa que pase una coente po el alambe que une a dos conductoes, es pecso que haya una dfeenca de potencal ente ellos Cuanto mayo sea la dfeencal de potencal, pasaán más coulomb po segundo (coente ) y cuanto mayo sea la oposcón o esstenca al paso de la coente eléctca (po la natualeza, lago o dámeto del alambe), menos coente podá pasa Además como ya se djo, en cada seccón del alambe la ntensdad de coente es la msma, puesto que se compota como un fludo ncompesble De este modo: La ntensdad de la coente que pasa po un conducto es dectamente popoconal a la dfeenca de potencal aplcado ente sus extemos e nvesamente popoconal a la esstenca del conducto Esta ley, enuncada po el físco alemán Joge Smón Ohm (787854) puede se escta en la foma: = (8) De este modo, un conducto tene una esstenca eléctca de ohm ([ Ω] ), s al aplcale una dfeenca de potencal de un volt, deja pasa una coente de un ampee Enegía eléctca:

12 5 = W q y que la potenca es P = W t, la cual epesenta el tabajo en la undad de tempo o enegía eléctca en la undad de ecodando que la dfeenca de potencal ente dos puntos es tempo, esta podá se escta como q P = t Como q t es la coente eléctca, la expesón anteo puede se escta como: P = Po oto lado, usando la ley de ohm, se encuenta, P = = (8) Cuando un coulomb pasa a tavés de un conducto, consume una enegía gual a la dfeenca de potencal aplcada La pegunta es, qué le pasa a esta enegía? S no hay un moto o algún oto apovechamento de la enegía, ésta se convete en calo Como ya se vo po cada Joule que desapaece, apaecen 4,860 = 0,38[ cal] ; po lo tanto la expesón anteo ( P = ) podá anotase como: Q t =, (83) donde Q es el calo (en Joule) dspado po el conducto De esta foma, El calo que se obtene de un conducto en la undad de tempo, es dectamente popoconal al cuadado de la ntensdad de coente que ccula sobe él Esto dentfca la llamada ley de Joule Aunque el calentamento de un conducto es a veces ndeseable, tene aplcacones útles sendo la más mpotante, las pallas, adadoes, planchas, estufas eléctcas; las ampolletas, cuyo flamento eleva tanto su tempeatua que su ncandescenca es tal que sve paa el alumbado, etc El efecto caloífco, tambén llamado efecto Joule, puede se explcado a pat del mecansmo de conduccón de los electones en un metal La enegía dspada en los choques ntenos aumenta la agtacón témca del mateal, lo que da luga a un aumento de la tempeatua y a la consguente poduccón des calo La ley de Joule, po su pate, puede se enfocada como una consecuenca de la ntepetacón enegétca de la ley de Ohm Conexones de esstencas: Un sstema, ya sea conducto, semconducto o algún oto que pesente esstenca al paso de la coente se llama essto, el cual se epesenta po una línea en zgzag ( ) Exsten dos modos en la cual se puede conecta los esstoes: en see y paalelo

13 53 Conexón es see: En este caso los esstoes se conectan uno a contnuacón del oto, entonces la ntensdad de coente seá la msma en los dos esstoes: = = El tabajo paa pasa a la undad de caga q de a a c, seá la suma de los tabajos paa pasala, pmeo de a a b y después de b a c, es dec, Aplcando la ley de ohm: = ab bc =, donde es la esstenca equvalente (que hace los msmos efectos) de los dos esstoes y = Como =, la ecuacón anteo se smplfca y queda fnalmente como: = Cuando dos (o más) esstoes están en see, se suman paa obtene la esstenca total, es dec: = n 3 = (esstoes en see) (84) = a b c esstoes en see Conexón en paalelo: En este caso los extemos de los dos esstoes se conectan juntos y la coente se bfuca en un extemo, volvéndose a eun en el oto Llamando a la coente total e e a las coentes que pasan po cada essto, se tene, po el pncpo de consevacón de la coente eléctca: = El Tabajo po undad de caga de a a b es el msmo, a tavés de cualque camno segudo, es dec: =,

14 54 Aplcando la ley de Ohm, =, sendo la esstenca equvalente a las esstencas y Como los numeadoes son guales, se tene fnalmente, = Cuando dos (o más) esstoes se conectan en paalelo, se suman los valoes ecípocos de sus esstencas, paa obtene el valo ecípoco de la esstenca total o equvalente Po lo tanto, = = 3 = n (esstencas en paalelo) (85) esstoes en paalelo Fueza electomotz (fem): La fueza electomotz es la magntud que caacteza el compotamento del geneado en un ccuto eléctco En el caso de una bomba hdáulca la potenca mecánca epesenta la enegía que sumnsta al ccuto po undad de tempo En los ccutos eléctcos se defne la fueza electomotz de un geneado y se epesenta medante la letaε, como la enegía que cede el geneado al ccuto po cada undad de caga que lo atavesa y que se nvete en ncementa su enegía potencal eléctca Cada caga al pasa po el geneado ecbe una doss de enegía que podá gasta después en su ecodo a lo lago del ccuto Con fecuenca, se emplean las ncales fem paa desgna esta magntud, que sendo una enegía se la denomna mpopamente fueza Según su defncón la fem se expesaá en undades de enegía patdo po undades de caga Este es tambén el caso de las magntudes potencal y dfeenca de potencal Po tal motvo su undad en el SI es el volt

15 55 Tpos de geneadoes De ente los tpos de geneadoes, el más conocdo es el geneado químco, al cual coesponde a la habtual pla eléctca, pla seca o bateía Este geneado tasfoma enegía químca a eléctca a tavés de una eaccón químca El dspostvo es capaz de mantene una dfeenca de potencal constante ente sus polos o bones Una pla de znc cabón, como las que se emplean paa almenta un apaato de ado potátl, está consttuda fomada po dos electodos de dfeentes sustancas Uno es de znc que envuelve en foma de envoltua a una baa de cabón Ente ambos exste una mezcla húmeda de clouo de amono (el electolto), bóxdo de manganeso (el despolazante) y de polvo de cabón paa hacela conductoa, las cuales sven paa el poceso de geneacón de la tensón La eaccón químca que se poduce en el electodo de cnc lbea electones, con lo que éste se convete en un polo negatvo (cátodo); la que se poduce en el electodo de cabón da luga a una dsmnucón de electones, esultando de sgno postvo (ánodo) La tensón poducda po la pla es constante, hasta el desvanecmento del electolto, y al aplcala sobe un ccuto eléctco poduce una CC Este tpo de coente se caacteza poque el sentdo del movmento de los potadoes de caga (electones lbes) se mantene constante La pla de combustble es oto tpo de geneado químco de uso fecuente en el sumnsto de enegía eléctca a naves o cohetes espacales ecbe este nombe poque las sustancas que patcpan en las coespondentes eaccones químcas son, en pate, ntoducdas desde el exteo como s de un combustble se tataa Una pla de combustble típca es la que se basa en las eaccones del hdógeno oxígeno que se poducen con pédda de electones en un electodo y gananca en el oto, dando luga a una dfeenca de potencal capaz de poduc una coente eléctca exteo Un temopa, dspostvo decto de la temocupla, es un geneado temoeléctco que tansfoma enegía calóca en eléctca Se poduce cuando dos alambes conductoes de dfeente mateal, undos ente sí po sus extemos espectvos se someten a una dfeenca de tempeatua Sumegendo una de las soldaduas en helo fundente, po ejemplo, y aplcando a la ota soldadua una tempeatua alta, ente ambos puntos se genea una dfeenca de potencal que aumenta con la vaacón de la tempeatua El efecto geneado de electcdad, conocdo como efecto Seebeck, se emplea pncpalmente en la medda de tempeatuas de nstumentos dgtales La célula fotovoltaca es un geneado de tpo fotoeléctco (dspostvo decto del efecto fotoeléctco explcado po Ensten en 905) que tansfoma la enegía electomagnétca (en el ango vsble) en enegía eléctca Se basa en la capacdad de los semconductoes paa conduc la electcdad en un sentdo dado, peo no en el opuesto Al ncd la luz sobe la célula, aanca algunos electones de sus átomos (fotoelectones) poducendo una coente fotoeléctca Estos electones que se acumulan en una egón detemnada (cátodo) a expensas de la pédda de electones en la egón opuesta (ánodo) Al gual que en una pla seca, estas dos egones consttuyen los polos negatvo y postvo de la célula El geneado electomagnétco se basa en el pncpo de la nduccón electomagnétca (ley de Faaday y Lenz) Cuando un conducto ceado se hace ga en un campo magnétco poducdo po un mán, po ejemplo, se genea en su nteo una dfeenca de potencal capaz de poduc una coente eléctca Es el tpo de geneado denomnado altenado que se emplea en las gandes plantas de poduccón de enegía eléctca En ellas, dfeentes fomas de enegía, cuya natualeza depende del tpo de cental, se nveten en move gandes bobnas de conductoes, hacéndolas ga en los campos magnétcos De este modo se poducen tensones eléctcas ente sus bones cuya poladad postva/negatva, se nvete altenatvamente con el tempo a azón de cncuenta veces en cada segundo Cuando esta tensón se aplca a un ccuto eléctco, poduce en él una coente altena que se caacteza po una nvesón altenatva, con déntca fecuenca, del sentdo del movmento de los potadoes de caga

16 56 Ley de las mallas en un ccuto eléctco: Además de la pmea egla de Kchhoff o ley de los nodos (80), es posble enconta ota egla llamada ley o teoema de las mallas En el ccuto epesentado en la fgua, la bateía B es de fem ε y la esstenca del ccuto es La fuente de fem mantene al temnal supeo a un voltaje postvo y a la nfeo en uno negatvo, lo cual se ndca con los sgnos y En el ccuto exteno conectado a B los tanspotadoes de caga postva se moveán en la deccón mostada po las flechas macadas con En otas palabas, se estableceá una coente que ccula en el msmo sentdo que el de las manecllas del eloj a ε B Una fem se epesenta medante una flecha colocada póxma a la fuente, y que apunta en la deccón en la que se moveía los tanspotadoes de caga postva en el ccuto exteno, s la fuente actuaa po sí sola Supóngase que en la fgua se nca un ecodo en el sentdo de las manecllas del eloj, patendo del punto a, cuyo potencal eléctco es a Al pasa a tavés de la esstenca hay un cambo en el potencal El sgno menos ndca que la pate supeo de la esstenca está a un potencal mayo que la pate nfeo, lo cual debe se ceto debdo a que los tanspotadoes de caga postva se mueven po s msmos de un potencal mayo a uno meno Al ε en el potencal, debdo atavesa la bateía de la pate nfeo a la supeo, exste un aumento a que la bateía ealza un tabajo (postvo) sobe los tanspotadoes de caga; esto es, los mueve desde un punto de potencal meno hasta uno de mayo La suma algebaca de los cambos de potencal y del potencal ncal, debe esulta en el msmo valo, es dec, a a