CIENCIA ELECTRICA
Desde el inicio de la historia el hombre ha explorado los fenómenos eléctricos que experimenta en
sí vida diaria. A medida que los científicos desarrollan el conocimiento de la carga eléctrica,
formularon las leyes de la electricidad tal como se conocen hoy en día.
LA ELECTRICIDAD es el fenómeno físico que surge de la existencia e interacción de cargas
eléctricas.
ELECTRICIDAD
Categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la
interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática,
produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando
está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos
dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a
los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas (véase Átomo). La
electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen
mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se
repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este
comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas
de distinto signo se atraen.
ALGO DE HISTORIA
Es posible que el filósofo griego Tales de Mileto, que vivió en torno al 600 a.C., ya supiera que el
ámbar adquiere la propiedad de atraer objetos ligeros al ser frotado. Otro filósofo griego, Teofrasto,
afirmaba en un tratado escrito tres siglos después que otras sustancias poseen esa propiedad. Sin
embargo, el primer estudio científico de los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C.,
cuando se publicaron las investigaciones del médico británico William Gilbert, quien aplicó el
término „eléctrico‟ (del griego elektron, „ámbar‟) a la fuerza que ejercen esas sustancias después de
ser frotadas. También distinguió entre las acciones magnética y eléctrica.
La primera máquina para producir una carga eléctrica fue descrita en 1672 por el físico alemán
Otto von Guericke. Estaba formada por una esfera de azufre movida por una manivela, sobre la
que se inducía una carga cuando se apoyaba la mano sobre ella. El científico francés Charles
François de Cisternay Du Fay fue el primero en distinguir claramente los dos tipos diferentes de
carga eléctrica: positiva y negativa. El condensador más antiguo, la botella de Leyden, fue
desarrollado en 1745. Estaba formado por una botella de vidrio recubierta por dos láminas de papel
de estaño, una en el interior y otra en el exterior. Si se cargaba una de las láminas con una
máquina electrostática, se producía una descarga violenta si se tocaban ambas láminas a la vez.
El inventor estadounidense Benjamin Franklin dedicó mucho tiempo a la investigación de la
electricidad. Su famoso experimento con una cometa o papalote demostró que la electricidad
atmosférica que provoca los fenómenos del relámpago y el trueno es de la misma naturaleza que
la carga electrostática de una botella de Leyden. Franklin desarrolló una teoría según la cual la
electricidad es un „fluido‟ único que existe en toda la materia, y sus efectos pueden explicarse por
el exceso o la escasez de ese fluido.
La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el químico británico Joseph
Priestley alrededor de 1766. Priestley también demostró que una carga eléctrica se distribuye
uniformemente sobre la superficie de una esfera metálica hueca, y que en el interior de una esfera
así no existen cargas ni campos eléctricos. Charles de Coulomb inventó una balanza de torsión
para medir con precisión la fuerza que se ejerce entre las cargas eléctricas. Con ese aparato
confirmó las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre dos cargas también es
proporcional al producto de las cargas individuales. Faraday, que realizó numerosas contribuciones
al estudio de la electricidad a principios del siglo XIX, también desarrolló la teoría de las líneas de
fuerza eléctricas.
Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros experimentos
importantes con corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones musculares en las patas de
una rana aplicándoles una corriente eléctrica. En 1800, Volta presentó la primera fuente
electroquímica artificial de diferencia de potencial, un tipo de pila eléctrica o batería. La existencia
de un campo magnético en torno a un flujo de corriente eléctrica fue demostrada por el científico
danés Hans Christian Oersted en 1819, y en 1831 Faraday demostró que la corriente que circula
por una espira de cable puede inducir electromagnéticamente una corriente en una espira cercana.
Alrededor de 1840, James Prescott Joule y el científico alemán Hermann von Helmholtz
demostraron que los circuitos eléctricos cumplen la ley de conservación de la energía, y que la
electricidad es una forma de energía.
El físico matemático británico James Clerk Maxwell realizó una contribución importante al estudio
de la electricidad en el siglo XIX; Maxwell investigó las propiedades de las ondas
electromagnéticas y la luz y desarrolló la teoría de que ambas tienen la misma naturaleza. Su
trabajo abrió el camino al físico alemán Heinrich Hertz, que produjo y detectó ondas eléctricas en la
atmósfera en 1886, y al ingeniero italiano Guglielmo Marconi, que en 1896 empleó esas ondas
para producir el primer sistema práctico de señales de radio.
La teoría de los electrones, que forma la base de la teoría eléctrica moderna, fue presentada por el
físico holandés Hendrik Antoon Lorentz en 1892. El primero en medir con precisión la carga del
electrón fue el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, en 1909. El uso generalizado de la
electricidad como fuente de energía se debe en gran medida a ingenieros e inventores pioneros de
Estados Unidos, como Thomas Alva Edison, Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz.
ALBORES DE LA CIENCIA ELECTRICA
- En la prehistoria el hombre experimento las propiedades de la magnetita (trozos de mineral
magnetizado) el magnetismo de estas piedras era capaz de levantar pedazos de hierro.
- TALES DE MILETO primero en observar las propiedades eléctricas del ámbar al frotarlo
adquiría la capacidad de atraer objetos ligeros como paja y hierba seca.
- En 1.600, WILLIAN GILBERT, publico “de magnete” en sus estudios hallo una larga lista de
materiales que podían ser electrizados.
- En 1.675, BOILE fue uno de los primeros en experimentar con la electricidad en vacío. OTTO
VON GUERICKE (1.602-1.686) construyo un generador eléctrico y lo reporto en su
“experimenta nova” en 1.672 este dispositivo era un globo de azufre con un ele que podía girar
en la chumaceras. Cuando se hacia girar manteniendo una mano seca sirve el globo, se
inducía una carga eléctrica en la superficie. GUERICKE noto también unas pequeñas chispas
cuando el globo se descargaba.
- 1.746, PIETER VAN MUSSCHENBROCK presento una botella que servia para almacenar la
electricidad estática.
- EN 1749, BENJAMIN FRANKLIN creo la teoría de que hay dos clases de cargas, positiva y
negativa.con este concepto de carga, franklin realizo su famoso experimento del papalote en
junio de 1752 y su innovación, el pararrayos, para extraer la carga eléctrica de las nubes.
Franklin fue el primer gran científico estadounidense en electricidad.
- 1791, LUIGI GALVANI, experimento con pata de una rana muerta se encogía al someterse a
una carga eléctrica.
- ALESSANDRO VOLTA. Determino que el encogimiento era causado por dos metales distintos
humedecidos, en contacto con la pata por un extremo y con los nervios de la pata por el otro.
Procedió a construir una pila electroquímica que consistía en pares de discos de cinc y plata
separados por tela o papel empapados en salmuera.con la invención de su pila fue capaz de
mostrar una corriente estable en un circuito eléctrico.
- las bases de la electrodinámica fueron establecidas por ANDRE MARIE AMPERE. Definió las
corriente eléctrica concibió medios para medirla.
- JOVIE en 1.841 anuncio el descubrimiento de la relación entre una corriente y el calor o
energía producida, llamada ley de jovie.
- Las teorías de la electrodinámica fueron planteadas en términos matemáticos por JAMES
CLERK MAXWELL.
CIRCUITO ELECTRICO
Es un modelo matemático que aproxima el comportamiento de un sistema eléctrico real, los
modelos, las técnicas y el lenguaje de la teoría del circuito formaran un marco conceptual para el
futuro trabajo. Tres suposiciones básicas nos permiten utilizar la teoría del circuito:
Los efectos eléctricos se dejan notar instantáneamente en todo el sistema.
La carga nata en cada componente del sistema siempre es cero.
Nos existe acoplamiento magnético entre los componentes de un sistema.
Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como
resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente
entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.
PARTES DE UN CIRCUITO ELECTRICO:
A la hora de analizar un circuito es conveniente conocer la terminología de cada elemento que lo
forma. A continuación se indican los comúnmente más aceptados tomando como ejemplo el
circuito mostrado en la figura 1.
Conector: Hilo conductor de resistencia despreciable (idealmente cero) que une
eléctricamente dos o más elementos.
Generador o fuente: Elemento que produce electricidad. En el circuito de la figura 1 hay
tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y E2.
Red: Conjunto de elementos unidos mediante conectores.
Nudo o nodo: Punto de un circuito donde concurren varios conductores distintos. En la
figura 1 se observan cuatro nudos: A, B, D y E. Obsérvese que C no se ha tenido en
cuenta ya que es el mismo nudo A al no existir entre ellos diferencia de potencial (V A - VC =
0).
Rama: Conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos nudos
consecutivos. En la figura 1 se hayan siete ramas: AB por la fuente, AB por R1, AD, AE,
BD, BE y DE. Obviamente, por una rama sólo puede circular una corriente.
Línea cerrada: Conjunto de ramas que forman un bucle cerrado.
Malla: Línea cerrada que no contiene elementos en su interior. En la figura 1 hay cuatro
mallas: ABCA, BCDB, BEDB y ADEA.
Circuito: Red con al menos una línea cerrada por la que puede circular la corriente.
Elemento bilateral: Aquel que tiene las mismas características para polaridades opuestas.
Por ejemplo, por una resistencia o por un conductor circulará la misma corriente si se
invierte la polaridad de las fuentes.
Elemento unilateral: Aquel que tiene diferentes características para diferentes polaridades,
como ocurre por ejemplo con el diodo.
Circuito equivalente: Aquel que puede remplazarse por otro más complejo proporcionando
el mismo resultado.
CARGA ELECTRICA
Característica de cualquier partícula que participa en la interacción electromagnética. La unidad
según el SI es el coulomb, (C).
Es la base para describir todo fenómeno eléctrico, recordemos algunas características de la carga
eléctrica:
La carga es bipolar: lo que quiere decir es que los efectos eléctricos se describen en cargas
positivas y negativas
Los efectos eléctricos pueden atribuirse ala separación de las cargas y al movimiento de estas.
Existen dos tipos de carga eléctrica que se miden con números positivos y otra con números
negativos. Todas las partículas eléctricamente cargadas llevan una carga igual en el valor absoluto
una carga llamada carga elemental e, el protón posee una carga +e y el electrón una –e, esta
-19
carga elemental equivale a 1.6*10 c
La carga se puede calcular mediante la ecuación .
Se escribe q(t) cuando la carga es variable. Si es constante se escribe Q en cualquier caso la
unidades de medición es el Coulomb.
Ejemplo
1) Halle la carga total que entra en una terminal entre t=0 y t=5 segundos cuando i=10t²A, t0.
CORRIENTE ELECTRICA
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por
ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo
mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al
cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye
en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de
conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor
potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un
circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente
alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.
El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La
primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza
electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se
mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones
por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del
circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta
oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad
empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como la resistencia que
limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio.
La intensidad de corriente se calcula con la ecuación de la misma manera I(t) es una
cantidad variable y en cambio I es una cantidad constante.
Ejemplo
-3t
La carga que ha ingresado a un elemento de circuito es q (t)=4(I-e ) cuando t mayor o igual a cero
(0) q (t)=0 cuando t menor que 0. Calcule la corriente en este elemento del circuito para t mayor o
igual a 0.
Solución:
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
Los símbolos de unidades que corresponden a nombres propios (de personas) llevan mayúsculas
los demás no. Después de los símbolos no se pone punto y no se pluraliza. Las unidades
fundamentales o básicas del SI:
CANTIDAD NOMBRE SIMBOLO
Longitud metro m
Masa Kilogramo Kg
Tiempo segundo s
Corriente eléctrica ampere A
Temperatura termodinámica Kelvin K
Cantidad de sustancia mol mol
Intensidad luminosa Candela cd
UNIDADES DERIVADAS DEL SI
CANTIDAD NOMBRE DE LA UNIDAD FORMULA SIMBOLO
2
Aceleración lineal Metro por segundo por segundo m/s
Velocidad lineal Metro por segundo m/s
-1
Frecuencia hertz s Hz
2
Fuerza newton kg·m/s N
2
Presión o esfuerzo pascal N/m Pa
3
Densidad Kilogramo por metro cúbico Kg/m
Energía o trabajo joule N·m J
Potencia watt J/s W
Carga eléctrica Coulomb A·s C
Potencial eléctrico Volt W/A V
Resistencia eléctrica Ohm V/A Ω
Conductancia eléctrica Siemens A/V S
Capacitancia eléctrica Farad C/V F
Flujo magnético Weber V·s Wb
Inductancia Henry Wb/A H
VOLTAJE
El voltaje a través de un elemento: es el trabajo necesario (energía necesaria) para mover una
carga eléctrica unitaria y positiva desde la terminal (-) hasta la Terminal (+) la unidad de voltaje es
el Volt.(V).
v = voltaje
w = energía o trabajo
q = la carga
Una carga de un cuolumb entrega la energía de un Joule a través de un voltaje de un voltio.
POTENCIA Y ENERGIA
La potencia es la cantidad de energía absorbida o entregada en cierto tiempo.
p = potencia (watts, W)
w = energía (Joule)
T = tiempo (segundos)
También