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FISICA CONCEPTUAL

1. ENERGIA

“Capacidad de un sistema para producir trabajo” La energía es el concepto fundamental de toda ciencia. Sin embargo, su existencia aún era tema de debate en los tiempos de Newton 1850). El concepto de energía es relativamente reciente y hoy lo encontramos en casi todos los aspectos de la sociedad humana. Sólo podemos observar la energía cuando se transfiere de un lugar a otro o cuando se transforma de una forma en otra.

1.1 TRABAJO

Los cambios en el movimiento de los objetos, están relacionados con las fuerzas y con el tiempo durante el cual se ejercen. Llamamos impulso a la cantidad fuerza X tiempo”. Pero un intervalo no siempre significa un tiempo: también puede significar distancia. Cuando consideremos la cantidad “fuerza X distancia” estamos hablando de una cantidad totalmente distinta: el trabajo.

Cuando levantamos un objeto pesado contra la fuerza de gravedad hacemos trabajo. Cuanto más pesado sea el objeto, o cuanto más alto lo levantemos, mayor será el trabajo realizado. En todos los casos en los que se realiza un trabajo intervienen dos factores (1) la aplicación de una fuerza y (2) el movimiento de un objeto debido a la acción de esa fuerza.

Consideremos el caso más simple en que la fuerza es constante y el movimiento es en línea recta y en la dirección de la fuerza. Entonces el trabajo que realiza la fuerza aplicada sobre un objeto se define como el producto de la fuerza por la distancia que recorre el objeto. ∗En forma compacta:

Trabajo = fuerza X distancia W = Fd

Si levantas dos cargas a una altura de un piso, haces el doble de trabajo que si levantaras una carga porque requieres el doble de fuerza para levantar el doble del peso. Análogamente, si levantas una carga a una altura de dos

∗ En casos más generales, el trabajo es el producto de la componente de la fuerza que se ejerce en la dirección del movimiento por la distancia recorrida.

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pisos en lugar de uno, realizas el doble de trabajo porque la distancia es el doble.

Observa que en la definición de trabajo intervienen una fuerza y una distancia. Un levantador de pesas que sostiene sobre su cabeza unas pesas de 1000 N no realiza trabajo sobre la barra. Quizás se fatigue al hacerlo; pero si la barra no se mueve por acción de la fuerza que él ejerce, el levantador de pesas no realiza trabajo alguno. Tal vez reciba trabajo sobre los muslos por estiramiento o contracción, que tiene el efecto de una fuerza por una distancia en la escala biológica, pero este trabajo no se esta realizando sobre la barra. Levantar la barra, sin embargo; es harina de otro costal. Cuando el levantador de pesas las levanta desde el suelo, esta realizando trabajo sobre la barra.

En general, el trabajo se puede dividir en dos categorías. Una de ellas es cuando se hace trabajo contra otra fuerza. Cuando un arquero extiende la cuerda del arco está haciendo trabajo contra las fuerzas elásticas del arco. Cuando haces abdominales estás haciendo trabajo contra tu propio peso. Se hace trabajo sobre un objeto cuando lo fuerzas a moverse en contra de la acción de una fuerza opuesta... con frecuencia la fricción.

El otro tipo de trabajo es el que se realiza para hacer cambiar la rapidez de un objeto. Es la clase de trabajo que se requiere para aumentar o disminuir la velocidad. En la unidad de medida del trabajo se combinan una unidad de fuerza (N) con una unidad de distancia (m. La unidad de trabajo es el newton – metro (N – m), también llamado joule (J) en honor a James Joule. Se hace un joule de trabajo cuando se ejerce una fuerza de 1 N a lo largo de una distancia de 1 m, como, por ejemplo, al llevarnos una manzana a la cabeza. Cuando el valor del trabajo es mucho mayor, hablamos de kilojoules (KJ), o sea, miles de joules; o de megajoules (MJ), es decir millones de joules. La energía que libera un kilogramo de combustible es del orden de algunos megajoules.

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1.2 POTENCIA

En la definición de trabajo no se especifica cuánto tiempo toma realizarlo. Cuando subes las escaleras con una carga haces el mismo trabajo ya sea que subas lentamente o corriendo. ¿ Entonces porque te sientes mas fatigado cuando corres escaleras arriba durante unos cuantos segundos que cuando subes tranquilamente durante unos minutos?. Para entender esta diferencia es menester referirnos a la rapidez con que se hace trabajo, es decir, a la potencia. La potencia es la razón de cambio a la que se realiza trabajo. Es igual al cociente del trabajo realizado entre el intervalo de tiempo que toma realizarlo:

Potencia = trabajo de tiempo intervalo de tiempo

Un motor de alta potencia realiza trabajo con rapidez. Un motor de automóvil cuya potencia es del doble de la de otro no produce necesariamente el doble de trabajo o el doble de rapidez que el motor menos potente. Decir que tiene el doble de potencia significa que puede realizar la misma cantidad de trabajo en la mitad del tiempo. La ventaja principal de un motor potente es la aceleración que produce. Un motor potente puede incrementar la rapidez de un auto hasta cierto valor en menos tiempo que un motor menos potente.

Podemos considerar la potencia de la siguiente manera: un litro de gasolina puede realizar una cantidad de trabajo dada, pero la potencia que produce puede tener cualquier valor, dependiendo de que tan aprisa se consuma. Un litro puede producir 50 unidades de potencia durante media hora en un automóvil o 90 000 unidades de potencia durante un segundo en un avión supersónico.

La unidad de potencia es el joule por segundo, también llamada watt (en honor a James Watt, quien desarrollo la maquina de vapor a fines del siglo XVIII). Se gasta un watt (W) de potencia cuando se realiza un joule de trabajo en un segundo. Un kilowatt (kW) es igual a 1000 watts. Un megawatt (MW) es igual a un millón de watts. En Estados Unidos se acostumbra indicar la potencia de un motor es unidades llamadas caballos de potencia, y la potencia eléctrica en kilowatts, pero se puede emplear cualquiera de estas dos unidades. En el sistema métrico de unidades, la potencia de un automóvil se expresa en kilowatts. (Un caballo de potencia es igual a 0.75 kilowatts, de modo que la potencia de un motor de 134 caballos es de 100 KW.)

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1.3 ENERGÍA MECÁNICA

Cuando un arquero realiza trabajo al tender el arco, el arco adquiere la capacidad de realizar la misma cantidad de trabajo sobre la flecha. Cuando se realiza un trabajo para dar cuenta a un mecanismo de resorte, el resorte adquiere la capacidad de realizar un trabajo sobre los engranajes de un reloj, un timbre o una alarma.

En cada uno de estos casos se ha adquirido algo. Este “algo” que adquiere el objeto le permite hacer trabajo. Puede darse en la forma de una compresión de átomos del material de un objeto; puede ser la separación física de cuerpos que se atraen; puede tratarse de un reordenamiento de cargas eléctricas en las moléculas de una sustancia. Este “algo” que permite a un objeto realizar trabajo es energía. ∗ Igual que el trabajo, la energía se mide en joules. Se da en muchas formas, como la energía mecánica, o sea, la energía que se debe a la posición o al movimiento de un objeto. La energía mecánica puede estar en forma de energía potencial o cinética.

1.4 ENERGÍA POTENCIAL

Un objeto puede almacenar energía en virtud de su posición. La energía que se almacena en espera de ser utilizada se llama energía potencial (EP), porque en ese estado tiene el potencial para realizar el trabajo. Por ejemplo, un resorte estirado o comprimido tiene el potencial para hacer trabajo. Cuando se tiende un arco, el arco almacena energía. Una banda elástica estirada tiene energía potencial debido a su posición ya que, si forma parte de una honda, es capaz de hacer trabajo.

La energía química de los combustibles es energía potencial ya que es, de hecho, energía de posición a la escala microscópica. Esta energía se hace disponible cuando se alteran las posiciones de las cargas eléctricas que están dentro y alrededor de las moléculas, es decir, cuando ocurre un cambio químico. Toda sustancia capaz de realizar un trabajo por acción química posee energía potencial. Hay energía potencial en los combustibles fósiles, en las baterías eléctricas y en los alimentos que ingerimos.

Para elevar objetos contra la gravedad terrestre se requiere trabajo. La energía potencial debida a que un objeto se encuentra en una posición elevada se llama energía potencial gravitacional. El agua de un tanque elevado, tienen energía potencial gravitacional.

La cantidad de energía potencial gravitacional que posee un objeto elevado es igual al trabajo realiza contra la gravedad para llevarlo a esa posición. El trabajo realizado es igual a la fuerza necesaria para moverlo hacia arriba por

∗ Estrictamente hablando, lo que capacita a un objeto para realizar trabajo se llama energía disponible del objeto, ya que no toda la energía de un objeto puede transformarse en trabajo.

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la distancia vertical que recorre (W = Fd). La fuerza necesaria (si el objeto se mueve con velocidad constante) es igual al peso del objeto mg(Masa (m) X Aceleración de Gravedad (g), de modo que el trabajo realizado al levantar un objeto hasta una altura h está dado por el producto mgh:

Energía potencial gravitacional = peso x altura EP = mgh

Observa que la altura h es la distancia recorrida hacia arriba desde cierto nivel de referencia, como la Tierra o el piso de un edificio. La energía potencial mgh es relativa a dicho nivel y únicamente depende de mg y de la altura h.

1.5 ENERGÍA CINÉTICA

Si empujas un objeto, puedes ponerlo en movimiento. Un objeto que se mueve puede, en virtud de su movimiento, realizar trabajo. El objeto tiene energía de movimiento, o energía cinética (EC). La energía cinética de un objeto depende de su masa y de su rapidez. Es igual al producto de la mitad de la masa por el cuadrado de la velocidad o rapidez.

Energía cinética = ½ masa x velocidad2

EC = ½ mv 2

Cuando lanzas una pelota, realizas trabajo sobre ella a fin de imprimirle velocidad. La pelota puede entonces golpear algún objeto y empujarlo, haciendo trabajo sobre él. La energía cinética de un objeto en movimiento es igual al trabajo requerido para llevarlo desde el reposo hasta la rapidez con la que se mueve, o bien, el trabajo que el objeto es capaz de realizar antes de volver al reposo:

Fuerza total x distancia = energía cinética,

o en notación compacta: Fd = ½ mv 2

Observa que la velocidad está elevada al cuadrado, de tal forma que si se duplica la rapidez de un objeto, su energía cinética se cuadruplica (2² = 4 ). Esto significa que se requiere un trabajo cuatro veces mayor para duplicar la velocidad de un objeto; también significa que se requiere un trabajo cuatro veces mayor para detener el objeto. Quienes investigan los accidentes de transito saben bien que un auto que viaja a 100 Km/h tiene una energía cinética cuatro veces que cuando viaja a 50Km/h, así que, al dar un frenazo, un auto que se desplaza a 100Km/h resbalara una distancia cuatro veces

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mayor que si viajara a 50Km/h. Esto se debe a que la rapidez esta elevada al cuadrado en la expresión para la energía cinética.

La energía cinética subyace a otras formas de energía en apariencia distintas como el calor (movimiento aleatorio de las moléculas), el sonido (que consiste en vibraciones rítmicas de las moléculas del aire) y la luz (que surge del movimiento de los electrones en el interior de los átomos).

1.6 CONSERVACION DE LA ENERGIA

Mas importante que poder decir que es la energía es entender como se comporta, es decir, como se transforma. Puedes entender mejor casi todos los procesos o cambios que ocurren en la naturaleza si los analizas en términos de la transformación de la energía de una forma en otra.

Al estirar una honda haces trabajo sobre la banda elástica; esta tiene entonces energía potencial. Cuando sueltas la piedra, su energía cinética es igual a la energía potencial. La piedra sede esta energía al objeto que golpea, por ejemplo, un poste de una reja de madera. El producto de la pequeña distancia que se mueve el poste por la fuerza del impacto promedio es algo inferior a la energía cinética de la fuerza. El balance de energía no cuadra. Pero si miras con más detenimiento descubrirás que tanto la piedra como el poste están ligeramente mas calientes. Lo bastante para compensar la diferencia de energía. La energía se transforma de una forma en otra. Y se transforma sin pérdida neta o ganancia neta.

El estudio de las diversas formas de energía y de sus transformaciones de unas en otras condujo a una de las mayores generalizaciones de la física, conocida como ley de la conservación de la energía:

La energía no se crea ni se destruye; se puede transformar de una forma en otra, pero la cantidad total de energía no cambia jamás.

En cualquier sistema considerado en su totalidad, ya sea tan simple como un péndulo o tan complejo como una galaxia en expansión, hay una cantidad que no cambia: la energía. Puede cambiar de forma o simplemente transferirse de un lugar a otro, pero el balance total de la energía permanece constante.

Este balance de energía toma en cuenta el hecho de que los propios átomos que conforman la materia son paquetes de energía (cuantos). Los núcleos de los átomos pueden liberar enormes cantidades de energía al redondearse. El sol brilla porque parte de esta energía se transforma en energía radiante. En un reactor nuclear, gran parte de esta energía se transforma en calor.

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Las intensas fuerzas gravitacionales que prevalecen en las candentes profundidades del sol comprimen hasta juntar los átomos de hidrógeno formando átomos de helio. Esta unión de núcleos atómicos se conoce como fusión termonuclear. Este proceso desprende energía radiante, parte de la cual llega a la tierra. Una porción de esta energía es absorbida por las plantas y mas tarde la energía de las plantas se almacena en el carbono. Otra porción de la energía solar mantiene la cadena alimentaría de los océanos que comienza con las plantas y una fracción de esta energía se convierte mas tarde en petróleo.

Otra porción de la energía del sol sirve para evaporar el agua de los océanos y arte de esta energía vuelve a la tierra en forma de lluvia, que puede quedar almacena en una presa. En virtud de su posición el agua de la presa posee energía que puede utilizarse para operar una planta generadora, donde se transformara en energía eléctrica. La energía eléctrica es transformada por cables hasta nuestros hogares, donde la usamos para producir luz y calor, para cocinar y para operar cepillos dentales eléctricos.

1.7 MAQUINAS

Una maquina es un dispositivo que sirve para multiplicar fuerzas o simplemente para cambiar la dirección de la fuerzas. Tras el funcionamiento de toda maquina esta el concepto de conservación de la energía: una de las maquinas mas simples: la palanca. Al tiempo que hacemos trabajo sobre un extremo de la palanca, este hace trabajo sobre la carga. Vemos que la palanca cambia el sentido de la fuerza, ya que si empujamos hacia abajo, la carga se mueve hacia arriba. Si el calor que se genera debido a las fuerzas de fricción es lo bastante pequeño para resultar despreciable, el trabajo que entra será igual al trabajo que sale.

Trabajo de entrada = trabajo de salida

Como el trabajo es igual a la fuerza por la distancia, entonces fuerza de entrada x distancia de entrada = fuerza de salida x distancia de salida.

(Fuerza x distancia) entrada = (Fuerza x distancia) salida

Con un poco de imaginación se puede ver que el punto de giro o punto de apoyo, de la palanca puede estar relativamente cerca de la carga. Entonces ejerciendo una pequeña fuerza de entrada a través de una gran distancia obtendremos una gran fuerza de salida sobre una distancia consecuentemente pequeña. La palanca puede de esta manera multiplicar sus fuerzas, pero no hay maquina capaz de multiplicar el trabajo o la energía. ¿ Esto es algo prohibido por la conservación de la energía!

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Consideremos la palanca ideal sin peso. La niña empuja hacia abajo con una fuerza de 10 N y levanta una carga de 80 N. El cociente de la fuerza de salida entre la fuerza de entrada de una maquina se conoce como ventaja mecánica. Aquí la ventaja mecánica es ( 80 N )/( 10 N), es decir, 8.

1.8 EFICIENCIA

Las maquinas que hemos considerado hasta aquí son ideales: transforman todo el trabajo que se realiza sobre ellas en trabajo útil. Una maquina ideal tiene una eficiencia de 100%. En la práctica esto nunca sucede, y no podemos esperar que suceda. Toda maquina convierte una parte de la energía en energía cinética atómica u molecular, que calienta a la maquina. Decimos entonces que la energía se disipa en forma de calor. Una palanca simple se balancea sobre su propio punto de apoyo y una polea Gira alrededor de su eje convirtiendo una pequeña fracción de la energía de entrada en forma de calor. Quizás realicemos 100 J de trabajo sobre la maquina y obtengamos 98 J de trabajo útil. En ese caso, la eficiencia de la palanca es de 98% y solo se desechan 2 J de trabajo de entrada en forma de calor. En un sistema de poleas la fracción de la energía de entrada que se convierte en calor es mayor. Si realizamos un trabajo de 100 J las fuerzas de fricción que actúan a lo largo de las distancias de los giros y roces de las poleas sobre sus ejes, pueden disparar 40 J de energía en forma de calor. El trabajo de salida es de solo 60 J y el sistema de poleas tiene una eficiencia de 60%. Cuanto menor sea la eficiencia de una maquina, mayo será la cantidad de energía que se desperdicia convirtiéndose en calor. Podemos expresar eficiencia como el cociente del trabajo útil de salida entre el trabajo total de entrada: Eficiencia = trabajo útil de salida Trabajo total de entrada Un bloque se hielo que resbala sobre una plancha cubierta de hielo puede tener una eficiencia de casi 100%, pero cuando se trata de una caja de madera que resbala sobre una plancha del mismo material, tanto la ventaja mecánica real como la eficiencia se reducen considerablemente. La eficiencia también puede expresarse como el cociente de la ventaja mecánica entre la ventaja mecánica teórica:

Eficiencia = ventaja mecánica real ventaja mecánica teórica

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La eficiencia es siempre una fracción inferior a 1. Para convertirla en un porcentaje basta expresarla en forma decimal y multiplicarla por 100%. Por ejemplo, una eficiencia de 0.25 equivale en porcentaje a 0.25 x 100%, o sea, 25%. El motor de un automóvil es una maquina que transforma la energía almacenada en la gasolina en energía mecánica. Al quemarse el combustible a base de petróleo, sus moléculas se rompen. La combustión es una reacción química en la que los átomos se combinan con el oxigeno que hay en el aire. Los átomos de carbono del petróleo se combinan con átomos de oxigeno para formar bióxido de carbono, liberando energía. La energía así transformada se usa para impulsar el motor seria agradable que toda esa energía se convirtiera en energía mecánica, pero no es posible construir una maquina con una eficiencia del 100%. Una parte de la energía se convierte en calor. Ni siquiera los motores mejor diseñados suelen tener una eficiencia de más de 35%. Una fracción de la energía que se convierte en calor va al sistema de refrigeración y pasa del radiador al aire. Otra parte sale por el escape, y casi la mitad se ala energía se utiliza para vencer la fricción de las partes móviles del motor. Además de esas causas de ineficiencias, el combustible no se consume totalmente, cierta cantidad de el se desperdicia. Podemos considera la eficiencia de la siguiente manera: toda transformación esta acompañada de una dilución de la cantidad de energía útil.

1.9 ENERGIA PARA LA VIDA

Toda célula viva en cada organismo es una maquina viviente y, como toda maquina, requiere energía. La mayor parte de los organismos vivos de este planeta se alimentan de diversos compuestos llamados carbohidratos que liberan energía al reaccionar con el oxigeno. Como en el caso de los combustibles a base de petróleo, hay mas energía almacenada en las moléculas del combustible que el las de los productos de reacción, la diferencia de energía entre uno y otro estado es lo que mantiene la vida. Al principio de la combustión en la digestión de los alimentos es igual a la combustión de un combustible fósil en una maquina. La diferencia principal reside en la velocidad que ocurren las reacciones. En la digestión el ritmo es mucho mas lento, la energía se libera según se requiera. Como en el caso de un combustible fósil la reacción se mantiene por si sola una vez que ha comenzado, el carbono se combina con el oxigeno para dar bióxido de carbono. El proceso inverso es más complejo. Solo las plantas verdes y ciertos organismos unicelulares pueden hacer que el bióxido de carbono se combine

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con el agua para producir carbohidratos como el azúcar. Este proceso se conoce como fotosíntesis, para que se lleve a cabo la fotosíntesis se requiere energía que normalmente proviene del sol. El azúcar es el alimento mas simple; los otros – carbohidratos, proteínas y grasas- son también compuestos sintetizados de carbono, hidrogeno y oxigeno. ¿No es una gran fortuna que las plantas verdes sean capaces de usar la energía del sol para fabricar sustancias que nos dan energía tanto a nosotros como a los demás organismos?.

2. ESTADOS DE LA MATERIA

La materia puede existir en cuatro estados distintos. Conoces bien los estados sólido, líquido y gaseoso. En el estado de plasma, la materia consiste en núcleos atómicos desnudos y electrones libres. El estado de plasma solo se da a altas temperaturas. A pesar de ser poco común en nuestra experiencia cotidiana, el estado de plasma es el estado predominante de la materia del universo. El sol y las estrellas, así como gran parte de la materia intergaláctica están en estado de plasma. Los átomos están en constante movimiento en cualquier estado de la materia. En el estado sólido, los átomos y moléculas vibran alrededor de posiciones fijas. Si la razón de cambio de vibración molecular aumenta hasta cierto punto, las moléculas comenzaran a desprenderse y a moverse por todo el material, vibrando sin posición fija. La forma del material ya no es constante, sino que toma la forma del recipiente que lo contiene se encuentra entonces en estado líquido. Si se añade aun más energía al material, haciendo virar las moléculas todavía mas a prisa, estas pueden separarse y adoptar el estado gaseoso. Toda sustancia puede pasar de un estado a otro. Vemos con frecuencia este cambio de estado en el compuesto H2O. En el estado sólido, este compuesto es hielo. Si calentamos el hielo, el aumento en la intensidad del movimiento molecular separa las moléculas de sus posiciones fijas, y tenemos agua. Si calentamos el agua, podemos alcanzar un punto en que el aumento de las vibraciones moleculares, separa totalmente las moléculas de agua, y tenemos vapor. Si calentamos el vapor aun mas, las moléculas pueden romperse en los átomos que las componen. Si los calentamos hasta temperaturas superiores a 2000° C, los átomos se rompen a su vez, convirtiéndose en un gas de electrones libres y núcleos atómicos desnudos. Entonces tenemos un plasma.

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3. ELECTROSTATICA

La electricidad, en una u otra forma, subyace a casi todo lo que te rodea. Se encuentra en los relámpagos; se encuentra en la chispa que salta bajo tus pies cuando caminas a arrastrándolo sobre una alfombra; y la electricidad es la que mantiene unidos a los átomos para formar moléculas. Nuestro dominio de la electricidad se hace patente en varias clases de dispositivos tecnológicos, desde las bombillas hasta los computadores. En esta era tecnológica es importante saber como podemos manipular los fundamentos de la electricidad a fin de proporcionar a las personas un bienestar inimaginable hasta fechas recientes. Este texto trata de la electrostática, o sea, de la electricidad en reposo. La electrostática tiene que ver con cargas eléctricas, las fuerzas que ejercen entre ellas y su comportamiento en el interior de los materiales.

3.1 FUERZAS Y CARGAS ELECTRICAS

Estas familiarizado con la fuerza gravitacional. Esta fuerza te atrae hacia la tierra y la llamas peso. Ahora considera una fuerza que se ejerce sobre ti y que es miles de millones de veces mas intensa. Una fuerza así te comprimiría hasta convertirte en una mancha tan gruesa como una hoja de papel. Pero supón, que además de esta enorme fuerza, se ejerciese sobre ti una fuerza de repulsión que también fuese miles de millones de veces mas intensa que la gravedad. Estas dos fuerzas se anularían una a otra y no producirían sobre ti ningún efecto observable. Da la casualidad de que existe, en efecto, un par de tales fuerzas que se ejercen sobre ti todo el tiempo: las fuerzas eléctricas. Las fuerzas eléctricas provienen de las partículas del interior de los átomos. En el sencillo modelo atómico propuesto a principios de este siglo por Ernest Rutherford y Niels Bohr, el átomo consiste en un núcleo de carga positiva rodeado de electrones. Los protones del núcleo atraen a los electrones y los mantienen en orbita del mismo modo que el sol mantiene en orbita a los planetas. Los protones atraen a los electrones, pero estos no se repelen unos a otros. Este comportamiento de atracción y repulsión se atribuye a una propiedad llamada carga. Por convención (o sea, acuerdo general paradigmático), decimos que los electrones tienen carga negativa y que los protones tienen carga positiva. Los neutrones no tienen carga y las partículas cargadas no los atraen ni los repelen.

Estos son algunos hechos mas importantes acerca de los átomos:

La regla fundamental que subyace a todo fenómeno eléctrico es la siguiente.

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“Las cargas del mismo signo se repelen; las cargas de signos contrarios se atraen.”

El viejo dicho según el cual los contrarios se atraen, que en general se aplica a las personas, se puso en boga por primera vez merced a los conferenciantes públicos que viajaban de un lado a otro a caballo o en la diligencia, divirtiendo a la gente por medio de demostraciones de las maravillas científicas de la electricidad. Una parte importante de tales demostraciones consistía en cargar y descargar bolitas de medula vegetal. La medula vegetal es un tejido ligero y esponjoso que se asemeja al poliestireno, y las bolitas se cubrían con pintura de aluminio para que sus superficies condujeran la electricidad. Suspendidas de hilos de cera, las bolitas eran atraídas por una barra de goma frotada con piel de gato, pero cuando entraba en contacto con la fuerza de atracción se convertía en una fuerza de repulsión. A partir d este momento, la barra de goma repelía a la bolita, que ahora experimentaba una atracción hacia una barra de vidrio frotada con seda. Dos bolitas cargadas de distinta manera presentaban tanto fuerzas de atracción como fuerzas de repulsión. El conferencista señalaba que la naturaleza nos daba dos tipos de carga, tal y como existían dos sexos distintos.

3.2 CONSERVACION DE LA CARGA

Los electrones y los protones poseen carga eléctrica. En un átomo neutro hay tantos electrones como protones, por lo que la carga neta es cero. La carga positiva total equilibra exactamente la carga negativa total. Si le quitamos un electrón a un átomo, este deja de ser neutro. El átomo que tiene una carga positiva de mas (un protón) respecto a la carga negativa (los electrones), y decimos que esta cargado positivamente. Un átomo cargado se conoce como ión. Un ión positivo tiene carga positiva, pues ha perdido uno o más electrones. Un ion negativo tiene carga negativa, pues ha adquirido uno o más electrones adicionales. La materia esta compuesta de átomos y los átomos están compuestos de electrones y protones (y también de neutrones). Un objeto que tiene el mismo numero de electrones que de protones no tiene carga eléctrica total. Pero si los números no están equilibrados, el objeto esta eléctricamente cargado, el desequilibrio se debe a que el objeto ha adquirido o perdido electrones. Aunque los electrones internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga contraria, los electrones externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y es fácil extraerlos. La fuerza necesaria para extraer

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un electrón de un átomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo, los átomos del Caucho están unidos con más firmeza que los del pelaje de un animal. Por lo tanto, cuando frotamos una barra de caucho con un trozo de piel hay una transferencia de electrones de la piel a la barra. El caucho tiene entonces un excedente de electrones y esta cargado negativamente. Por su parte, la piel tiene un déficit de electrones y esta cargado positivamente. Si frotas una barra de vidrio con seda, veras que adquiere una carga positiva. La afinidad de la seda con los electrones es mayor que la del vidrio. Los electrones pasan de la barra a la seda. En resumen: Todo objeto cuyo número de electrones sea distinto del de protones posee una carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones la carga es negativa. Si tiene menos electrones la carga es positiva. Ten en cuenta que los electrones no se crean ni se destruyen, sino solo se transfieren de un material a otro. La carga se conserva. En todo proceso, ya sea a gran escala o a nivel atómico y nuclear, es valido el principio de conservación de la carga. Jamás se ha observado caso alguno en el que se creen o destruyan cargas eléctricas. La conservación de la carga es una de las piedras angulares de la física, y esta a la par de la conservación de la energía y el momentum. Todo objeto con carga eléctrica tiene un excedente o un déficit de electrones. Esto significa que la carga del objeto es un múltiplo entero de la carga del electrón. No puede poseer una carga igual a 1½ o 1000½ cargas electrónicas, por ejemplo. Todos los objetos cargados que hemos observado hasta la fecha poseen una carga igual a un múltiplo entero de la carga de un solo electrón.

3.3. LEY DE COULOMB

Ley de gravitación de Newton muestra que la fuerza gravitacional entre dos objetos de masas m1 y m2 es proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional cuadrado de la distancia d que los separa:

F= G x m1m2/ d2

Donde G es la constante de gravitación universal. La fuerza eléctrica entre un par de cargas satisface igualmente una relación del inverso del cuadrado de la distancia. Esta relación fue descubierta por el físico francés Charles Coulomb (1736- 1806) en el siglo XVIII. La ley de Coulomb establece que la fuerza se ejerce entre dos partículas u objetos

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cargados, que son pequeños comparados con la distancia que los separa, es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia. La función que desempeña la carga en los fenómenos eléctricos es muy similar a la que desempeña la masa en los fenómenos gravitacionales. Podemos expresar la ley de Coulom como: F= K x q1q2/ d2

Donde d es la distancia que separa las partículas cargadas; q1 representa la cantidad de carga de una de las partículas y q2 la cantidad de carga de la otra y k es la constante de proporcionalidad.

La unidad de carga en el Sistema Internacional es el Coulomb, que se abrevia C. Por sentido común podríamos pensar que se trata de la carga de un solo electrón, pero no es así. Por razones históricas resulta que una carga de 1C es la carga de 6.25 millones de billones (6.25 x 1018) de electrones. Esto puede parecer un gran numero de electrones, pero solo representa la cantidad de carga que pasa por una bombilla común de 100 W en alrededor de un segundo. La constante de proporcionalidad k de la ley de Coulomb es similar a G en la ley de Newton de la gravitación. En lugar de ser un número muy pequeño como G, la constante eléctrica de proporcionalidad k es un número muy grande. Redondeado es igual a: K = 9 000 000 000 N x m2 / C2 O bien, en notación científica, k = 9.0 x 109 N x m2 / C2. Las unidades N x m2 / C2 convierten el lado derecho de la ecuación a la unidad de fuerza, el newton (N), cuando la carga se expresa en Coulomb(C) y la distancia en metros (m). Observa que si dos cargas de 1 C cada una estuviesen a 1 m de distancia una de otra, la fuerza de repulsión que se ejercería entre ellas seria de 9000 millones de newtons. ¡ es decir, alrededor de 10 veces el peso de un barco de guerra!. Es obvio que no existen tales cantidades de carga neta en nuestro entorno cotidiano. Así pues la ley de gravitación de Newton para dos masas es similar a la ley de Coulomb para dos cargas eléctricas. Mientras que la fuerza de atracción gravitacional entre dos masas de un kilogramo es en extremo pequeña, la fuerza eléctrica entre dos cargas de un coulomb es extremadamente grande. La mayor diferencia entre la fuerza de gravitación y la fuerza eléctrica es que la gravedad solo es atractiva, mientras la fuerza eléctrica puede ser atractiva o repulsiva.

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Debido a que la mayoría de los objetos poseen el mismo numero de electrones que de protones, las fuerzas eléctricas se cancelan usualmente. Por ejemplo, toda fuerza eléctrica entre la tierra y la luna se cancela. De esta forma la fuerza de gravedad, mucho mas débil y solo atractiva, se convierte en la fuerza predominante entre los cuerpos astronómicos. Si bien las fuerzas eléctricas se cancelan en el caso de los cuerpos astronómicos y de los objetos cotidianos, esto no siempre ocurre a nivel atómico. Los electrones de un átomo pueden a veces encontrarse más cerca de los protones de un átomo vecino que de sus electrones. Entonces la fuerza de atracción que se ejerce entre estas partículas cargadas es mayor que la fuerza de repulsión. Si la atracción total es lo bastante intensa, los átomos pueden unirse para formar moléculas. Las fuerzas químicas de enlace que unen a los átomos en moléculas son fuerzas eléctricas que se ejercen en pequeñas regiones en las que el equilibrio entre fuerzas de atracción y de repulsión es imperfecto. Resulta sensato que una persona que pretende estudiar química sepa algo de electricidad.

3.4 CONDUCTORES Y AISLANTES

Los electrones se mueven en unos materiales con más facilidad que en otros. Los electrones exteriores de los átomos de un metal no están ligados a ningún núcleo en particular sino que son libres de desplazarse por todo el material. Tales materiales son buenos conductores. Los metales son buenos conductores del movimiento de cargas eléctricas por la misma razón que son buenos conductores del calor: porque sus electrones mas externos están “sueltos”. Los electrones de otros materiales- como por ejemplo, el caucho y el vidrio- están ligados firmemente a sus átomos y permanecen en ellos. No tienen libertad para moverse a otros átomos del material. Tales materiales son malos conductores de la electricidad por la misma razón por la que, en general, son malos conductores del calor. Decimos que estos materiales son buenos aislantes. Podemos clasificar las sustancias en términos de su capacidad para conducir cargas eléctricas. A la cabeza de la lista se encuentran los conductores y al final los aislantes. Los extremos de la lista están muy apartados uno de otro. La conductividad de un metal, por ejemplo, puede ser mas de un millón de billones de veces superior a la conductividad de un aislante como el vidrio. En un cable de alta tensión, la carga puede recorrer cientos de kilómetros con mucha más facilidad que los pocos centímetros de material aislante que separan el cable de la torre que lo sostiene. Las cargas en el cable de alimentación de un aparato eléctrico común recorren varios metros de cable hasta el aparato, atraviesan sus circuitos eléctricos y regresan por el cable de

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retorno en vez de pasar directamente de un cable al otro atravesando el pequeñísimo espesor del aislante de caucho. El que clasifiquemos una sustancia como conductor o como aislante depende de cuan firmemente estén ligados los electrones a sus átomos. Algunos materiales, como el germanio y el silicio, son buenos aislantes cuando se encuentran en estado cristalino puro, pero su conductividad aumenta tremendamente cuando se sustituye un átomo de diez millones por una impureza que añade o extrae un electrón de la estructura cristalina. Podemos decir que estos materiales se comportan a veces como aislantes y a veces como conductores: los llamamos semiconductores. Los transistores, usados en una gran variedad de aplicaciones eléctricas, están hechos de varias capas delgadas de materiales semiconductores en sándwich. A temperaturas cercanas al cero absoluto, la conductividad de ciertos metales se hace infinita (es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero). Se trata de los superconductores. Desde 1987 se han descubierto varios compuestos no metálicos que presentan superconductividad a altas temperaturas (temperaturas superiores a 100K). Una vez establecida una corriente en un superconductor, los electrones fluyen durante un tiempo indefinido. En la actualidad los científicos investigan exhaustivamente varias explicaciones de este fenómeno.

3.5 CARGA POR FRICCION O POR CONTACTO.

Todos conocemos bien los efectos eléctricos que produce la fricción. Cuando acariciamos un gato oímos el crepitar de las chispas que se producen; cuando nos peinamos frente a un espejo en la oscuridad, vemos y oímos las chispas de electricidad. Podemos arrastrar los pies sobre una alfombra y sentir el cosquilleo al tocar la perilla de la puerta; y lo mismo ocurre cuando nos deslizamos sobre las cubiertas de plástico de los asientos de un auto estacionado. En estos dos casos se transfieren electrones por fricción al rozarse dos materiales. Los electrones pueden pasar de un material a otro por simple contacto. Cuando pone una barra cargada en contacto con un objeto neutro, parte de la carga se transfiere a éste. Este método de carga se llama simplemente carga por contacto. Si el objeto es buen conductor, la carga se distribuye sobre toda su superficie debido a la repulsión entre cargas del mismo signo. Si es un mal conductor puede ser preciso tocar diversos puntos del objeto con la barra a fin de obtener una distribución de carga más o menos uniforme.

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3.6 CARGA POR INDUCCION

Si acercamos un objeto cargado a una superficie conductora, sus electrones se moverán aun sin contacto físico. Considera dos esferas de metal aisladas, A y B. Las esferas no tienen carga y están en contacto de modo que juntas constituyen un conductor no cargado. Si se aproxima una barra con carga negativa a la esfera A los electrones del metal se ven rechazados por la barra y un excedente de carga negativa se desplaza a la esfera B, dejando a la esfera A con una carga positiva. La carga de las esferas se ha redistribuido. Decimos que se induce una carga en las esferas. Se han cargado por inducción. Como la barra cargada no las toca, conserva su carga inicial. Cuando tocamos con el dedo la parte cargada de una superficie metálica proporcionamos a las cargas que se repelen un camino conductor hacia un depósito casi infinito de carga eléctrica: la tierra. Cuando un conductor adquiere (o pierde) carga por contacto solemos decir que lo estamos poniendo a tierra. Durante una tormenta eléctrica se lleva a cabo un proceso de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva sobre la superficie de la tierra. Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho por medio de su experimento de la cometa, que le permitió mostrar que los rayos y relámpagos son un fenómeno eléctrico. Casi todos los rayos y relámpagos se deben a descargas eléctricas entre dos regiones de una nube con cargas contrarias, pero los que nos son mas conocidos son los rayos que se deben a descargas eléctricas entre las nubes y la tierra, de carga opuesta. Franklin también descubrió que la carga se escapa por los objetos puntiagudos y así construyo el primer pararrayos. Si se coloca el pararrayos en lo alto de una estructura que esta puesta en la tierra, la carga se escapa en vez de acumularse por inducción. El flujo continuo de carga evita que esta se acumule y produzca descargas repentinas entre la nube y la tierra. Así pues, el objetivo principal de un pararrayos es prevenir que se produzca una descarga eléctrica. Si, por alguna razón, la cantidad de carga que escapa es insuficiente y se produce un rayo, este es atraído por el pararrayos, que conduce la carga a tierra evitando así daños a la estructura.

3.7 POLARIZACION DE LA CARGA

El proceso de carga por inducción no es privativo de los conductores. En un aislante no hay electrones libres que puedan desplazarse por el material en presencia de una barra cargada. Lo que ocurre, más bien, es que alteran las posiciones de las cargas dentro de los propios átomos y moléculas. Por inducción, un lado del átomo o molécula se hace ligeramente mas positivo (o negativo) que el otro. Decimos entonces que el átomo o molécula esta

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eléctricamente polarizado. Si, por ejemplo, la barra es negativa, el lado positivo del átomo o molécula se orienta hacia la barra y el lado negativo se aleja de elle. Todos los átomos que están cerca de la superficie se orientan de esta manera. Esto permite explicar por qué un objeto cargado puede atraer trocitos de papel neutros. Las moléculas de papel se polarizan; los lados de las moléculas cuya carga es contraria a la del objeto están más cerca de éste. La proximidad prevalece y los trocitos de papel experimentan una fuerza total de atracción. A veces se adhieren al objeto cargado y luego salen despedidos repentinamente. Esto indica que se han cargado por contacto: los trocitos de papel adquieren una carga del mismo signo que la del objeto y experimenta una fuerza de repulsión. Si frotas un globo inflado en tu cabello, adquiere una carga. Si ahora lo pones junto a un muro, se adhiere. Esto se debe a que la carga del globo induce en el muro una carga superficial de signo contrario. La proximidad prevalece ya que la carga del globo esta un poco mas cerca de la carga contraria inducida que la carga del mismo signo. Muchas moléculas – como, por ejemplo, la del H2O- están eléctricamente polarizadas en su estado normal. La distribución de la carga no es perfectamente homogénea. Hay un poco mas de carga negativa a un lado de la molécula que del otro. Decimos que la molécula es un dipolo eléctrico.

4. CAMPO Y POTENCIAL ELECTRICOS

El espacio que rodea a un imán potente es distinto de como seria si el imán no estuviese allí. Coloca una aguja en dicho espacio y veras que se mueve. El espacio que rodea a un hoyo negro es distinto de como seria si el hoyo negro no estuviese allí. Colócate en dicho espacio y no vivirás para contarlo. De manera análoga, el espacio que rodea a una concentración de carga eléctrica es diferente de como seria si la carga no estuviese allí. Si te paseas junto a la esfera cargada de una maquina electrostática -por ejemplo, de un generador de Van de Graaff - puedes sentir la carga. El vello de tu cuerpo se eriza; solo un poco si te encuentras a mas de un metro de distancia del aparato y más si te acercas a él. El espacio que rodea a cada uno de estos objetos- el imán, el hoyo negro y la carga eléctrica- se ve alterado; decimos que contiene un campo de fuerza.

4.1 CAMPO ELECTRICO

El campo de fuerza que rodea a una masa es un campo gravitacional. Si lanzas al aire una pelota, esta describe una trayectoria curva. Los centros de gravedad están bastante alejados, así que se trata de una “acción a distancia”. La idea de que dos objetos que no estaban en contacto pudiesen ejercer fuerzas uno sobre el otro incomodaba a Isaac Newton y a muchos otros. El

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concepto de campo de fuerza elimina el factor distancia. La pelota está continuamente en contacto con el campo. Podemos decir que la trayectoria de la pelota se curva porque interactúa con el campo gravitacional de la Tierra. Es usual, considerar que los cohetes y las sondas espaciales lejanas interactúan con campos gravitacionales y no con las masas de la tierra y otros cuerpos astronómicos que dan lugar a dichos campos. Del mismo modo en que el espacio rodea a la tierra o a cualquier otra masa está lleno de un campo gravitacional, el espacio que rodea a toda la carga eléctrica esta lleno de un campo eléctrico: una especie de aura que se extiende por el espacio. Una fuerza gravitacional mantiene a un satélite en orbita alrededor de un planeta y una fuerza eléctrica mantiene a un electrón en orbita alrededor de un protón. En ambos casos no hay contacto entre los objetos, por lo que las fuerzas “actúan a distancia”. En términos del concepto de campo podemos decir que el satélite y el electrón interactúan con los campos de fuerza del planeta y del protón, y que siempre están en contacto con dichos campos. Podemos describir la fuerza que ejerce una carga eléctrica sobre otra como la interacción entre una carga y el campo eléctrico de la otra. El campo eléctrico tiene tanto magnitud como dirección. Su magnitud o intensidad puede medirse a partir del efecto que produce sobre las cargas que se encuentran en su dominio. Imagina una pequeña “carga de prueba” positiva en un campo eléctrico. Allí donde sea mayor la fuerza que se ejerce sobre la carga de prueba, el campo será débil. * Por convención, la dirección del campo eléctrico en un punto cualquiera es la dirección de la fuerza eléctrica que se ejerce sobre una pequeña carga de prueba positiva ubicada en el punto considerado. Así pues, la carga que produce el campo es positiva, el campo apunta hacia fuera de la carga. Si la carga que produce el campo es negativa, el campo a punta hacia esa carga.

4.2 LINEAS DE CAMPO ELECTRICO

Dado que el campo eléctrico tiene tanto magnitud como dirección, se trata de una cantidad vectorial que puede representarse por medio de un vector. Una partícula de carga negativa está rodeada de vectores dirigidos hacia adentro. (Si la partícula tuviese carga positiva los vectores estarían dirigidos hacia fuera. Los vectores que apuntan siempre en la dirección de la fuerza

• la intensidad del campo eléctrico es una medida de la fuerza que se ejerce sobre una pequeña carga

de prueba. (la carga de prueba debe ser lo bastante pequeña para no ejercer una fuerza capaz de mover la carga original alterándole campo que queremos medir). Si un punto del espacio ejerce una fuerza F sobre una carga de prueba q, el campo eléctrico E en dicho punto es:

E = F / q

La intensidad del campo eléctrico puede medirse en unidades de newton por coulomb (N/C) de manera equivalente, Volts por metro (V/m).

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que ejercería sobre una carga de prueba positiva). La longitud de los vectores indica la magnitud o intensidad del campo. El campo eléctrico es mas intenso en los puntos en que los vectores son largos que en aquellos en que los vectores son cortos. Si quisieras representar la totalidad de un campo eléctrico por medio de vectores tendrías que trazar un vector en cada uno de los puntos del espacio que rodea la carga. ¡ El diagrama seria completamente ilegible!. Una forma mas útil de representar el campo eléctrico es usando líneas de campo eléctrico, también llamadas líneas de fuerza. El campo es débil en los puntos en que las líneas están más separadas. Las líneas correspondientes a una sola carga se prolongan hasta el infinito, mientras que para dos o mas cargas opuestas las líneas emanan de una carga positiva y terminan en una negativa. Si nuestro interés por las fuerzas eléctricas se restringiese a la fuerza que produce una carga puntual aislada, el concepto de campo eléctrico seria de utilidad limitada. La fuerza entre dos cargas puntuales esta descrita por la ley de Coulomb. Pero en la mayoría de los casos las cargas se extienden sobre una variedad de superficies. Además, las cargas se mueven. Este movimiento se transmite a las cargas vecinas por medio de cambios en el campo eléctrico.

Campo eléctrico: Cargas iguales (intensidad) y de carga opuestas.

Campo eléctrico: Cargas iguales (intensidad) y de igual carga.

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4.3 ENERGIA POTENCIA ELECTRICA

Recuerda la relación que existe entre el trabajo y la energía potencial. Se realiza trabajo cuando una fuerza desplaza a un objeto en la dirección de la fuerza. Un objeto posee energía potencial en virtud de suposición, digamos, en un campo de fuerza. Por ejemplo, si levantas un objeto, le aplicas fuerza igual a su peso. Cuando lo elevas a cierta distancia, realizas trabajo sobre el. También incrementas su energía potencial gravitacional. Cuanto mayor sea la elevación, mayor será el aumento en la energía potencial gravitacional. La realización de trabajo sobre el objeto hace aumentar su energía potencial gravitacional. De manera análoga, un objeto cargado puede tener energía potencial en virtud de su posición en un campo eléctrico. Del mismo modo en que se requiere trabajo para levantar un objeto contra el campo gravitacional de la tierra, se requiere trabajo para desplazar una partícula cargada contra el campo eléctrico de un cuerpo con carga. (quizás sea mas difícil de visualizar, pero la física es la misma en el caso gravitacional y en el caso eléctrico.) La energía potencial eléctrica de una partícula cargada aumenta cuando se realiza trabajo sobre ella para moverla contra el campo eléctrico de algún otro objeto cargado. Imagina una pequeña carga positiva ubicada a cierta distancia de una esfera cargada positivamente. Si aproximas la carga pequeña a la esfera inviertes energía para vencer la repulsión eléctrica. Del mismo modo en que se hace trabajo al comprimir un resorte, se hace trabajo al empujar la carga contra el campo eléctrico de la esfera. Dicho trabajo es equivalente a la energía que adquiere la carga. La energía que ahora posee la carga en virtud de su posición en el campo eléctrico se conoce como energía potencial eléctrica. Si dejas ir la carga, se acelerara alejándose de la esfera y su energía potencial eléctrica se transformara en energía cinética.

4.4 POTENCIAL ELECTRICO

Si en el análisis anterior empujamos dos carga en vez de una sola, realizaremos el doble de trabajo. Dos cargas en la misma posición tienen dos veces mas energía potencial eléctrica que una sola; tres cargas tendrán el triple de energía potencial; un grupo de diez cargas tendrá diez veces mas energía potencial, y así sucesivamente. En vez de ocuparnos de la energía potencial total de un grupo de cargas, es conveniente, cuando se trabaja con electricidad, considerar la energía potencial eléctrica por unidad de carga. La energía potencial eléctrica por unidad de carga es igual al cociente de la energía potencial eléctrica total de la cantidad de carga. La energía potencial por unidad de carga- sea cual sea la cantidad de carga- es la misma en cualquier punto. Por ejemplo, un objeto con diez unidades de carga en un punto dado posee una energía diez veces

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superior a la de un objeto con una sola unidad de carga. Pero también tiene una carga diez veces mayor, de modo que la energía potencial por unidad de carga es la misma. El concepto de energía potencial eléctrica por unidad de carga tiene un nombre especial: potencial eléctrico. Potencial eléctrico = energía potencial eléctrica

Carga

La unidad del Sistema internacional que mide el potencial eléctrico es el volt, así llamado en honor del físico italiano Alessandro Volta (1745-1827). El símbolo de volt es V. Puesto que la energía potencial se mide en joules y la carga en coulombs,

1 volt = 1 joule

coulomb Así pues, un potencial de 1 volt es igual a 1 joule de energía por coulomb de carga; 1000 volts equivalen a 1000 joules de energía por coulomb de carga. Si un conductor tiene un potencial de 1000 volts, se requerirán 1000 joules de energía por coulomb para atraer una pequeña carga desde una posición muy alejada y añadirla a la carga del conductor.* (Como una carga pequeña sería mucho menor que un coulomb, la energía necesaria sería mucho menor que 1000 joules. Por ejemplo, para añadir una carga de un protón, es decir, de 1.6 x 10-19 C, se requeriría una energía de sólo 1.6 x 1016 J.)

Como el potencial eléctrico se mide en volts, se le suele llamar voltaje. El significado del voltaje es que se puede asignar un valor bien definido de esta cantidad a una posición, haya o no haya cargas ocupándola. Podemos hablar de los voltajes en distintas posiciones de un campo eléctrico, haya o no haya cargas en dichas posiciones.

Si te frotas un globo en el cabello, el globo adquiere una carga negativa que produce un potencial de, quizá, ¡varios miles de volts! Si la carga del globo fuese de un coulomb se requerirían varios miles de joules de energía para proporcionarle tal voltaje. Sin embargo, un coulomb es una cantidad de carga relativamente grande; típicamen te, la carga de un globo frotado en el cabello es mucho menor que un millonésimo de coulomb. Por lo tanto, la cantidad de energía asociada con el globo cargado es mucho muy pequeña: de alrededor de un milésimo de joule. Se requiere una gran cantidad de

* es costumbre asignar un potencial eléctrico igual a cero a los puntos que se encuentran a una distancia infinita de toda carga. Como veremos en el siguiente capitulo, en el caso de una corriente eléctrica se asigna el valor cero al potencial de tierra.

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energía para producir un voltaje elevado sólo cuando interviene una gran cantidad de carga. Este ejemplo resalta la diferencia entre la energía potencial eléctrica y el potencial eléctrico.

4.5 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Se puede almacenar energía eléctrica por medio de un dispositivo muy común, conocido como capacitor o condensador. Casi todos los circuitos electrónicos tienen condensadores. En los computadores se usan capacitores de baja energía como conmutadores de encendido y apagado. La unidad de flash de una cámara fotográfica tiene un condensador que almacena lentamente una gran cantidad de energía y luego la libera rápidamente al emitir el destello. Análogamente, aunque a una escala mucho mayor, algunos laboratorios de investigación poseen láseres gigantescos en cuyos bancos de capacitores almacenan cantidades enormes de energía.

El condensador más sencillo consiste simplemente en un par de conductores separados por una distancia pequeña y que no están en contacto. Cuando se conectan las placas a un dispositivo de carga como una batería se transfiere carga de una a otra placa.

Resumen de conceptos

1. Alrededor de una carga eléctrica el espacio está lleno de un campo eléctrico.

2. La intensidad máxima del campo se da en los puntos en los que ejercería la máxima fuerza eléctrica sobre una carga de prueba.

3. La dirección del campo en un punto cualquiera es la dirección de la fuerza eléctrica que se ejercería sobre una carga de prueba positiva.

4. El campo eléctrico puede representarse por medio de líneas de campo eléctrico.

5. El campo eléctrico dentro de un conductor es cero; cualquier carga estática en el conductor reside en la superficie exterior.

6. El campo eléctrico es un almacén de energía.

7. Un objeto cargado tiene energía potencial eléctrica en virtud de su posición en un campo eléctrico,

8. El potencial eléctrico, o voltaje, en un punto cualquiera de un campo eléctrico es igual a la energía potencial eléctrica por unidad de carga que tendría un objeto en dicho punto.

9. Un condensador es un dispositivo para almacenar carga y energía.

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4.6 CORRIENTE ELÉCTRICA

Ahora mostraremos que el voltaje es una especie de “presión eléctrica” capaz de producir un flujo de carga, es decir, una corriente, dentro de un conductor. El flujo de carga se ve obstaculizado por la resistencia que encuentra. Cuando el flujo se lleva a cabo en una sola dirección decimos que se trata de una corriente directa o continua (cd); cuando el flujo va y viene decimos que se trata de una corriente alterna (ca). La razón de cambio en la transferencia de energía de una corriente eléctrica es la potencia. Notarás que hay muchos términos por desentrañar. Esta tarea es más sencilla (y más significativa “espero”) si se entienden las ideas que estos términos representan. Las ideas, a su vez, se entienden más fácilmente si sabemos cómo se relacionan entre sí. Comencemos por el flujo de carga eléctrica.

4.7 FLUJO DE CARGA

El calor fluye por un conductor cuando hay una diferencia de temperatura entre sus extremos. El flujo va del extremo de mayor temperatura al extremo de menor temperatura. Cuando las temperaturas de los extremos son iguales, el flujo se detiene.

De manera análoga, cuando los extremos de un conductor de electricidad están a potenciales eléctricos distintos, se inicia un flujo de carga que va del extremo de mayor potencial al de menor potencial. La carga fluye cuando hay una diferencia de potencial (voltaje) entre los extremos de un conductor. El flujo de carga se mantiene hasta que los extremos del conductor alcanzan el mismo potencial. Si no hay diferencia de potencial, no hay flujo de carga.

Si queremos obtener un flujo de carga constante en un conductor, precisamos algún dispositivo especial que permita mantener la diferencia de potencial mientras la carga fluye de un extremo al otro. Esta situación es análoga a la de un flujo de agua desde un depósito elevado hacia un depósito bajo. El agua fluye por la tubería que une los depósitos sólo en tanto exista una diferencia en los niveles de agua.

El agua, como la carga en el alambre que conecta el generador de Van de Graaff a tierra, deja de fluir por la tubería cuando las presiones de los extremos se igualan. Para que el flujo sea continuo es preciso mantener la diferencia en los niveles de agua por medio de algún tipo de bomba. Así, la diferencia en las presiones del agua será constante y el flujo de agua también. Lo mismo ocurre en el caso de la corriente eléctrica.

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5.0 CORRIENTE ELECTRICA

La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica. En un conductor sólido son los electrones los que transportan la carga por el circuito. Esto se debe a que los electrones pueden moverse libremente por toda la red atómica. Estos electrones se conocen como electrones de conducción. Los protones, por su parte, están ligados a los núcleos atómicos, que se encuentran más o menos fijos en posiciones determinadas. Pero en los fluidos, el flujo de carga eléctrica puede deberse tanto a los electrones como a iones positivos y negativos.

La corriente eléctrica se mide en amperes, cuyo símbolo es A*. Un ampere equivale a un flujo de un coúlomb de carga por segundo. (Recuerda que un coulomb, la unidad de carga, es la carga eléctrica de 6.25 millones de billones de electrones.) Por ejemplo, si un cable transporta una corriente de 5 amperes, por toda la sección transversal del cable pasa una carga de 5 coulombs cada segundo. ¡El número de electrones es grandísimo! Si el cable transporta una corriente de 10 amperes, el número de electrones que pasan cada segundo por una sección transversal cualquiera se duplica.

Advierte que la carga total de un cable que transporta una corriente es cero. Los electrones, de carga negativa, fluyen por la red atómica, compuesta de núcleos atómicos de carga positiva. En condiciones normales, el número de electrones del cable es igual al número de protones de todos los núcleos atómicos. Así que la carga total del cable es normalmente cero en todo momento.

5.1 FUENTES DE VOLTAJE

La carga no fluye a menos que haya una diferencia de potencial. Si deseamos obtener una corriente continua precisamos una “bomba de electricidad” adecuada que mantenga la diferencia de potencial. Todo dispositivo que suministre una diferencia de potencial se llama fuente de voltaje. Si proporcionas carga positiva a una esfera metálica y carga negativa a otra puedes obtener un voltaje elevado entre ellas. Pero esta fuente de voltaje no sirve como bomba de electricidad porque si las conectamos por medio de un conductor, sus potenciales se hacen iguales en una sola y breve ráfaga de cargas en movimiento. No resulta práctica. Por otro lado, las celdas secas, las celdas húmedas y los generadores* sí son capaces de mantener un flujo constante. (Una batería no es otra cosa que dos o más celdas interconectadas.)

Las celdas secas, las celdas húmedas y los generadores suministran energía que permite que las cargas se muevan. En las celdas secas y en las celdas

* El símbolo del ampere en el Sistema Internacionales A.

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húmedas, la energía de una reacción química que se lleva a cabo en el interior de la celda se convierte en energía eléctrica.* Los generadores transforman la energía mecánica en energía eléctrica. La energía potencial eléctrica, sea cual sea el método empleado en su producción, está disponible en las terminales de la celda o generador. La energía potencial por cada coulomb de carga que adquieren los electrones que se mueven de una terminal a otra es la fuerza electromotriz, o fem, del dispositivo. El término fuerza electromotriz no es más que otra forma de llamar a la diferencia de potencial (voltaje), que suministra la “presión eléctrica” que impulsa a los electrones de una terminal a otra a través de un circuito.

Las plantas de electricidad emplean generadores eléctricos para suministrar los 220 volts de los enchufes de nuestras casas. Cuando insertamos las patas de un enchufe en la toma de corriente se establece una “presión” eléctrica de 220 volts entre los extremos del circuito conectado al enchufe. Esto significa que se suministra una energía de 220 joules a cada coulomb de carga que fluye en el circuito.

A menudo hay cierta confusión entre la carga que fluye por un circuito y el voltaje aplicado entre los extremos del circuito. A fin de establecer la diferencia entre estos conceptos, piensa en una larga tubería llena de agua. El agua fluye por la tubería si hay una diferencia de presión entre los extremos de la tubería. Es el agua la que fluye, no la presión. Análogamente, decimos que las cargas fluyen por el circuito en virtud del voltaje aplicado entre los extremos de dicho circuito.* No decimos que el voltaje fluye por un circuito. El voltaje no va a ninguna parte, pues son las cargas las que se desplazan. El voltaje produce una corriente.

5.2 RESISTENCIA ELECTRICA

La cantidad de corriente que fluye por un circuito depende del voltaje suministrado por la fuente de voltaje. También depende de la resistencia que opone el conductor al flujo de carga, o sea, de la resistencia eléctrica. La situación es similar a la razón de paso de flujo de agua en una tubería, que no sólo depende de la presión del agua, sino de la resistencia que opone la propia tubería. La resistencia de un cable depende de la conductividad del material de que esté hecho (es decir, de qué tan bien conduce la electricidad), así como del espesor y la longitud del cable.

* Casi cualquier texto de química contiene una descripción de las reacciones químicas que se llevan a cabo en el interior de las celdas secas y las celdas húmedas.

* Desde el punto de vista conceptual es más fácil decir que una corriente fluye por el circuito, pero no lo digas así en presencia de una persona quisquillosa en cuestiones de gramática, pues la expresión “una corriente fluye” es redundante. Es más correcto decir que la carga fluye, lo que constituye una corriente.

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La resistencia eléctrica es menor en un cable grueso. Desde luego, cuanto más largo sea el cable mayor será su resistencia. La resistencia eléctrica depende además de la temperatura. Cuanto más vigorosa sea la agitación de los átomos dentro del conductor, mayor será la resistencia que éste oponga al flujo de carga. En la mayoría de los casos, un aumento en la temperatura se traduce en un aumento en la resistencia del conductor.** Algunos materiales pierden toda resistencia a muy bajas temperaturas. Se trata de los superconductores.

La resistencia eléctrica se mide en unidades llamadas ohms***, en honor a Georg Simon Ohm, físico alemán que empleó distintos tipos de cable en diversos circuitos para determinar qué efecto producía la resistencia del cable en la corriente.

5.3 LEY DE OHM

Ohm descubrió que la cantidad de corriente que pasa por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. En notación compacta:

I (corriente) = V (voltaje)

R (resistencia)

Esta relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia se conoce como ley de Ohm.*

** El carbono es una interesante excepción. A temperaturas elevadas, los electrones se desprenden de los átomos de carbono, incrementando así la corriente eléctrica. El efecto es que la resistencia del carbono se reduce al aumentar la temperatura. Este comportamiento, además de su elevada temperatura de fusión, explica por qué se emplea el carbono en la construcción de lámparas de arco.

*** En general se usa la letra griega omega (Ω) como símbolo del ohm.

* En muchos textos el voltaje se denota con V, la corriente con I y la resistencia con R; la ley de Ohm se expresa entonces así: V = IR. De aquí se deduce que I = WR, o bien, R = V/ I, así que, conociendo dos cualesquiera de las variables podemos determinar la tercera.

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Referencias:

Biofísica y Fisiología Celular. R. Latorre, J.López-Barneo, F.Bezanilla, R. Llinás. Editorial Universidad de Sevilla, España (1996).

Física Conceptual (Fracmentos). Paul G. Hewitt. Addison-Weslwy Iberoamericana. (1995). Fundamentos de la Física Moderna. G.Holton, D.Roller. Editorial Reverté. (1963).