Monografias.com > Sin categoría
Descargar Imprimir Comentar Ver trabajos relacionados

Física Eléctrica para tecnología de las energías. Tecnología de control (página 2)



Partes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

1.1-3 Interacciones Fuertes

También conocidas con
el nombre de interacciones nucleares, que
son las responsables de que los nucleones (protones y neutrones) se mantengan
dentro del núcleo atómico.

Su conocimiento es aún
incompleto.

1.1-4 Interacciones Débiles

Son el resultado de
interacciones entre partículas fundamentales. Tal como las radiaciones beta,
alfa. Su conocimiento es aún escaso.

1.1-5 Relaciones de magnitud

Es interesante
relacionar de un modo cuantitativo la intensidad  relativa de cada fuerza. Si tomamos a una de
ellas relativamente con valor uno (1):

Interacciones fuertes=1

Interacciones
electromagnéticas=10-2

Interacciones
débiles=10-5

Interacciones
gravitacionales=10-38

1.1-6 Analogías entre interacciones

Para el mejor
reconocimiento y conceptualización de las interacciones se hace imprescindible
tener presente algunos conceptos de física mecánica y matemática referidos a
fuerzas y representación y operaciones con vectores. Para actualizar y
recomponer estos conocimientos en   el
apéndice aparecen los mismos a tener en cuenta.

1.1-7 Campos

Para describir estas
interacciones se introduce el concepto de campo.

Un campo es una
función del espacio y tiempo que asigna un valor de una propiedad física a cada
punto de una región del espacio.

Si el valor asignado
es un escalar (número real o
complejo) se llama campo escalar (temperatura
de una habitación).

Si el valor asignado
es un vector (magnitud, dirección y
sentido definido generalmente por tres componentes en un sistema de referencia)
se llama campo vectorial (campo
gravitatorio de un planeta).

 Aun cuando el o los campos tengan
características no visibles, su acción puede ponerse de manifiesto mediante las
denominadas líneas, cuyas
direcciones coinciden con las acciones por él producidas. Su reconocimiento es
de gran utilidad cuando se desea encontrar los resultados de las interacciones.

experimentos de frotamiento podemos apreciar una nueva interacción, además de
la reconocida, interacción gravitacional como sigue:

Si frotamos un peine
contra nuestro pelo, se observará que aquél atraerá pedacitos de papel.  A
menudo la fuerza de atracción es lo suficientemente fuerte como para mantener
suspendidos los pedacitos de papel.  El mismo efecto ocurre al frotar
otros materiales, tales como vidrio o el caucho.

Podemos concluir que,
como resultado del frotamiento éstos materiales adquieren  una nueva propiedad que llamaremos electricidad (proveniente del vocablo
griego elektron que significa
ámbar).

Hay además, del hecho
de que esta interacción es mayor que la interacción gravitacional, existen
otros diferencias de mayor relevancia.

Para demostrar este
hecho, considérese que se frota una barra dura de caucho contra una piel y a
continuación se suspende de un hilo no metálico, como se muestra en la fig.
1.2-1.  Cuando una barra de vidrio frotada con una tela de seda se acerca
a la barra de caucho, ésta será atraída hacia la barra de vidrio.Efecto de atracción.fig. 1.2-1a.  Por otro
lado, si dos barras de caucho  (o bien
dos barras de vidrio) se aproximan una a la otra, como se muestra en
Fig.1.2-1b., la fuerza entre ellas será de repulsión.Efecto de repulsión.  Esta observación
demuestra que el caucho y el vidrio se encuentran en dos estados de
electrizacación diferentes.  Con base en estas observaciones, podemos
concluir, mientras la interacción gravitacional es siempre atractiva, la
interacción eléctrica puede ser atractiva o repulsiva.

Dos cuerpos con la
misma clase de electrización se repelen, pero si tienen diferentes clases de
electrización se atraen.

Figura
1.2-1

Figura 1.2-1 a). La barra de caucho
cargada negativamente, suspendida por un hilo, es atraída hacia la barra de
vidrio cargada positivamente.  Fig. 1.2-1b).  La barra de caucho
cargada negativamente es repelida por otra barra de caucho cargada
negativamente.

A partir de los
modelos propuestos por Benjamín Franklin (1706 – 1790) resulta que a la clase
de electrización se denomina carga
eléctrica,
por lo tanto existen dos tipos de cargas eléctricas denominadas carga eléctrica positiva y carga eléctrica negativa.

Simbolizadas por la
letra q o Q.

Otro aspecto
importante del modelo de Franklin de la interacción eléctrica es la conclusión
de que la carga eléctrica siempre se conserva.  Esto es, cuando se frota
un cuerpo contra otro no se crea carga en el procesoEl estado de
electrización se debe a la transferencia de carga de un cuerpo a otro. 
Por lo tanto, un cuerpo gana cierta cantidad de carga negativa mientras que el
otro gana la misma cantidad de carga positiva. A partir de los modelos
propuestos por Ernest Rutherford (1.871-1.937) 
y posteriormente por  Joseph
Thomson (1.856-1940), en 1.907 se da a conocer el modelo del átomo elemental
como una carga positiva llamada protón
que conforma el núcleo, conjuntamente con algunas partículas elementales, como
el neutrón,  con carga eléctrica nula y
una carga negativa, en movimiento, en una orbita definida llamada electrón.

Un átomo es siempre neutro, esto es, debe contener el mismo número de protones que electrones. En
1909, Robert Millikan (1886-1953) demostró que la carga eléctrica siempre se
presenta como algún múltiplo entero de la unidad  de carga del electrón -e. En términos modernos, se dice que la carga Q está cuantificada. Esto es, la carga eléctrica existe como
paquetes discretos. 

 Entonces, podemos escribir

                                Q = N x e          

N = un numero entero

e  = carga eléctrica asignada al electrón.

 

1.2-2 Unidades
de la carga eléctrica

Se debe recordar que
el símbolo  indica la unidad  de la variable colocada en su interior. 

 En el sistema internacional (S.I)

                                        

La unidad de carga
eléctrica esta fijada y se la llama coulomb
(culombio)
, y se la designa por el símbolo 
C. Esta unidad resulta de la
definición del Amper como unidad de
corriente eléctrica (posterior tema de estudio).Surge de mediciones realizadas
que:

                                           e =
1.6021 x 10-19 C

Donde e se designa la
carga eléctrica de un electrón.

En consecuencia  la carga eléctrica posee las  propiedades siguientes:

1. Existen dos clases
de cargas en la naturaleza, con la propiedad de que cargas diferentes se atraen
y cargas iguales se repelen.

2. La carga se
conserva.

3. La carga está
cuantificada.

1.2-3 Cargas puntuales y distribuciones de cargas

Cuando se trabaja con
partículas cargadas como electrones protones o iones, se puede considerar
dichas cargas como puntuales, es decir la carga concentrada en un punto
geométrico del espacio.

Pero a nivel
microscópico la carga de un electrón no se pone de manifiesto. Por ejemplo una
carga de corresponde a electrones. Podemos por lo tanto considerar que las
cargas  están microscópicamente
distribuidas  de forma continua (muy
cerca una de otra) y manejar elementos diferenciales de carga (), siempre que se cumpla la condición de cuantificación. Esto
es:     

Dicha carga puede
estar repartida a lo largo de una dimensión o hilo se designa como densidad lineal de carga simbolizada
con (letra griega landa).Con lo cual un elemento diferencial de
hilo () contiene un elemento resultando

                                        

Con unidades en el SI.
Recordar que la simbología con la variable correspondiente indica unidad de la variable.

                                      

Si la carga esta
distribuida en forma continua sobre una superficie o lámina se designa como densidad superficial de cargas simbolizada
con(letra griega sigma).Análogamente resulta

                              

Con unidades en el SI

                           

De la misma forma se
puede definir densidad volumétrica de
carga
y simbolizada con(letra griega ro) como

                                        

Con unidades en el SI

                          

1.2-4 Aislantes y conductores eléctricos

Una vez que un cuerpo
ha adquirido una carga eléctrica neta, lo que luego suceda es lo que divide a
los cuerpos en dos grupos fundamentales para su uso y tecnología: aislantes
eléctricos y conductores eléctricos.

Aislante eléctrico o dieléctrico.

Estos cuerpos
idealmente no permiten la movilidad de los portadores de carga.

La carga neta en un
aislante permanece en la zona en donde se la colocó inicialmente.

Ejemplos: aire,
vidrio, madera, plásticos, porcelanas etc.

Conductor eléctrico

Estos permiten la
movilidad de las cargas por todo el cuerpo. En un periodo de tiempo muy corto
la carga eléctrica neta se mueve hacia toda la superficie del cuerpo, que
inicialmente no estaba allí y distribuye sobre toda la misma.

Es decir en un
conductor eléctrico en equilibrio electrostático (en el punto siguiente se
define el término) la carga neta se distribuye uniformemente sobre toda su
superficie, quedando eléctricamente neutro el interior.

Ejemplos: los metales

 

                        

En la parte a de la
figura se coloca neta negativa en el interior de un conductor esférico.       

En la parte b la carga
neta se desplazó hacia la superficie del conductor

1.2.5 Ley de Coulomb

La interacción
electrostática esta dada por la ley de Coulomb. Charles de Coulomb
(1.736-1.806).

Electrostática.  Estudio de las cargas  eléctricas en reposo

La palabra estática
significa "en reposo". 

En 1785, Coulomb
estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas
estáticas cargadas. 

Las fuerzas eléctricas
entre objetos cargados eléctricamente fueron medidas por Coulomb utilizando la
balanza de torsión, diseñada por él.  Por medio de este aparato, Coulomb
confirmó que la fuerza eléctrica entre dos pequeñas esferas cargadas es
proporcional (símbolo que indica proporcional) al producto de las cargas eléctricas
q1 y q2 las 
partículas y a la inversa del cuadrado de la distancia que las separa,
medida a lo largo de la línea recta que las une, es decir:

                                                      
           

La medición la realizó
con "la balanza de torsión" que es el mismo dispositivo usado por Cavendish
(1.731 – 1.810) para medir la constate de gravitación, remplazando los cuerpos
con masa por esferas cargadas.  La fuerza eléctrica entre las esferas
cargadas produce una torsión en la fibra de suspensión.  Como el momento
de una fuerza de restitución de la fibra es proporcional al ángulo que describe
al girar, una medida de este ángulo proporciona una medida cuantitativa de la
fuerza eléctrica de atracción o repulsión.  Si las esferas se cargan por
frotamiento, la fuerza eléctrica entre las esferas es muy grande comparada con
la atracción gravitacional;  por lo que se desprecia la fuerza
gravitacional.

La fuerza es atractiva
si las cargas son de signos opuestos, y repulsiva si las cargas son del mismo
signo. A partir de estas observaciones podemos expresar matemáticamente  la fuerza eléctrica entre las dos cargas
estáticas como:

                                                 
          

La
fuerza eléctrica es una fuerza central y conservativa con todas las
consecuencias que esta condición trae aparejada.

Vector  d

 

                                        +q1                                                          
+q2                                                                                                                                       

Vector F

 

Vector F

 

 

 

Obsérvese que en la
región fuera de las láminas el campo eléctrico es nulo. Pero en la región entre
láminas los campos eléctricos tienen la misma dirección y sentido, por lo que
la intensidad del campo resultante es el doble que el de una sola lámina ver
punto anterior :  

                                          

Simplificando

                                                                

1.3 Potencial eléctrico

1.3-1 
Introducción

Este punto
trata s realiza un tratamiento del campo eléctrico en forma escalar que aporta
una mejor compresión de los fenómenos relacionados con los campos
electrostáticas y una nueva herramienta para la resolución de problemas, la
energía eléctrica.

Cuando se
levanta un cuerpo de la superficie terrestre, el cuerpo adquiere una propiedad
que antes no poseía, llamada como se sabe, energía potencial gravitatoria. Esto
es se debe aplicar una fuerza externa al cuerpo para mantenerlo en dicha
posición.

Del mismo
modo puede justificarse que para que una carga eléctrica permanezca en reposo en una región donde exista un
campo eléctrico, de ejercerse sobre ella una fuerza externa opuesta a la fuerza electrostática

1.3-2  Energía  potencial eléctrica (  )

Se pretende evaluar el trabajo (  ) necesario para
desplazar una carga electrica puntual o de prueba desde el punto a al b, en una
región donde exista un campo eléctrico , es evidente que en dicha región debe existir al menos una
carga eléctrica .

Debe recordarse revisando el
apéndice que el trabajo realizado por 
una fuerza esta definido por

                                      

                        bucle1.gif (881 bytes)

Donde:      = fuerza en cuestión

                  = vector desplazamiento

 

Además

                                                    

 

                = ángulo entre la fuerza y el desplazamiento

La única fuerza que
existe es la fuerza eléctrica creada por un campo eléctrico   

   

                  

                                         

Por lo  que debo realizar una fuerza igual y opuesta
para mover la carga en dicha región.

                         

Su módulo vale

                                     

Remplazando en  y suponiendo que el
desplazamiento es (diferencial de longitud) 
resulta:

                                                   

 

De la figura 18          

Pero de        donde  representa la distancia en la dirección del campo eléctrico

 

                                               

 

 El trabajo total para desplazar una carga
eléctrica desde el punto A, a otro punto B de la región vale la sumatoria
(integral) de todos los

 

                                                                                      

 

 Resolviendo la integral resulta

 

           

 

Obviamente  esto será el trabajo realizado por la fuerza  para trasladar la
carga eléctrica de prueba desde el punto a hasta el punto b en la región donde
existe el campo eléctrico

La unidad de dicho
trabajo es: Joule (J)

Pero dado que la
fuerza eléctrica es conservativa se tiene el trabajo realizado sobre  una trayectoria cerrada es nulo, esto es

 

                                                 
  

 

Por la cual siempre
existe una función escalar, ya que solo depende de las coordenadas de los
puntos inicial y final de la trayectoria, llamada función potencial.

A dicha función se la
denomina  energía potencial eléctrica
(), tal que se
cumple:

                                      

 

Donde                  

 

Remplazando
en la ecuación   resulta

 

                                                       

 

Revisando las
ecuaciones  y se puede escribir el concepto: Si
se toma la referencia de energía potencial eléctrica  nula en
el infinito, es decir la carga que
produce el campo eléctrico está a una distancia r muy alejada de la región (r infinito), la energía potencial  eléctrica en un punto de la región es el
trabajo necesario para traer una carga eléctrica desde el infinito hasta dicho
punto.

1.3-3  Potencial
electrostático o tensión electrica (V)

Se define potencial
electrostático de un punto de una región donde exista un campo eléctrico , a la energía potencial por unidad de carga de prueba
colocada en dicho punto. Matemáticamente se puede escribir

                                

Remplazando en  resulta

 

                                                                

 

Tomando        si   

Se puede deducir
fácilmente

ü      
Las cargas eléctricas de prueba positivas
al abandonarlas en un campo eléctrico, se mueven hacia los potenciales
decrecientes (en el mismo sentido que las líneas de campo).

ü      
Las cargas eléctricas de prueba negativas
al abandonarlas en un campo eléctrico, se mueven hacia los potenciales crecientes
(en el sentido contrario que las líneas de campo).

ü      
En cualquier caso las cargas eléctricas
evolucionan libremente hacia las energías potenciales menores.

ü      
Las líneas de campo eléctrico señalan en
la dirección en la que disminuye el potencial electrostático.

1.3-3-1 Unidad de potencial eléctrico

La unidad resulta de
la

 

                           

 

 Que recibe el nombre de volt o voltio (V), en reconocimiento al físico italiano Alessandro
Volta

 (1.745 – 1827), inventor de la primera celda
electrolítica o pila voltaica.

1.3-4 Diferencia de potencial eléctrico
(d.d.p.)

La diferencia de
potencial eléctrico (d.d.p.) entre dos puntos A y B es el trabajo por unidad de
carga  realizado por fuerzas eléctricas
para mover una  carga de prueba desde el
punto de mayor potencial hasta el punto de menor potencial. De  ,  y resulta

                                    

            

 

                     

 

Entonces
se puede decir con respecto a la unidad de potencial eléctrico que se debe
realizar

1
Joule de trabajo eléctrico para llevar a carga de 1 Coulomb a través de una
diferencia de potencial de 1Voltio.

Cuando
se trata de partículas fundamentales y núcleos atómicos con carga mínimas, un
electrón (e), se define una nueva unidad de de energía potencial eléctrica
llamada electronvolt (eV). Un
electronvolt es la energía  adquirida por
una partícula de carga e (carga elemental de un electrón) al moverse por una
d.d.p. de un volt.

La
relación es                           1 eV
= 1.6021 x 10-19 J

1.3-5  
Relación entre magnitudes vectoriales y escalares en el campo
eléctrico. 

De
la  ,  y si se recuerda el concepto de función
deriva e integral como funciones inversas puede escribirse

                                                              

                                          

                         

Integral a lo largo de una trayectoria
cerrada o circulación del vector .

Es evidente el
resultado nulo, ya que la d.d.p. es nula en la trayectoria cerrada puesto que
el punto inicial y final son los mismos.

También puede decirse
que el potencial eléctrico no varía si nos desplazamos perpendicularmente a una
línea de campo eléctrico. Esto puede deducirse 
ya que el producto escalar de vectores perpendiculares es nulo. Esto da
lugar a la existencia de las llamadas líneas equipotenciales.

De las ecuaciones
anteriores puede deducirse una nueva unidad del campo eléctrico como

                                               

                                                  

1.3-6  Cálculo del potencial
eléctrico en diferentes configuraciones

1.3-6-1   Diferencia de potencial
entre dos láminas cargadas

                                            
Placa (+q)              
placa  (-q)

                                              
VA                                        V
B

 

Partes: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
 Página anterior Volver al principio del trabajoPágina siguiente 

Nota al lector: es posible que esta página no contenga todos los componentes del trabajo original (pies de página, avanzadas formulas matemáticas, esquemas o tablas complejas, etc.). Recuerde que para ver el trabajo en su versión original completa, puede descargarlo desde el menú superior.

Todos los documentos disponibles en este sitio expresan los puntos de vista de sus respectivos autores y no de Monografias.com. El objetivo de Monografias.com es poner el conocimiento a disposición de toda su comunidad. Queda bajo la responsabilidad de cada lector el eventual uso que se le de a esta información. Asimismo, es obligatoria la cita del autor del contenido y de Monografias.com como fuentes de información.

Categorias
Newsletter