Mdulo de Contenido N1

Instituto Profesional de Chile

Ingeniera en Electricidad y Electrnica

Mdulo de Aprendizaje N8

Introduccin a la Ingeniera Elctrica

Que es una carga elctrica, que es un campo elctrico.

La carga Elctrica

Propiedad fsica intrnseca de algunas partculas que las caracteriza y por la cual sufren la interaccin electromagntica.

En el Sistema Internacional de Unidades se mide en culombios y en las frmulas fsicas suele representarte con las letras q o Q.

El culombio, smbolo C, es la Unidad derivada del SI para la medida de la magnitud fsica cantidad de electricidad (carga elctrica).

Se define como la cantidad de electricidad transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad. Es alrededor de 6.241018 veces la carga de un electrn. Nombrada en honor de Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806).

Se clasifica en carga positiva y negativa. Las cargas del mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se atraen.

La carga elctrica aparece en la naturaleza cuantizada, es decir, siempre es mltiplo de una cantidad fundamental: el valor absoluto de la carga del electrn o del protn q = 1.6 10-19 culombios.

La carga elctrica se conserva. Esto quiere decir que en ningn proceso puede aparecer o destruirse carga neta. Pueden aparecer cargas elctricas donde antes no haba, pero siempre lo harn de modo que la carga total del sistema permanezca invariable. Adems esta conservacin es local, ocurre en cualquier regin del espacio por pequea que sea.

La carga es un invariable relativista. La carga de un cuerpo es la misma independientemente de la velocidad con la que se mueva.

El Electrn

El electrn (Del griego elektron, mbar), comnmente representado como e es una partcula subatmica. En un tomo los electrones rodean el ncleo, compuesto de protones y neutrones.

Los electrones tienen la carga elctrica ms pequea, y su movimiento genera corriente elctrica. Dado que los electrones de las capas ms externas de un tomo definen las atracciones con otros tomos, stas partculas juegan un papel primordial en la qumica.

Modelo de Partculas Bsico

La existencia del electrn fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroqumica. El electrn fue descubierto por Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catdicos. Influenciado por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catdicos existan unas partculas con carga negativa que denomin corpsculos. Aunque Stoney haba propuesto la existencia del electrn fue Thomson quin descubri su carcter de partcula fundamental. Para confirmar la existencia del electrn era necesario medir sus propiedades, en particular su carga elctrica. Este objetivo fue alcanzado por Millikan en el clebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.

George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostr la naturaleza ondulatoria del electrn probando la dualidad onda-corpsculo postulada por la mecnica cuntica. Este descubrimiento le vali el Premio Nobel de Fsica de 1937.

El spin del electrn se observ por vez primera en el experimento de Stern-Gerlach. Su carga elctrica puede medirse directamente con un electrmetro, y la corriente generada por su movimiento con un galvanmetro.

Clasificacin de los electrones

El electrn en un tipo de partcula subatmica denominada leptn, que se cree que es una de las partculas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes ms pequeos) de acuerdo con el modelo estndar de partculas.

Como toda partcula subatmica la mecnica cuntica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el ms famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda-corpsculo.

Propiedades y comportamiento de los electrones

El electrn tiene una carga elctrica negativa de 1.6 1019 culombios y una masa de 9.10 1031 kg (0.51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protn.

El electrn tiene un spin 1/2, lo que implica que es un fermin, es decir, que se le puede aplicar la estadstica de Fermi-Dirac.

Aunque la mayora de los electrones se encuentran formando parte de los tomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vaco. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja.

Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del tomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una direccin, este flujo se llama corriente elctrica.

La electricidad esttica no es un flujo de electrones. Es ms correcto definirla como "carga esttica", y est causada por un cuerpo cuyos tomos tienen ms o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los ncleos de sus tomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo est cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo est cargado positivamente. Si el nmero total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo est en un estado elctricamente neutro.

El electrn es una partcula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensin espacial. Sin embargo, en las cercanas de un electrn pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto comn a todas las partculas elementales: la partcula influye en las fluctuaciones del vaco en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partcula ms las causadas por el efecto del vaco que la rodea.

Esquema de Bandas de electrones

El Campo elctrico

Las cargas elctricas no precisan de ningn medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ah que las fuerzas elctricas sean consideradas fuerzas de accin a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situacin de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripcin en trminos fsicos de la influencia que uno o ms cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.

La nocin fsica de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas ste viene a ser aquella regin del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. As, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sita, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo anlogo la fsica introduce la nocin de campo magntico y tambin la de campo elctrico o electrosttico.

El campo elctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella regin del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. As, si en un punto cualquiera del espacio en donde est definido un campo elctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observar la aparicin de fuerzas elctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.

Todo campo fsico queda caracterizado por sus propiedades. En el caso del campo elctrico, una forma de describir las propiedades del campo sera indicar la fuerza que se ejercera sobre una misma carga si fuera trasladada de un punto a otro del espacio. El referirse a la misma carga de prueba permite comparar los distintos puntos del campo en trminos de intensidad. La carga de referencia ms simple a efectos de operaciones es la carga unidad positiva. La fuerza elctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparacin, recibe el nombre de intensidad del campo elctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo elctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su mdulo E y por su direccin y sentido.

La expresin del mdulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fcilmente para el caso sencillo del campo elctrico creado por una carga puntual Q sin ms que combinar la ley de Coulomb con la definicin de E. La fuerza que Q ejercera sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genrico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, por:

pero aqulla es precisamente la definicin de E y, por tanto, sta ser tambin su expresin matemtica:

a continuacin se presenta un modelo de cmo interactan las cargas y el campo elctrico:

Aqu se deja claridad que no existe uno sin el otro, es decir para el tema de tener una carga elctrica se tiene un campo asociado, y el concepto de tener un campo elctrico nos indica claramente la presencia de partculas cargadas elctricamente.

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