TEMAS SELECTOS DE FÍSICA

ETAPA 3: ELECTRICIDAD

Presentación base de la etapa 3 de Temas Selectos de Física• Con el propósito de cubrir los contenidos básicos de la unidad de

aprendizaje de Temas Selectos de Física, se ha elaborado estapresentación, con la cual esperamos que el docente se apoye en ella y laopueda enriquecer con material adicional de su preferencia, que ayude alestudiante a completar su aprendizaje dadas las condiciones en que nosencontramos ante esta contingencia.

• Reiteramos, es un material de apoyo que, aunado a la guía instruccionalservirá como recurso fundamental y con base en ellos, rescatar el períodoacadémico enero-junio 2020.

• Actuemos con responsabilidad desde nuestros hogares, cumpliendo conlas indicaciones, tanto docentes como estudiantes. Formemos un granequipo que nuestro país nos necesita.

Carga eléctrica

Todos los fenómenos eléctricos tienen su origen en una propiedad de ciertas partículas atómicas, conocida como “carga eléctrica”

La carga eléctrica es la propiedad que tienen algunas partículas de atraer o repeler a otras partículas.

Carga eléctrica

El átomo está compuesto por tres partículas, a saber: los protones, los neutrones

(éstas dos se encuentran concentradas en el núcleo de los átomos) y los

electrones, que se encuentran en órbitas alrededor del núcleo.

Los protones tiene carga eléctrica positiva y los electrones tiene carga negativa.

Los neutrones no tienen carga eléctrica, son neutros.

Carga eléctrica

Las cargas eléctricas se comportan de acuerdo con la ley fundamental de las cargas:

“Cargas eléctricas del mismo signo, se repelen y cargas eléctricas de signo contrario, se atraen”

A esta ley también se le conoce como “ley de carga-fuerza”

Carga eléctrica

En la antigüedad, se pensaba que la electricidad era como una especie de fluido eléctrico,

y que al frotar un cuerpo con otro, éste fluido se transfería de aquél que tuviera más

cantidad de fluido eléctrico al que tuviera menos cantidad. De ahí el nombre de las cargas

(+ y -). Hoy de sabe que lo que se transfiere al frotar dos cuerpos son electrones. En el

vínculo hay una liga para que observes una simulación de las cargas eléctricas..

Clasificación de los materiales

De acuerdo con sus propiedades eléctricas existen diferentes tipos de materiales:

Conductores. Son aquellos materiales en los que, si se añaden electrones, éstos se

distribuyen en toda la superficie del material. Ejemplos de ellos son: todos los metales,

cobre, hierro, aluminio, oro, plata, etc. También soluciones acuosas con sales

inorgánicas disueltas como NaCl, NaHCO3, entre otros.

Clasificación de los materiales

Aislantes: En estos materiales, al colocar una

carga eléctrica permanece en el lugar en donde

se colocó, no se distribuye ni se mueve, queda

estática ya que no tienen electrones libres que

puedan realizar esa distribución, a diferencia de

los conductores que si los tienen. Ejemplos de

materiales aislantes son la porcelana, el vidrio,

el asbesto, plástico, la madera. El agua pura sin

ningún contenido, es aislante.

Clasificación de los materiales

Semiconductores. Son materiales a los cuales se les pueden añadir

electrones de manera que pueden tener una conductividad determinada para

ciertas aplicaciones. También los semiconductores tienen la característica de

que pueden conducir la corriente eléctrica en una sola dirección. Ejemplos de

semiconductores son el silicio y el germanio. Muchos de los componentes de

dispositivos electrónicos, como computadoras, pantallas de TV, celulares, son

fabricados con este tipo de materiales.

Electrificación de un cuerpo

Un cuerpo puede adquirir carga eléctrica por

diferentes métodos.

Por fricción o frotamiento. Al peinar el

cabello, al frotar el cuerpo con un suéter o al

hacer fricción el aire con la carrocería de un

auto en movimiento, existe carga por

frotamiento. En esta forma de electrificación, el

frotamiento desprende electrones de uno de

los cuerpos y el otro los recibe, de tal forma que

uno de ellos queda cargado positivamente y el

otro queda cargado negativamente.

Electrificación de un cuerpo

Por contacto. Un cuerpo que posee carga eléctrica

puede transmitir esa carga a otro cuerpo que no la

tenga, al ponerlos en contacto uno y otro. Entonces la

carga del primer cuerpo se transmite al segundo y el

primero queda descargado eléctricamente. En el caso

del generador de Van De Graaff de la fotografía, éste

genera carga eléctrica por frotamiento a través de una

banda y ésta carga se concentra en la esfera de

aluminio. Cuando el niño hace contacto con la esfera, él

se carga y la carga se manifiesta en el cabello.

Electrificación de un cuerpo

Por inducción. Un cuerpo que posea

carga eléctrica puede acercarse a otro

cuerpo sin carga sin llegar a tocarlo.

Entonces el segundo cuerpo se polariza

y al hacer “tierra” éste quedará cargado

eléctricamente por inducción.

Unidades de carga eléctrica

Para medir la cantidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de unidades, se utiliza

el coulomb o culombio, el cual se define de la siguiente forma:

1 coulomb es una unidad de carga tal que, si se pudiera colocar a 1 metro de distancia de

otra carga exactamente igual, la fuerza que actuaría entre ellas sería igual a nuevemil

millones (9, 000, 000, 000) de newton (9x109 N).

En la siguiente tabla se observan las unidades de carga eléctrica del electrón y el protón. El

neutrón como dijimos, no posee carga eléctrica.

1 C 6.24 x 1018 electrones

1 e- - 1.6 x 10-19 C

1 p+ + 1.6 x 10-19 C

1 mC 1 x 10-3 C

1 mC 1 x 10-6 C

Ley de Coulomb

Las interacciones entre partículas o cuerpos con carga eléctrica, es decir, la atracción o la

repulsión entre ellas según su signo, son manifestaciones de una fuerza: la fuerza electrostática.

Fue el físico francés Charles A. Coulomb quien se encargó de caracterizar y cuantificar dichas

fuerzas en lo que se conoce como la ley de Coulomb que establece lo siguiente:

“la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales, es directamente proporcional al

producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”

Y el modelo matemático que la representa es:

En ésta fórmula:

F = fuerza de atracción o repulsión entre las cargas

q1 y q2 = magnitudes de las cargas eléctricas 1 y 2

r = distancia que existe entre q1 y q2

k = constante de la ley de Coulomb = 9x109 Nm2/C2

Ley de Coulomb

Las fuerzas electrostáticas son fuerzas de acción a distancia, esto significa que existen

aunque no haya contacto entre las cargas eléctricas, y se representan, como ya lo sabes,

con flechas como en la siguiente figura.

Si las cargas son de signos iguales, la fuerza entre ellas es de repulsión, es decir, de

rechazo o de separación, y si las cargas son de signos contrarios, la fuerza es de

atracción. En el vínculo podrás acceder a una simulación para visualizar el efecto de las

fuerzas electrostáticas de acuerdo con la ley de Coulomb.

Ejemplo de aplicación de la Ley de Coulomb (problema: fuerza entre dos cargas)

Una carga positiva de 5 mC se encuentra a 15 cm de otra carga negativa de 8 mC.

¿Cuál es el valor de la fuerza electrostática que existe entre ellas?

¿Es una fuerza de atracción o de repulsión?

Solución:

Identificamos los datos que se nos proporcionan

q1 = 5 mC = 5x10-6 C

q2 = -8 mC = -8x10-6 C

r = 15 cm = 0.15 m

k = 9x109 Nm2/C2

q1 q2

r = 15 cm

Calcularemos la fuerza con la fórmula

de la ley de Coulomb que es la que

relaciona la fuerza con las cargas y la

distancia entre ellas. Sustituyendo

los datos en unidades del SI

𝑭 = 𝒌𝒒𝟏𝒒𝟐𝒓𝟐

𝐹 = (9𝑥109𝑁𝑚2

𝐶2 )(5𝑥10−6𝐶)(8𝑥10−6𝐶)

(0.15𝑚)2

𝐹 = 16 𝑁

Entonces la fuerza entre las cargas es de 16 N y dado

que las cargas son de signos contrarios, significa que

es una fuerza de atracción.

En el vínculo encontraras una explicación que te puede

ayudar a comprender mejor este tipo de problemas.

Ejemplo de aplicación de la Ley de Coulomb (problema: fuerza resultante entre tres cargas)

Una carga q1 = -10 mC se encuentra 20 cm a la izquierda de otra carga q2 = -12 mC. Luego, se coloca otra carga q3

= 5 mC a 7 cm a la derecha de q1, como se muestra en la figura. ¿Cuál es la fuerza resultante sobre la carga q3 al

encontrarse en esa posición?

q1 q2q3

20 cm

7 cmSolución:

Identificamos los datos que se nos proporcionan

q1 = -10 mC = -10x10-6 C

q2 = -12 mC = -12x10-6 C

q3 = +5 mC = +5x10-6 C

r12 = 20 cm = 0.2 m

r13 = 7 cm = 0.07 m

r23 = 13 cm = 0.13 m

k = 9x109 Nm2/C2

F13 F23

Cada carga ejerce fuerza sobre las

otras dos cargas, sin embargo lo que

nos interesa en este caso, son las

fuerzas que recibe la carga 3 (las

mostradas en la figura) y son las que

calcularemos.

𝑭𝟏𝟑 = 𝒌𝒒𝟏𝒒𝟑

𝒓𝟏𝟑𝟐

𝐹13 = (9𝑥109𝑁𝑚2

𝐶2 )(10𝑥10−6𝐶)(5𝑥10−6𝐶)

(0.07𝑚)2

𝐹13 = 91.84 𝑁 hacia la izquierda

𝑭𝟐𝟑 = 𝒌𝒒𝟐𝒒𝟑

𝒓𝟐𝟑𝟐

𝐹23 = (9𝑥109𝑁𝑚2

𝐶2 )(12𝑥10−6𝐶)(5𝑥10−6𝐶)

(0.13𝑚)2

𝐹23 = 31.95 𝑁 hacia la derecha

Dado que las fuerzas actúan en

direcciones opuestas la fuerza

resultante sobre q3 sería:

𝐹𝑅3 = 𝐹13 − 𝐹23

𝐹𝑅3 = 91.84 𝑁 − 31.95 𝑁

𝐹𝑅3 = 59.89 𝑁 ℎ𝑎𝑐𝑖𝑎 𝑙𝑎 𝑖𝑧𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑑𝑎

Ley de OhmOtro tema importante con respecto a la electricidad, es el de la ley de Ohm. Antes de ver esta ley definiremos algunos conceptos:

• Corriente eléctrica (I). Es el flujo de electrones a través de un material conductor, es decir, es la carga que circula por unidad de tiempo. Se mide en unidades conocidas como ampere o amperios en el SI cuyo símbolo es (A).

• Voltaje (diferencia de potencial) (V). El voltaje es el trabajo realizado para mover cada unidad de carga a través de un campo eléctrico, o sea, es el trabajo por unidad de carga. Se mide en joule/coulomb y se le llama volt o voltio (V) en el SI.

• Resistencia eléctrica (R). Es la oposición al flujo de electrones que presenta cualquier conductor o materiales específicos. Se mide en unidades conocidas como ohm, cuyo símbolo es la letra griega omega mayúscula (W).

• Multímetro. Instrumento para medir la corriente eléctrica, voltaje y resistencia.

Ley de Ohm

Circuito eléctrico: Es un circuito cerrado en el que existe movimiento de cargas desde una fuente de

energía eléctrica, a través de un conductor, hasta un dispositivo que convierte esa energía en otro tipo

de energía, como un motor, un foco, una plancha, u otro tipo de energía para luego regresar a la

fuente original.

Simbología básica de circuitos eléctricos

Formas básicas de los circuitos

𝑅𝐸𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2 + ⋯. . +𝑅𝑛𝑅𝐸𝑞 =

1

1𝑅1

+1𝑅2

+ ⋯+1𝑅𝑛

Ley de Ohm

La ley de Ohm establece que:

“la intensidad de corriente eléctrica que circula por un circuito es directamente proporcional al voltaje e

inversamente proporcional a la resistencia”.

En forma algebraica la ley de Ohm esta representada por:

En ésta fórmula:

I = corriente eléctrica (A)

V = diferencia de potencial o voltaje (V)

R = resistencia (W)

𝑽 = 𝑰𝑹o bien

Entra al siguiente vínculo, estudia el comportamiento

de las variables que se pueden manipular y explica

con tus propias palabras porque la corriente es

proporcional al voltaje e inversamente proporcional a

la resistencia

Resolución de circuitos aplicando la ley de Ohm

Ejemplo: Un circuito en serie está formado por tres resistencias: R1 = 4 W; R2 = 6 W y R3 = 10 W. El circuito cuenta con una fuente de energía de 9 V. Responde los siguiente:

a) ¿Cuál es la resistencia equivalente del circuito?

b) ¿Cuál es la corriente que circula por el circuito?

c) Calcular la caída de voltaje en cada resistencia

Datos:

R1 = 4 W

R2 = 6 W

R3 = 10 W

V = 9 V

a) La resistencia equivalente

en un circuito serie se obtiene

mediante la suma de todas

las resistencias del circuito

𝑅𝐸𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2 + ⋯. . +𝑅𝑛

𝑅𝐸𝑞 = 4Ω + 6Ω + 10Ω

𝑅𝐸𝑞 = 20Ω

b) La corriente se obtiene

aplicando la ley de Ohm

𝐼 =𝑉

𝑅𝐸𝑞

𝐼 =9𝑉

20Ω

𝐼 = 0.45 𝐴

c) Para calcular la caída de voltaje en

cada resistencia, se despeja V de la

fórmula de la ley de Ohm y se calcula

para cada una de las resistencias

considerando la misma corriente

𝑉 = 𝐼𝑅

𝑉1 = 𝐼𝑅1 = (0.45𝐴)(4Ω)

𝑉1 = 1.8𝑉

𝑉2 = 𝐼𝑅2 = (0.45𝐴)(6Ω)

𝑉2 = 2.7𝑉

𝑉3 = 𝐼𝑅3 = (0.45𝐴)(10Ω)

𝑉3 = 4.5𝑉

Resolución de circuitos aplicando la ley de Ohm

Ejemplo: Un circuito en paralelo está formado por tres resistencias: R1 = 3 W; R2 = 6 W y R3 = 9 W. El circuito cuenta con una fuente de energía de 12 V. Responde los siguiente:

a) ¿Cuál es la resistencia equivalente del circuito?

b) ¿Cuál es la corriente que circula por el circuito?

c) Calcular la corriente que pasa en cada resistencia

Datos:

R1 = 3 W

R2 = 6 W

R3 = 9 W

V = 12 V

a) La resistencia equivalente en

un circuito paralelo se obtiene

mediante el recíproco de la

suma de los recíprocos todas

las resistencias del circuito

𝑅𝐸𝑞 =1

1𝑅1

+1𝑅2

+ ⋯+1𝑅𝑛

𝑅𝐸𝑞 =1

13W +

16W +

19W

𝑅𝐸𝑞 = 1.64W

b) La corriente se obtiene

aplicando la ley de Ohm

𝐼 =𝑉

𝑅𝐸𝑞

𝐼 =12𝑉

1.64Ω

𝐼 = 7.33 𝐴

c) Para calcular la corriente en cada

resistencia, se aplica la fórmula de la

ley de Ohm a cada una de las

resistencias considerando el mismo

voltaje para todas

𝐼1 =𝑉

𝑅1=12𝑉

3Ω

𝐼1 = 4 𝐴

𝐼2 =𝑉

𝑅2=12𝑉

6Ω

𝐼2 = 2 𝐴

𝐼3 =𝑉

𝑅3=12𝑉

9Ω

𝐼3 = 1.33 𝐴

REFERENCIAS:

Diapositiva 4

Energía nuclear. (2020). ¿Qué es un protón?. 8/04/2020, de Energía nuclear Sitio web: ¿Qué es un protón? Estructura del átomo. (2020). Retrieved 9 April 2020, from

https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/atomo/proton

Diapositiva 5

@larrymen. (2019). Carga eléctrica. 8/04/2020, de Electricidad básica Sitio web: http://www.electricidadbasica.net/carga-electrica/

Diapositiva 6 Simulador

Noah Podolefsky & Carl Wieman. (2020). Travoltaje. 8/04/2020, de Phet interactive simulations Sitio web: https://phet.colorado.edu/sims/html/john-travoltage/latest/john-

travoltage_es.html

Diapositiva 6

Mariangel Zapata. (2016). Experimento: la varita mágica. 8/04/2020, de Química en casa Sitio web: https://quimicaencasa.com/experimento-la-varita-magica/

Diapositiva 15 Simulador

Amy Rouinfar. (2019). Ley de Coulomb. 8/04/2020, de Phet colorado interactive simulations Sitio web: https://phet.colorado.edu/sims/html/coulombs-law/latest/coulombs-

law_es.html

Diapositiva 15

Significados.com. (2020). Ley de Coulomb. 8/04/2020, de Significados Sitio web: https://www.significados.com/ley-de-coulomb/

Diapositiva 16 video

Vitual. (2018). Ley de Coulomb ejemplo 1 | Física: Electrostática - Vitual. 8/04/2020, de Vitual Sitio web: https://www.youtube.com/watch?v=nVoWS69u_yQ

Diapositiva 17 video

Vitual. (2018). Ley de Coulomb ejemplo 6 | Física: Electrostática - Vitual. 8/04/2020, de Vitual Sitio web: https://www.youtube.com/watch?v=VNnhd3ejCDw

Diapositiva 22 Simulador

Michael Dubson. (2019). Ley de Ohm. 8/04/2020, de Phet Colorado Interactive Simulations Sitio web: https://phet.colorado.edu/sims/html/ohms-law/latest/ohms-

law_es.html

Diapositiva 23 Viedo

Sergio Llanos. (2015). Circuito en serie. 8/04/2020, de Profesor Sergio Llanos Sitio web: https://www.youtube.com/watch?v=xGfa28dja10

Diapositiva 23 y 24 Simulador de circuitos

Amy Rouinfar. (2019). Kit de construcción de circuitos: CD. 8/04/2020, de Phet Colorado Interactive Simulations Sitio web: https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-

construction-kit-dc/latest/circuit-construction-kit-dc_es.html

Diapositiva 24 Video

Sergio Llanos. (2015). Circuito en paralelo. 8/04/2020, de Profesor Sergio Llanos Sitio web: https://www.youtube.com/watch?v=Aq_N_dosARc