Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico

Las cargas eléctricas poseen diferentes tipos de carga, esto permite que al interactuar entre ellas se presenten las siguientes situaciones: las cargas de diferente signo se atraen y las cargas de igual signo se repelen, lo cual sucede aun cuando se encuentran separadas, significando que las cargas siempre se encuentran rodeadas por un campo eléctrico que influye sobre la región situada alrededor de las cargas. Este campo eléctrico no se puede ver, pero la fuerza que ejerce sobre los objetos cargados permite detectar su presencia y medir su intensidad.

El campo eléctrico de las cargas se puede representar gráficamente mediante líneas de fuerza. A continuación te presentamos en las siguientes figuras, ejemplos de esta representación.

Para calcular la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva llamada carga de prueba. Esta es colocada en un punto de la región a investigar si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico se dice que en ese punto existe un capo eléctrico, cuya intensidad es igual al cociente entre la fuerza y el valor de dicha carga de prueba. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Ahora bien, si deseamos calcular el campo eléctrico a una determinada distancia del centro de una carga eléctrica utilizamos la siguiente expresión matemática:

Cuando tenemos varias cargas alrededor de un punto y se desea conocer la intensidad del campo eléctrico en dicho punto, la resultante será la suma vectorial de cada uno de los campos eléctricos producidos individualmente por cada una de las cargas, como se puede observar en la siguiente figura

Problema

1)    Una carga de prueba de 4mC recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 3 x 10^-4. Encuentra la intensidad del campo eléctrico en el punto donde se encuentra colocada la carga.

2)    Al estar parado a una distancia de 20 cm frente al televisor de tu habitación y recordar lo visto en tu clase de fisca, planeas aplicar los visto en clase al encontrar el campo eléctrico que este genera, sabiendo que tiene una carga eléctrica de 3.4 nC. 

Ley de coulomb

En el año de 1785, charles coulomb estableció, gracias a su experimentos sobre cargas eléctricas, la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas, la cual afirma lo siguiente “la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q₁ y q₂ es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que la separa”. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Cabe mencionar que la expresión de esta ley solo es válida cuando las cargas se encuentran en el vacío. Si las cargas se encuentran en un medio o sustancia aislante, la fuerza sufre una disminución, la cual variara de acuerdo al medio de que se trate.

La relación que existe entre la fuerza eléctrica de dos cargas situadas en el vacío y en otro medio o sustancia aislante, se conoce como permitividad relativa o coeficiente y eléctrico del medio o sustancia. Matemáticamente se representa como:

Problema

Al realizar un experimento en el laboratorio de física sobre cargas eléctricas dos esferas metálicas conductoras idénticas están situadas con sus centros alejados a 0.30 m como se muestra en la siguiente figura. A una de ellas se le dio una carga de 12 x 10^-9 C y a la otra una carga de -18 x 10^-9 C. encuentra la fuerza electrostática que ejerce una esfera sobre la otra

Electrostática

La electrostatica es la rama de la electricidad encargada de estudiar las cargas electrostáticas en reposo. Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos por materia, la cual a su vez esta confomada por pequeñas partículas que no son visibles a simple vista, llamadas atomos. Los atomos tiene electrones que contienen carga eléctrica negativa, protones que poseen carga eléctrica positiva y por electrones que no tienen carga eléctrica.

Asi como podemos afirmar que la carga eléctrica es una propiedad que poseen los electrones y los protones. Para representar las cargas positivas ultilizamos el signo positivo (+) y para las cargas negativas el signo menos (-).

La carga eléctrica se puede transmitir de una particula a otra o de un cuerpo a otro; a este proceso le llamamos “electrizar un cuerpo” y consiste en que las partículas o cuerpos ganan o pierden electrones al interactuar entre ellos mismos. Existen tres formas de electrizar un cuerpo que las presentamos a continuación.

La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas en el sistema internacional (SI) se llama coulomb (C) y se define como las cantidad de electrones que posee en exceso un cuerpo con respecto a lo que posee a su estado neutro. La equivalencia de electrones es la siguiente:

1C = 6.25 x 10¹⁸ electrones

De acuerdo con este podemos proporcionar las cargas eléctricas del electrón y el protón en Coulombs. El proton (+e) tiene una carga de 1.6 x 10^-19 y el electron (-e) tiene una carga -1.6 x 10^-19.

Exiten materiales en nuestro entorno que al estar formados por atomos contienen protones y electrones, a pesar de esta característica común entre ellas, no presentan la misma propiedad de poder conducir la electricidad.asi podemos clasificarlo de la siguiente forma

Clasificación de los materiales
Materiales conductores	Materiales aislantes o dieléctrico	Materiales semiconductores
Son los que se pueden electrizar en toda su superficie, al estar libres los electrones para moverse en todo el material.	Son los materiales que se electrizan en los puntos donde son tocados por un cuerpo cargado o en la parte donde son frotados y se debe a que en ellos la movilidad de los electrones es nula.	Son materiales que presentan las propiedades intermedias de los conductores y los aislantes y se utilizan en la fabricación de implementos de electrónica.

Leyes de la Electricidad Electricidad

La electricidad es una propiedad física manifestada a través de la atracción o del rechazo que ejercen entre sí las distintas partes de la materia

Funcionamiento del electroimán.

Se aplica una corriente, con una batería o cualquier otra fuente de electricidad, y se hace fluir por el cable. Esto crea el campo magnético alrededor del cable bobinado, magnetizando el metal como si fuera un imán permanente. Los imanes pueden activar y desactivar las propiedades del imán.

Historia de la electricidad

Desde la aparición del hombre, este se ha preocupado por tratar de entender los fenómenos de la naturaleza y, en algunos casos, reproducirlos.

El estudio de la electricidad comenzó tras observar que diferentes objetos ligeros eran atraídos al acercar un trozo de material fósil llamado ámbar. La gente se pregunta qué clase de “magia” o “poder sobrenatural” era lo que hacía que ocurriera ese fenómeno

Se puede considerar que los griegos fueron los primeros en experimentar resultados con la electricidad. Tales de Mileto, matemático griego, fue el primero en afirmar lo que pasaba con este material al frotarlo con la piel de un animal.

Al transcurrir el tiempo, surgieron diferentes personajes que dedicaron su vida a estudiar y desarrollar los conceptos y propiedades de la electricidad. Entre ellos podemos mencionar a benjamín Franklin, quien es considerado el padre de la electricidad por muchos autores, al inventar el pararrayos. Existen muchos otros personajes que hicieron sus aportaciones a la electricidad y, con ello, contribuciones a la sociedad moderna.

En la actualidad somos testigos de los avances que se han desarrollado en materia de electricidad y electrónica, por ejemplo: el teléfono celular, las  cámaras digitales, las consolas de videojuego, la televisión y muchos más que han utilizado los avances para fabricarlos más pequeños, fáciles de utilizar incluso integrar más funciones.

Termodinámica

La termodinámica se encarga de estudiar la transformación de la energía térmica en trabajo y en el trabajo en energía. Para que se produzca este cambio es necesario considerar el cambio de la energía interna de los materiales involucrados. Esta dada por la energía total del objeto, es la suma de la energía potencial de y entre las moléculas, la energía cinética de traslación, rotación y vibración de las mismas.

La energía (U) permanece definida en un sistema termodinámico mediante la absorción o perdida de calor (Q) o trabajo (W); por tanto, la energía se conserva. Si el sistema gana calor es positivo y si lo pierde es negativo; la salida de trabajo se considera positivo y la entrada negativo. Así, la energía interna se expresa matemáticamente como:

DU = D Q - DW

La termodinámica puede ser explicada con cuatro leyes fundamentales, de las cuales solo vamos a revisar tres.

Leyes de la termodinámica

Ley cero de la termodinámica

También conocido como ley de equilibrio. Esta se define como: si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico y se presenta un tercero, este estará en equilibrio con los anteriores.

Primera Ley de la termodinámica

Esta ley nos comprueba el principio de la conservación de la energía que no se crea ni se destruye, solo se transforma. Puede definirse como: en cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por él y el cambio de su energía interna, matemáticamente se expresa:

DQ = DU + DW

Segunda Ley de la termodinámica

Si un automóvil frena bruscamente, pierde energía en forma de calor, pero si las llantas comienzan a rodar nuevamente, no es posible recuperar el calor perdido para formar energía mecánica. Es evidente que no es posible convertir toda la energía térmica perdida en trabajo útil, la dirección que lleva un proceso termodinámico es unidireccional en ciertas situaciones; por ello, se enuncia la segunda ley de la termodinámica que expresa:

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a una temperatura más elevada.

Como el sistema regresa periódicamente a su estado inicial, puede observarse que el cambio real de energía interna es nulo. Matemáticamente se expresa:

W_sal = Q_ent – Q_sal

Si quisiéramos calcular la eficiencia térmica, la podemos expresar de la siguiente forma:

E = W_sal / Q

Problema

Mario pretende determinar cuánto trabajo útil realiza el motor de su motocicleta, si absorbe 800 cal del fuente de calor y que cantidad de calor se pierde, si la eficiente de su  motor es del 25%

a)    Calculamos la cantidad del trabajo útil a partir de la fórmula de eficiencia despejada.

Calculamos la cantidad de calor perdido a partir de la expresión de la segunda ley de la termodinámica:

La motocicleta de Mario, genera 200 cal de trabajo útil, pero pierde 600 cal en forma de calor.

El calor y su intercambio entre los cuerpos

Mecanismos de transferencia de calor

Conducción

Es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.

Convección

Es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia.

Radiación

Es la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que exista contacto ni conexión por otro solido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas que emana todo cuerpo que este a mayor temperatura que el cero absoluto.

Capacidad calorífica y calor específico de las sustancias

Todas las sustancias necesitan absorber una cierta cantidad de calor para variar su temperatura. La cantidad de calor necesaria es única para cada sustancia y se determina por la variación de su temperatura. Esta cantidad de calor se conoce como capacidad calorífica la cual se expresa matemáticamente como:

Cuando la sustancia es la misma, la capacidad calorífica de la sustancia no cambia, pero pueden presentar diferentes masas, por lo cual cada una absorbe distinta cantidad de calor, es decir, la masa determina entonces la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura. Por tanto, si cada sustancia necesita cierta cantidad de calor por cada gramo de masa para hacer variar su temperatura un grado centígrado. Esta relación se conoce como calor especifico. La expresión matemática es:

Donde la capacidad calorífica (C) corresponde a la variación de calor entre la variación de temperatura, por lo tanto, sustituyendo C:

Como el calor específico es diferente y único para cada sustancia podemos despejar la ecuación para conocer la variación del calor:

Si conocemos la cantidad de calor, incluso podemos despejar para conocer la variación de la temperatura, o bien, la temperatura final o inicial durante el cambio; recordemos que:

Problema

Josue pretende calentar una olla de aluminio que tiene 800 g de masa y quiere saber que cantidad de calor necesita añadirle. Si la temperatura de la olla es de 20^o C y la calienta hasta 40^o C, ¿Cuánto calor necesita añadirle?

Calculamos la cantidad de calor a partir de la formula despejada:

Josué necesitara aplicar 3 360 calorías a 800 g de aluminio para alcanzar la temperatura de 40^o C.

Calor perdido y ganado por los cuerpos.

A escala ordinaria, el único efecto perceptible en un cuerpo, cuando se le calienta, es una elevación en su temperatura. Ocurre lo contrario cuando se le enfría, es decir, cuando sede parte de esa energía térmica a otro (u otros) cuerpo(s). De acuerdo con lo anterior, se considera que el calor es positivo o “ganado” por un cuerpo si la temperatura de dicho cuerpo aumenta, y lo contrario ( el calor se pierde) cuando la temperatura del cuerpo desciende.

Equilibrio térmico

Todos los cuerpos a estar a diferentes temperaturas pueden intercambiar el calor. El calor solo puede transmitirse del cuerpo más caliente al más frio, es decir del de mayor temperatura al de menos temperatura y la cantidad de masa influirá en este intercambio, ya que mientras más masa tenga un cuerpo, mayor cantidad de calor requiera para cambiar su temperatura.

La transferencia de calor comienza a nivel molecular debido a la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de agregación de la materia pero es mayor en los sólidos (metales), pero también en líquidos y gases.

Para explicar la expresión matemática resolveremos un ejercicio.

Rolando pretende preparar café, para ello pone a calentar 200 ml de agua en un recipiente, la temperatura que alcanza es de 90^oC. si pretende preparar un litro de café y la temperatura del agua fría es de 28^oC, ¿a que temperatura quedara la mezcla?.

a)    para resolver el ejercicio primero calcularemos la masa de agua en cada situación

para el agua caliente se tiene 200 ml, su densidad es de 1^o/cm³, si cada ml corresponde a un centímetro cubico, entonces tendremos:

masa del agua caliente: 200g

como se pretende preparar un litro, entonces deben colocarse 800 g de agua fría.

b)    Ahora calculamos la temperatura final.