474232374-ELECTRICIDAD-Y-MAGNETISMO-CLASE-TEORICA-No-1-docx

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Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores
Plantel Aragón
INGENIERIA ELECTRICA
CLASE “ELECRTRICIDAD Y MAGNETSIMO”
TRABAJO
TEMA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
GRUPO:8510
NOMBRE DEL PROFESOR: RODOLFO ZARAGOZA BUCHAIN
NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO 
FECHA DE ENTREGA: NOVIEMBRE DEL 2022
ELECTROSTATICA
La electrostática es una rama de la Física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, o lo que es lo mismo, el comportamiento de las cargas eléctricas en situación de equilibrio. Dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen.
La electrostática surgió mucho antes de que se comprendiera que la electricidad y el magnetismo son fenómenos emparentados y que deben estudiarse conjuntamente.
EFECTO TRIBOELÉCTRICO 
El efecto triboeléctrico es un fenómeno en el cual la mayoría de los materiales tienen la tendencia de entregar electrones y quedar cargados positivamente (+) o atraerlos y quedar cargados negativamente (-) cuando son golpeados o frotados con otro material. Aunque dependiendo de la combinación de materiales, un mismo material puede quedar cargado positiva o negativamente. La polaridad y magnitud de dicha carga difieren según el material.
El efecto triboeléctrico es estudiado por primera vez por el griego Tales de Mileto (624 AC – 546 AC), a quien se le considera como el primer filósofo de la historia de la filosofía occidental. Tales observó que al frotar un trozo de ámbar (resina vegetal fósil) con piel o con lana se obtenían pequeñas cantidades de cargas eléctricas que atraían pequeños objetos. Más tarde, gracias a trabajos realizados por el físico y médico inglés William Gilbert (1544 - 1603) surge el término electricidad para referirse a este fenómeno, que proviene de la palabra griega élektron que significa precisamente ámbar.
En la siguiente tabla se enumeran algunos materiales que tienen la tendencia de entregar electrones, quedando cargados positivamente y otros que tienen la tendencia de absorber electrones, quedando cargados negativamente. En la columna de la izquierda, los primeros entregan electrones con más facilidad que los del abajo. En la columna de la derecha los elementos del final absorben electrones con más facilidad que los primeros.
CARGA ELÉCTRICA
Los átomos que constituyen la materia están formados por otras partículas todavía más pequeñas, llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones y los electrones tienen una propiedad conocida como carga eléctrica. Esta propiedad es la responsable de que ocurran los fenómenos eléctricos.
La carga eléctrica de un electrón es igual a la carga eléctrica de un protón, pero de distinto signo. Los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva.
a) La carga eléctrica se encuentra en la naturaleza inseparablemente vinculada a un portador material (con masa y volumen no nulos).
b) Si un objeto material no posee carga eléctrica, no podría esperarse de él ninguna interacción eléctrica.
c) Las cargas eléctricas interactúan entre si manifestándose mediante efectos dinámicos (atracciones y repulsiones) que permiten distinguir dos clases de carga. Por la manera en que la carga eléctrica se inserta en el aparato matemático se las distingue con signos + y -, pero la asignación es convencional. Esto significa que los fenómenos que describe la teoría eléctrica serán idénticos si se cambia la convención de signos.
d) Es posible comparar las cargas eléctricas estableciendo relaciones de orden y equivalencia, con lo que podemos concluir que es una magnitud medible y por tanto, operativamente apta para la teoría electromagnética. En el sistema internacional de unidades (SI) se adopta como unidad el “Coulomb” o “Coulombio”, simbolizado por “C”, se define como la cantidad de carga que se transporta en un segundo a lo largo de un alambre por el que circula una corriente de un amperio, y equivale a la carga de electrones. (6,242 trillones de electrones). 
Existe otra unidad para la carga eléctrica pero que no pertenece al Sistema Internacional (SI). En el sistema CGS electrostático, la unidad de carga es el statcoulomb, que se define como la cantidad de carga que a 1 cm de distancia de una carga igual, produce una fuerza eléctrica de repulsión de una dina.
La carga fundamental es igual a 
La carga eléctrica fue introducida en la teoría como una propiedad macroscópica continua que podía ser adquirida por la materia. Desde un principio existían evidencias acerca de la íntima relación entre la carga eléctrica y la materia. Un fenómeno muy conocido que permitió especular sobre esto, es aquel en que dos cuerpos se cargan por frotamiento. Uno adquiere carga positiva y el otro carga negativa. Pero, ¿de dónde sale la carga? lo que se especuló rápidamente fue que los cuerpos poseían cargas compensadas (es decir, tanta carga positiva como negativa), y que el frotamiento, o más precisamente el contacto, eran puentes de transferencia de la carga entre los cuerpos.
Propiedades de la carga
Se conserva. La carga total de un sistema aislado, es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas en cierto instante, no varía nunca. Por un sistema aislado entendemos: aquel en el que no está permitido el flujo de materia a través de sus paredes. Un ejemplo de la conservación de la carga es la creación de pares (electrón-positrón.) La carga es un invariante relativista. 
Está cuantizada. En 1909 Millikan demostró experimentalmente que la carga siempre se presenta como múltiplo entero de una unidad fundamental de carga que llamaremos e. Se dice que la carga está cuantizada, es decir
La característica de la carga eléctrica de aparecer en múltiplos de una carga elemental indivisible, se conoce como cuantización de la carga, y se dice que la carga eléctrica está cuantizada en unidades iguales a la carga del electrón.
Conservación de la carga. En cualquier fenómeno físico, la carga del sistema que estemos estudiando es idéntica antes y después de que ocurra el fenómeno físico, aunque se encuentre distribuida de otra forma. Esto constituye lo que se conoce como el principio de conservación de la carga: La carga ni se crea ni se destruye ya que su valor permanece constante.
Tipos de materiales. Las fuerzas entre dos objetos cargados pueden ser muy grandes. La mayoría de los objetos son eléctricamente neutros; tienen igual cantidad de cargas positivas que negativas. Los metales son buenos conductores de carga eléctrica, mientras que los plásticos, madera, y goma no lo son (se les llama aislantes). La carga no fluye muy fácilmente en los aislantes comparado con los metales. Los materiales están divididos en tres categorías, dependiendo cuan fácilmente permitan el flujo de carga (electrones) a los largo de ellos. Estos son:
-Conductores: Los conductores son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente; su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja. Los conductores, entonces, son los que cuentan con un gran número de electrones libres que se mueven a través del material, transmitiendo con mayor facilidad la carga de un objeto a otro. Materiales como el cobre, el aluminio y la plata son buenos conductores eléctricos. Cuando están con carga en alguna pequeña zona, la carga se distribuye de inmediato en toda la superficie del material.
El más utilizado de todos los metales en cualquier tipo de circuito eléctrico es el cobre (Cu), por ser relativamente barato y buen conductor de la electricidad, al igual que el aluminio (Al). Sin embargo, los mejores metales conductores son el oro (Au) y la plata (Ag), aunque ambos se utilizan muy limitadamente por su alto costo. Los materiales conductores son opacos a la luz visible;
-Aislantes o Dieléctricos: Los aislantes son materiales con una resistencia tan alta, que no es posible la conduccióneléctrica a través de ellos. Un caso extremo, de este tipo de materiales, es el diamante. Podemos decir también, que los aislantes eléctricos son aquellos materiales en los cuales todos los electrones están unidos a átomos y no pueden moverse libremente a través del material. Materiales como el vidrio, el hule y la madera seca se incluyen en la categoría de aislantes eléctricos. Cuando estos materiales son frotados, sólo la zona frotada se carga, y las partículas con carga no pueden moverse hacia otras zonas del material.
-Semiconductores: los semiconductores, cuyas propiedades eléctricas se ubican entre las correspondientes a los aislantes y a los conductores. El silicio y el germanio son ejemplos muy conocidos de materiales semiconductores de uso común en la fabricación de una gran diversidad de chips electrónicos utilizados en computadoras, teléfonos celulares y estéreos. Las propiedades eléctricas de los semiconductores cambian, en varios órdenes de magnitud, a partir de la adición de cantidades controladas de ciertos átomos.
Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.
En 1911, el físico holandés Keike Kamerling Onnes descubrió que algunos materiales, al ser expuestos a temperaturas muy bajas aproximadamente al cero absoluto, cerca de 2273°C, mejoraban su conductividad notablemente, y ofrecían una resistencia casi nula al movimiento de las cargas eléctricas. Este fenómeno se denominó superconductividad. Posteriormente, en 1987, se descubrió la superconductividad a temperaturas más altas (temperaturas mayores a 100 K, es decir, 2173 °C).
La segunda característica de los superconductores es que tienen propiedades magnéticas asombrosas. El campo magnético dentro de un superconductor es nulo. La inducción magnética es expulsada del interior. Es el llamado efecto Meissner y se comprueba haciendo levitar un imán sobre el superconductor sumergido en Nitrógeno líquido.
El electroscopio. El electroscopio es un instrumento para detectar la presencia y magnitud de carga eléctrica de un cuerpo. El primer electroscopio fue inventado precisamente por William Gilbert y consistía de una aguja de metal, la cual podía girar libremente con un eje en su centro (tal como lo hace una aguja de una brújula).
Los electroscopios son aparatos o instrumentos que nos permiten conocer si algún cuerpo u objeto esta electrizado, es decir, saber si esta eléctricamente cargado, en tal caso, también se podría determinar o diagnosticar su signo.
El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso delas hojas. Si se aleja el objeto de la esfera y las láminas, al perder la polarización, vuelven a suposición normal. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
Modos de cargar un objeto. Hay tres maneras de cargar un objeto. Estas son:
1.-Por fricción: esto es útil para cargar aisladores. 
2.-Por conducción: es útil para cargar metales y otros conductores. Si un objeto cargado toca a un conductor, una cantidad de carga será transferida entre el objeto y el conductor, de tal manera que el conductor quedará cargado con el mismo signo que la carga del objeto. 
3.-Por inducción: también es útil para cargar metales y otros conductores. 
Electrización por Fricción: Tomemos un trozo de vidrio y un trozo de resina solidificada (ámbar), ninguno de los cuales presenta propiedades 'eléctricas'. Realicemos las siguientes pruebas con estas muestras: 
a) Frotar los dos trozos entre sí, y mantenerlos en contacto. Se observa que no muestran 'propiedades eléctricas'. 
b) Separar las muestras. Se observa entonces que éstas se atraen mutuamente. Este es el efecto 'eléctrico' al que nos referíamos; la interacción de las muestras. 
Si ahora tomamos otros dos trozos, uno de vidrio y el otro de resina, y los frotamos entre sí, se observará lo siguiente: 
i.-Los dos trozos de vidrio se repelen entre sí. 
ii.-Los dos trozos de resina se repelen entre sí. 
iii.-El vidrio siempre atrae a la resina. 
Este sencillo experimento nos permite concluir que existen dos clases de 'electricidad', que podemos llamar 'tipo vidrio' o 'positiva' y 'tipo resina' o negativa. Naturalmente, un solo experimento no es suficiente para establecer este hecho, pero lo aceptaremos ya que todos los experimentos realmente realizados en siglos de experimentación son compatibles con la existencia de sólo dos clases de 'electricidad'. Desde luego que no hay nada intrínsecamente positivo ni negativo en el vidrio ni el ámbar (resina), se trata sólo de una convención útil, sobre todo en el marco de la teoría que se expondrá en estos apuntes.
En la electrización por fricción, los electrones están ubicados en la electroesfera, que es la parte externa del núcleo, y se mantienen girando a su alrededor mediante fuerzas electrostáticas. Sin embargo, esta fuerza disminuye con la distancia. De esta manera, los electrones más externos de la electrosfera se eliminan más fácilmente de su órbita. Cuando frotamos dos cuerpos, algunos de estos electrones migran de un cuerpo a otro. 
El cuerpo que recibió estos electrones estará cargado negativamente, mientras que el cuerpo que ha perdido electrones estará cargado positivamente. Recibir o perder electrones depende de la sustancia del cuerpo. Este fenómeno se llama triboeléctrico y a través de experimentos de laboratorio se elaboran series triboeléctricas.
Electrización por Conducción o Contacto. Este tipo de electrificación ocurre cuando un cuerpo conductor se carga y entra en contacto con otro cuerpo. Parte de la carga se transferirá al otro cuerpo. En este proceso, los cuerpos involucrados se cargan con cargas del mismo signo y disminuye la carga del cuerpo que se electrificó inicialmente. Cuando los cuerpos involucrados en la electrización son conductores del mismo tamaño y forma después del contacto, tendrán cargas del mismo valor. Ejemplo:
Electrización por Inducción. La electrización por inducción puede ocurrir sin contacto entre los cuerpos. Cuando un conductor inicialmente neutral (inducido) se acerca a un cuerpo electrificado (inductor), induce una distribución de carga en él. El conductor permanecerá neutral, sin embargo, la región del conductor más cercana al inductor estará excesivamente sobrecargada con el cuerpo eléctrico. Ejemplo:
Otro ejemplo:
Otro ejemplo:
La inducción no se limita a los conductores, cuando acercamos una barra cargada a un aislante no hay electrones libres que puedan desplazarse por el material aislante; lo que ocurre es un reordenamiento de las posiciones de las cargas dentro de los propios átomos y moléculas. Por inducción un lado del átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el ladoopuesto por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado. Si, por ejemplo, la barra es negativa, entonces el lado positivo del átomo o molécula se orienta hacia la barra y el lado negativo queda orientado en sentido contrario.
Se presenta el fenómeno de polarización cuando trozos de papel neutros son atraídos por un objeto cargado o cuando se coloca un globo cargado en una pared.
En la siguiente figura, se representa la composición eléctrica de un cuerpo neutro y un cuerpo cargado.
Se puede observar que: 
-Si un cuerpo tiene carga negativa es porque ha ganado electrones de otros cuerpos y, por tanto, posee más electrones que protones. 
-Si un cuerpo tiene carga positiva es porque ha cedido electrones a otros cuerpos y, por tanto, posee menos electrones que protones.
En la actualidad, existen dos tipos de carga a las que por convenio, se les denomina cargas positivas (+) y cargas negativas (-), y por convenio, se considera como carga eléctrica negativa la que tiene el electrón, mientras la carga del protón se considera como positiva.
Todos los cuerpos están formados por átomos. En los átomos existen protones, que poseen carga positiva y electrones, con carga negativa. Los protones y los neutrones (partículas sin carga eléctrica) se encuentran en el núcleo, mientras que los electrones se encuentran en el exterior del núcleo. Cada protón (todos iguales) tienen la misma cantidad de carga eléctrica que un electrón (también iguales entre sí), aunque de diferente signo.
Los átomos poseen el mismo número de protones que de electrones, por lo que la carga positiva de los primeros se compensa con la carga negativa de los segundos. Por este motivo, un átomo en conjunto, no posee carga eléctrica neta y se dice que es eléctricamente neutro.
La transferencia y la interacción entre las cargas producen los fenómenos eléctricos. Esta interacción responde a la ley de signos; según la cual, los cuerpos que tienen carga eléctrica del mismo signo se repelen y los cuerpos que tienen cargas de diferente signo se atraen. En la siguiente figura se muestran estas interacciones.
Se puede observar que entre las cargas eléctricas surgen fuerzas de atracción o de repulsión y el que surja una u otra clase de fuerzas se debe a la característica propia (positiva o negativa) de las cargas que interactúan.
Partículas puntuales cargadas.
Muchos fenómenos físicos admiten ser tratados mediante el modelo de partícula. Por ejemplo, la órbita de la tierra alrededor del sol, analizada desde la teoría de gravitación universal, puede determinarse con excelente calidad suponiendo que la tierra es una partícula. En tal caso, suponemos que la masa de la tierra está concentrada en un objeto “puntual”. Este tipo de modelado puede hacerse cada vez que las dimensiones lineales del cuerpo resulten muy pequeñas comparadas con las distancias involucradas en el fenómeno analizado.
El mismo criterio puede utilizarse en electrostática. Cuando la carga eléctrica reside sobre un cuerpo cuyas dimensiones son muy pequeñas comparadas con las distancias de interacción, podemos modelar al cuerpo como una partícula puntual. Es habitual la denominación “carga puntual” para referirse al caso en que la carga eléctrica reside sobre un cuerpo puntual. Es importante remarcar que las cargas puntuales sólo existen en los modelos; nunca en la realidad.
Experimento de la Gota de Aceite de Millikan.
En el año 1909 Robert Millikan y Harvey Fletcher diseñaron y realizaron el primer experimento para medir la carga del electrón. Hasta entonces los electrones sólo habían podido ser observados en forma de rayos catódicos, pero con ellos sólo se podía determinar la relación entre su carga y su masa. Con este experimento, Millikan logró medir el valor de la carga y, por tanto, también el de la masa. Para ello supuso (por aquel entonces no estaba verificado) que la carga del electrón era la fundamental y, en consecuencia, la carga de cualquier cuerpo sería un múltiplo de dicha cantidad.
El equipo básico para realizar el experimento de Millikan está representado esquemáticamente en la figura.
En una cámara cerrada se pulverizan pequeñas gotas de un aceite especial, de densidad ρ. Algunas de estas gotas se electrizan levemente en el momento de ser pulverizadas. Lógicamente, cada gota empieza a caer verticalmente por la acción de la gravedad, pero a su vez el aire ejerce sobre ellas una fuerza de resistencia que se opone a su movimiento y cuyo módulo es proporcional a la velocidad de caída. Esta fuerza, para un pequeño cuerpo esférico, satisface la ley de Stokes.
Como las gotas se cargan ligeramente al capturar iones presentes en el aire, o simplemente por fricción con la boquilla del pulverizador, con este experimento se comprobó que las cargas son un múltiplo de la carga elemental , y pudo determinarse su valor.
Este experimento demuestra como con aparatos relativamente sencillos y con leyes elementales de la Física se pueden determinar cantidades fundamentales importantísimas. Descubrimientos recientes nos revelan que Millikan no fue del todo honrado en la comunicación de sus resultados y que la intuición se impuso a la observación.
Ing. Santiago Navarro Altamar