Fórmulas de Electrostática y Circuitos Eléctricos: Conceptos y Aplicaciones

Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión. Los materiales se consideran cargados cuando tienen un exceso o un defecto de carga.

• Hay dos tipos de carga: positiva (+) y negativa (-).
• Dos cargas con el mismo signo se repelen y con distinto signo se atraen.
• La fuerza de atracción o repulsión es directamente proporcional a la cantidad de carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, según la ley de Coulomb.
• La constante dieléctrica relativa (ε_r) depende del material. Para el aire o el vacío, ε_r = 1.

Campo Eléctrico

El campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. Para una carga puntual q, el campo eléctrico viene dado por una fórmula específica que relaciona la fuerza, la carga y la distancia.

Líneas de fuerza (o de campo): Son las trayectorias que describiría una carga de prueba si se la soltara cerca de la carga que produce el campo.

• Líneas de fuerza de un dipolo.
• Las líneas de campo siempre van de (+) a (-).

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico es la energía potencial eléctrica por unidad de carga.

Diferencia de potencial: Se puede interpretar como el trabajo necesario para mover una carga unitaria desde un punto a otro. Indica la tendencia de una carga a moverse de un punto a otro, ya que representa la diferencia de energía potencial entre ambos puntos. Para un campo eléctrico constante, la diferencia de potencial se calcula mediante una fórmula específica.

Diferencia de potencial entre dos placas planas paralelas: Se calcula con una fórmula que considera el campo eléctrico y la distancia entre las placas.

Materiales Conductores y Aislantes

Materiales conductores: Incluyen metales, soluciones iónicas y grafito. Poseen las siguientes características:

• Baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.
• Las cargas se ubican en la superficie externa.

Materiales aislantes o dieléctricos (cargas fijas): Ejemplos son el cuero, la goma, el papel, el vidrio, el plástico y la madera. Presentan alta resistencia a la corriente.

Nota: Todos los materiales, incluso los aislantes, conducen una mínima cantidad de corriente. El cuerpo humano también es un conductor, aunque de baja conductividad.

Capacitores

Capacidad

La capacidad es la relación entre la carga y la diferencia de potencial entre dos conductores cargados con cargas iguales y opuestas.

• Un capacitor se forma con dos placas planas paralelas separadas por una distancia d. Su capacidad se calcula con una fórmula que relaciona el área de las placas, la distancia entre ellas y la constante dieléctrica del material entre las placas.
• La energía almacenada en el campo de un capacitor se calcula mediante una fórmula que involucra la capacidad y la diferencia de potencial.

Cargas en Movimiento

Corriente Eléctrica

La corriente eléctrica es la cantidad de carga que atraviesa la sección transversal de un conductor en un segundo.

Resistencia Eléctrica

La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente.

• La resistencia depende del material, las dimensiones del conductor y la temperatura.

Ley de Ohm

La ley de Ohm establece que la corriente (I) que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (ΔV) aplicada e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor.

Unidades: [V] = Voltios, [R] = Ohmios (Ω), [I] = Amperios

Efecto Joule

El efecto Joule es el aumento de temperatura que experimenta un material cuando es atravesado por una corriente eléctrica.

Circuitos Eléctricos

Circuito

Un circuito es un camino conductor, generalmente de cobre, por el cual puede circular una corriente eléctrica.

Pila, Batería, Fuerza Electromotriz o Generador Eléctrico

Son dispositivos que generan una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, como una pila convencional.

Conexión en Serie

En una conexión en serie, todas las cargas pasan sucesivamente por todos los componentes del circuito.

Conexión en Paralelo

En una conexión en paralelo, la corriente se divide, de modo que algunas cargas circulan por una rama del circuito y otras por otra. En este tipo de conexión, ninguna carga pasa por todos los componentes.