Introducción a la Electricidad y el Magnetismo
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Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atracción o repulsión entre partículas. Se mide en culombios (C). Los materiales son normalmente neutros. Los electrones se mueven de un material a otro, originando cuerpos cargados negativa o positivamente. La carga es directamente proporcional al número de electrones en exceso o defecto.
Tipos de Electrización
- Frotamiento: Un cuerpo adquiere carga positiva o negativa, dependiendo de su facilidad para perder o ganar electrones en comparación con el otro cuerpo.
- Contacto: Ambos cuerpos adquieren carga del mismo signo, y la carga inicial se reparte entre ellos.
- Inducción: Un cuerpo adquiere carga del signo contrario al del cuerpo inductor, sin contacto directo.
Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb describe la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales. Se expresa como:
F = k × (q₁ × q₂) / d²
Donde:
- F es la fuerza eléctrica (en Newtons, N).
- k es la constante de Coulomb, con un valor aproximado de 9 × 10⁹ N·m²/C².
- q₁ y q₂ son las magnitudes de las cargas eléctricas (en culombios, C).
- d es la distancia entre las cargas (en metros, m).
Dado que el valor de k es muy grande, la fuerza entre cargas eléctricas es significativa.
Unidades y Prefijos
- Carga elemental (e): 1,6 × 10⁻¹⁹ C
Prefijos del Sistema Internacional:
- mili (m): 10⁻³
- micro (µ): 10⁻⁶
- nano (n): 10⁻⁹
- pico (p): 10⁻¹²
Fuerza Gravitatoria
La fuerza gravitatoria es la fuerza de atracción que se manifiesta entre cuerpos debido a su masa. Se presenta en todos los cuerpos y siempre es de atracción, actuando a distancia.
Ley de Gravitación Universal
La Ley de Gravitación Universal describe la fuerza de atracción gravitatoria entre dos masas. Se expresa como:
F = G × (m₁ × m₂) / d²
Donde:
- F es la fuerza gravitatoria (en Newtons, N).
- G es la constante de gravitación universal, con un valor aproximado de 6.674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg².
- m₁ y m₂ son las masas de los cuerpos (en kilogramos, kg).
- d es la distancia entre los centros de masa de los cuerpos (en metros, m).
Dado que el valor de G es muy pequeño, para que la fuerza gravitatoria sea significativa, al menos una de las masas debe ser muy grande.
Magnetismo y Electromagnetismo
Imán
Un imán es un objeto que atrae ciertos materiales ferromagnéticos (como el hierro). Siempre posee un polo norte y un polo sur.
Electromagnetismo
El electromagnetismo es la rama de la física que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.
Electroimán
Un electroimán es un imán que genera un campo magnético mediante el paso de una corriente eléctrica.
Generación de Corriente Eléctrica con un Imán
La corriente eléctrica se genera moviendo un imán dentro de una bobina conectada a un circuito. Cuanto más rápido se mueva el imán, mayor será la intensidad de la corriente generada.
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica es el flujo ordenado de cargas eléctricas. Se comporta como un imán, generando un campo magnético a su alrededor.
Circuitos Eléctricos
Circuito Eléctrico
Un circuito eléctrico es un camino cerrado por el cual las cargas eléctricas se mueven y regresan a su punto de partida. Los elementos de un circuito pueden conectarse en serie o en paralelo.
Ley de Ohm
La Ley de Ohm establece la relación entre el voltaje, la intensidad de corriente y la resistencia en un circuito. Se expresa como:
V = I × R
Donde:
- V es el voltaje o diferencia de potencial (en voltios, V).
- I es la intensidad de corriente (en amperios, A).
- R es la resistencia eléctrica (en ohmios, Ω).
Tipos de Conexión de Circuitos
Circuitos en Serie
- La intensidad de corriente (I) es la misma en todos los puntos del circuito.
- El voltaje total (Vt) es la suma de los voltajes individuales: Vt = V₁ + V₂ + ...
- La resistencia total (Rt) es la suma de las resistencias individuales: Rt = R₁ + R₂ + ...
Circuitos en Paralelo
- La intensidad de corriente total (I) es la suma de las intensidades individuales: I = I₁ + I₂ + ...
- El voltaje (V) es el mismo en todos los componentes: V₁ = V₂ = V₃ = ...
- El inverso de la resistencia total (1/Rt) es la suma de los inversos de las resistencias individuales: 1/Rt = 1/R₁ + 1/R₂ + ...
Energía y Potencia Eléctrica
La energía eléctrica (E) es la capacidad de la corriente para realizar un trabajo. Se calcula como:
E = P × t (Potencia × tiempo)
La potencia eléctrica (P) es la rapidez con la que se consume o genera energía. Se calcula como:
P = E / t = V × I = I² × R = V² / R
Efectos de la Corriente Eléctrica
Efecto Térmico (Efecto Joule): Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, este se calienta debido a los continuos choques entre los electrones en movimiento y las partículas del material. El Efecto Joule es la transformación de energía eléctrica en energía térmica (calor).
Efecto Luminoso: La corriente eléctrica puede generar luz, como en las bombillas.
Efecto Magnético: La corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. Un alternador es una máquina que hace girar una bobina conductora dentro de un sistema de imanes, generando corriente alterna.
Efecto Mecánico: La corriente eléctrica puede generar movimiento, como ocurre en un motor eléctrico, cuyo funcionamiento es inverso al del alternador.
Efecto Químico: La corriente eléctrica puede provocar reacciones químicas (electrólisis). En la industria, se utiliza para obtener metales, purificarlos o recubrir un material con una capa fina de otro. La Galvanoplastia es una técnica que permite recubrir objetos metálicos o cerámicos con una fina capa de metal.
Componentes Electrónicos Fundamentales
Diodo
Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido.
Transistor
Un transistor es un componente electrónico utilizado para abrir o cerrar circuitos (como un interruptor) o para amplificar señales eléctricas.
Microprocesador
Un microprocesador es un circuito integrado complejo formado por millones de transistores y otros componentes electrónicos, fabricado sobre un soporte de silicio.
Resistencia
Una resistencia es un componente que regula la cantidad de corriente eléctrica que circula por una parte de un circuito electrónico.
Condensador
Un condensador es un dispositivo que permite almacenar carga eléctrica y liberarla cuando sea necesario, generando una corriente eléctrica. Consta de dos placas metálicas separadas por un material aislante (dieléctrico).
Capacidad de un Condensador
La capacidad de un condensador es la relación entre la carga eléctrica que puede almacenar y el voltaje aplicado. Se expresa como:
C = q / V
Donde:
- C es la capacidad (en faradios, F).
- q es la carga almacenada (en culombios, C).
- V es el voltaje (en voltios, V).