Física II, Corriente electrica y ley de Coulomb

Materia: Física II

prof.ª . María Guadalupe Juárez Nicacio

Tema: Corriente eléctrica

Actividad 1. Con respecto a lo que aprendiste la clase pasada sobre los principios básicos de electricidad, realiza la siguiente actividad.

Si consideras que el tema de electricidad ya quedo claro, ahora puedes continuar con el tema de corriente eléctrica, si aún tienes dudas, favor de mandar un mensaje y me pondré en contacto contigo.

CORRIENTE ELÉCTRICA

¿Por qué se produce una corriente de agua?

 Por diferencias de altura en el terreno (existencia de un potencial gravitatorio, mismo que se analizó en la clase 4, de no recordarlo, favor de revisar tus notas)

¿Por qué se produce una corriente de aire?

Por diferencias de temperatura en la atmósfera (existencia de un potencial térmico)

¿Por qué se produce una corriente eléctrica?

Por diferencias de potencial eléctrico (existencia de un potencial o de un campo eléctrico) 

Figura 1. Corriente de agua, corriente de aire y corriente eléctrica

¿Qué es la corriente eléctrica?

Antes de responder recordemos de la clase pasada lo que es un átomo, la palabra átomo proviene del griego y hace referencia a la parte más pequeña de un elemento, no se puede subdividir. Un átomo está formado por un núcleo en el cual hay protones (P⁺), neutrones (n⁰) y tiene también una corteza en la que se encuentran los electrones del átomo describiendo órbitas alrededor del núcleo ( estos no son completamente circulares) . Cuando el número de p⁺ y e- coincide el átomo se dice que es eléctricamente neutro, siendo éste su estado natural. La última capa donde se encuentran los e- es la capa de valencia. Esta capa de valencia, requiere para mantener su estabilidad tener 8 e- , excepto cuando existe una sola capa, en cuyo caso puede tener un máximo de 2 e- . En ocasiones, como consecuencia de un aporte de energía externa, los electrones de la última capa pueden abandonar el átomo y moverse libremente a otro con facilidad.

Este movimiento de electrones es conocido como corriente eléctrica, en resumen la corriente eléctrica ocurre cuando se ponen en contacto dos cuerpos cargados, uno negativamente (con exceso de electrones) y otro positivamente (con defecto de electrones), hay un movimiento de electrones destinado a volver a los dos cuerpos al estado neutro.

Figura 2. Cuerpo eléctricamente cargado y corriente eléctrica

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

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 electrones de valencia en un átomo, son los que se encuentran en el nivel energético más externo y ellos permiten los enlaces entre los átomos en los compuestos o entre átomos del mismo tipo en una molécula o un cristal. Por su parte, los electrones de conducción son los que se han promovido a niveles energéticos vacíos, lo que da lugar a su mayor movilidad y, eventualmente, da origen a las corrientes eléctricas

Aislantes.

 Los aislantes son materiales con una resistencia tan alta, que no es posible la conducción eléctrica a través de ellos. Un caso extremo, de este tipo de materiales, es el diamante.

Semiconductores.

 Los semiconductores se encuentran situados, por lo que hace a su resistencia, entre los conductores y los aislantes, ya que a temperaturas muy bajas difícilmente conducen la corriente eléctrica y más bien se comportan como aislantes pero, al elevar su temperatura o al ser sometidos a un campo eléctrico externo, su comportamiento cambia al de los conductores. En este tipo de materiales, cuando se transfiere un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, se crea un “hueco” que actúa como un "transportador" de carga positiva, fenómeno que eventualmente puede crear una “corriente positiva”.

Unidades de carga eléctrica

Como ya señale, un cuerpo tiene carga negativa si tiene exceso de electrones, y carga positiva si tiene carencia de electrones, por tal motivo, la unidad elemental para medir carga eléctrica es el electrón pero como es una unidad muy pequeña se utiliza el coulomb (C).

1 coulomb = 1C = 6.24 x 10 ¹⁸ electrones.

El coulomb es una unidad de carga eléctrica muy grande, por lo que es común utilizar submúltiplos.

Milicoulomb mC = 1 x 10 ^-3 C

Microcoulomb µC = 1 x 10^-6 C

Nanocoulomb nC = 1 x 10 ^-9 C

LEY DE COULOMB

Coulomb observo que a mayor distancia entre dos cuerpos cargados eléctricamente, menor es la magnitud de la fuerza de atracción o repulsión. Pero la magnitud de la fuerza no se reduce en igual proporción al incremento de la distancia, sino respecto al cuadrado de las mismas.

Ley de Coulomb:

“La magnitud de 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 las separa”.

Puede observarse que la ley de Coulomb es similar a la ley de la gravitación universal. Sin embargo, las fuerzas debidas a la gravedad siempre son de atracción, mientras las fuerzas eléctricas pueden ser de atracción o repulsión.

K= 9 x 10 ⁹Nm²/C²

Esta ecuación es válida solo cuando las cargas se encuentran en el vacío, pero si entre las cargas existe otro medio, la magnitud de la fuerza eléctrica sufrirá una disminución que depende del medio.

La permitividad es la relación que existe entre la fuerza eléctrica de dos cargas en el vacío y la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia.

Actividad 2. Observar la forma en la que se resuelven los ejemplos en los siguientes videos: CLIC AQUÍ, CLIC AQUÍ, CLIC AQUÍ,CLIC AQUÍ y después resolver los siguientes ejercicios siguiendo los siguientes pasos: datos, unidades, formula, despeje, sustitución y resultado.  

Actividad 3 Ejercicios.
1.- Determinar la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1=-5 microcoulomb y q2= -4 microcoulomb, al estar separados en el vacío a una distancia de 20 cm .
2.- Calcular la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas q1= -2mC, q2= 6mC, al estar separadas en el vacío por una distancia de 40cm. Determinar también la magnitud de la fuerza electrica, si las cargas se sumergen en agua, la permitividad del agua es igual a 80.5.