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- Cargas electricas |
| - Campos electricos | |
| - Potencial electrico y energia potencial | |
| - Dielectricos, con los condensadores | |
El comportamiento de los condensadores, inductores, resistencias y otros componentes de los circuitos electronicos se encuentran en el tutorial de Electronica elemental o en el tutorial de Semiconductores. Aqui unicamente se explican los fenomenos fisicos que se aprovechan para construir los diferentes componentes.
Esta seccion esta parcialmente en construccion.
Las cargas electricas son el objeto central de la electricidad. Gracias a estas es posible explicar todos los fenomenos electricos.
El estudio de la electricidad lo comenzo Benjamin Franklin (1706 - 1790), que ademas de ser presidente de los estados Unidos avanzo mucho en el tema de la electricidad inventando el pararayos y descubriendo, que hay dos tipos de cargas electricas, las cuales nombro posiva y negativa, y que las cargas iguales se repelen y a su vez las diferentes se atraen.
Una cosa importante en el tema de las cargas es que su numero queda invariado despues de una interaccion fisica, como por ejemplo el roce de dos cuerpos neutros. En este ejemplo si uno de los cuerpos esta cargado positivamente despues del roce el otro debe estar cargado negativamente y con el mismo valor absoluto de carga.
Para cuantificar el valor de las cargas electricas un famosos fisico llamado
MILIKAN hizo un experimento que demostraba que existia
una carga elemental e y se la atribuyo al electron. Esta carga
tiene un valor de e = 1.60217733e-19 C. Lo que significa la carga elemental
es que a la hora de transportar cargas electricas no se puede transportar fracciones
de esta, sino unicamente multiplos como 2e o 5e, pero nunca 0.734e. Por eso
la carga de un atomo no puede ser Na1.34+, sino que Na2+
o Na4+.
Nota: Tambien hay que decir que ahora con la fisica cuantica y el descubrimiento
de los quarks y otras particulas subatomicas
se ha podido comprobar que si que es posible tener una fraccion de la carga
elemental, pero esto es otro tema que no nos incumbe.
Las cargas deben moverse por diferentes medios y estos estan clasificados segun la resistencia que les hacen a las cargas al pasar. Los cuatro tipos son: isoladores, semiconductores, conductores y superconductores.
1. Los isoladores son materiales que no facilitan en absoluto la conduccion de cargas, aunque en algunas ocasiones con enormes diferencias de potencial si que dejan pasar algunas cargas, como los rayos en el aire, aunque son excepciones. De este grupo de materiales forman parte, entre otros, aire, ceramica, cristal, goma y madera.
2. Los semiconductores son materiales como silicio y germanio, que conducen una cantidad de electricidad muy pequeña, pero contolable y por eso se utilizan paa construir chips, puertas logicas o transistores.
3. Los conductores son materiales que conducen una gran parte de la electricidad que pasa por ellos y que aunque teniendo resistencia electrica se utilizan normalmente para construir cables y otros dispositivos electronicos. Entre estos materiales se encuentra cobre, aluminio, oro, etc ...
4. Los superconductores son materiales que no tienen NINGUNA resistencia, por lo cual dejan pasar toda la carga electrica, y por si fuera poco todos los materiales son superconductores. Donde esta el problema ? El problema es que los superconductores deben estar a temperaturas bajisimas (por los 30 K).
La carga electrica tiene la unidad C = Na * e (Coulomb) y es en honor al fisico frances Charles Coulomb, que desarrollo la formula que define la Fuerza de Coulomb, la Ley de Coulomb:
Fc = k * Q1 * Q2 / r2
donde Fc es la fuerza entre las particulas de carga Q1
y Q2 distanciadas por r.
k es una constante, llamada constante de Coulomb
con el valor k = 8.9875*109 N*M2/C2
= (4 * pi * epsilono)-1
epsilono es la constante del
campo electrico
Para calcular fuerzas con mas de dos cuerpos cargados solamente hace falta hacer un calculo vectorial entre los tres.
Los campos electricos atraen particulas, o las repelen. La fuerza se realiza sin tocar las particulas y se llama fuerza electroestatica. Esta fuerza depende del campo electrico y de la carga de la particula. Al descubrir los campos electricos y las fuerzas electroestaticas se convinio que el campo electrico E este definido E = Fuerza / carga de la particula, lo que hace que su unidad sea N / C y la formula:
E = Fc / Q
En los campos electrico se puede usar el principio de superposicion, que dice que la suma de las cargas es igual a la suma vectorial de ellas.
Para visualizar campos electricos se utilizan las lineas del campo electrico. Estas tienen unas caracteristicas y son la forma de representar los campos electricos. La relacion entre las lineas y el campo electrico es esta:
1. E es siempre tangente a las lineas del campo electrico.
2. La densidad de las linea es proporcional a la cantidad del campo electrico en una region.
Mas caracteristicas de las lineas y su relacion con las cargas de los cuerpos son estas:
1. Las lineas van de la carga positiva, o del infinito, a la carga negativa, o al infinito.
2. El numero de lineas que llegan a la carga positiva y a la negativa indicaran la cantidad de carga de los cuerpos.
3. Las lineas no se cruzaran NUNCA.
La energia potencial esta definida como fuerza por distancia. En un campo electrico la fuerza que existe es Fc (Fuerza de Coulomb) y la distancia es la separacion de los dos cuerpos r por eso y como:
Ep = Fc * r = (k * Q1 * Q2 / r2) * r = k * Q1 * Q2 / r
Ep = k * Q1 * Q2 / r
El potencial electrico es el llamado voltaje, que esta definido como trabajo por unidad. Por eso:
V = Ep / q = (k * q1 * q2 / r) / q = k * q / r
V = k * q / r
La unidad de la diferencia de potencial es el voltio en honor al fisico italiano Alessandro Volta. 1 Voltio equivale a un Julio por Coulomb.
El comportamiento de los condensadores en circuitos electronicos se analiza en la seccion de Electronica Elemental-Condensadores. Aqui unicamente queremos estudiar el comportamiento que depende de los efectos fisicos.
Primero habria que ver el funcionamiento de un condensador
