Interacción electrostática y corriente eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia. Según el modelo atómico, los electrones poseen carga negativa y los protones carga positiva.

1. Naturaleza y Cuantización: La carga no puede tomar cualquier valor. Está cuantizada, lo que significa que cualquier carga $Q$ es un múltiplo entero de la carga elemental $e$ ($e \approx 1,602 \times 10^{-19} \text{ C}$). $Q = n \cdot e$
2. Conservación: En un sistema aislado, la carga eléctrica total se mantiene constante; no se crea ni se destruye, solo se transfiere.
3. Ley de Coulomb: Describe la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales en reposo. Su expresión vectorial es: $\vec{F} = K \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2} \vec{u}_r$ Donde $K$ es la constante de Coulomb ($9 \times 10^9 \text{ N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$ en el vacío).

La fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Si tenemos más de dos cargas, aplicamos el Principio de Superposición: la fuerza total sobre una carga es la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercidas por las demás.

El campo eléctrico ($\vec{E}$) es una perturbación que una carga crea en el espacio que la rodea. Se define como la fuerza que actuaría sobre una unidad de carga positiva situada en ese punto: $\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0} = K \frac{Q}{r^2} \vec{u}_r$

• Líneas de campo: Son representaciones visuales. Salen de las cargas positivas (fuentes) y entran en las negativas (sumideros). Nunca se cruzan y su densidad indica la intensidad del campo.
• Sistema de cargas: Para calcular el campo total en un punto creado por varias cargas, sumamos vectorialmente los campos individuales: $\vec{E}_{total} = \sum \vec{E}_i$.

La interacción electrostática es una fuerza conservativa, lo que permite definir una energía potencial.

• Energía Potencial ($E_p$): Trabajo necesario para traer una carga desde el infinito hasta una distancia $r$. $E_p = K \frac{Q \cdot q}{r}$
• Potencial Eléctrico ($V$): Energía potencial por unidad de carga. Es una magnitud escalar (se mide en Voltios, V). $V = K \frac{Q}{r}$
• Superficies equipotenciales: Son regiones del espacio donde el potencial es constante. El vector campo eléctrico siempre es perpendicular a las superficies equipotenciales y apunta hacia donde el potencial disminuye.

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Un conductor está en equilibrio cuando sus cargas eléctricas no presentan movimiento neto. En este estado, ocurren fenómenos fascinantes:

1. Campo interno nulo: El campo eléctrico en el interior de un conductor en equilibrio es cero ($\vec{E} = 0$).
2. Distribución de carga: El exceso de carga se sitúa exclusivamente en la superficie externa.
3. Potencial constante: Todo el conductor es un volumen equipotencial; no hay diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de él.
4. Efecto de las puntas: La densidad de carga es mayor en las zonas de mayor curvatura (puntas), donde el campo eléctrico es más intenso.
5. Jaula de Faraday: Este principio explica por qué el interior de un coche o un avión es seguro durante una tormenta eléctrica: el campo externo no penetra en el interior del conductor hueco.

Un condensador es un dispositivo diseñado para almacenar carga y energía eléctrica. Consiste en dos conductores (armaduras) separados por un aislante (dieléctrico).

• Capacidad ($C$): Es la relación entre la carga almacenada y la diferencia de potencial aplicada. Se mide en Faradios (F). $C = \frac{Q}{V}$
• Placas paralelas: Para un condensador de placas planas de área $A$ separadas una distancia $d$: $C = \epsilon_0 \frac{A}{d}$.
• Energía: La energía almacenada es $W = \frac{1}{2} C V^2$.

Asociación de condensadores:

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La corriente eléctrica es el flujo ordenado de carga eléctrica a través de un conductor.

• Intensidad ($I$): Cantidad de carga que atraviesa una sección del conductor por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A). $I = \frac{dQ}{dt}$
• Corriente Continua (CC): Las cargas fluyen siempre en el mismo sentido (ej. pilas).
• Corriente Alterna (CA): El sentido del movimiento de las cargas cambia periódicamente (ej. red eléctrica doméstica).

La resistencia ($R$) es la oposición que presenta un material al paso de la corriente. Depende de la geometría y del material (resistividad, $\rho$): $R = \rho \frac{L}{A}$

La Ley de Ohm establece la relación fundamental en circuitos: ==$V = I \cdot R$==

• Conductores óhmicos: Aquellos que mantienen una resistencia constante (la gráfica V-I es una línea recta).
• Temperatura: En los metales, la resistencia suele aumentar con la temperatura debido al incremento de las colisiones de los electrones con los iones de la red.

Cuando las cargas se mueven por un conductor con resistencia, chocan con los átomos del material, transformando energía eléctrica en calor. Esto se conoce como Efecto Joule.

• Energía disipada: $E = I^2 \cdot R \cdot t$
• Potencia eléctrica ($P$): Rapidez con la que se consume o entrega energía. Se mide en Vatios (W). $P = V \cdot I = I^2 \cdot R$ La eficiencia energética busca minimizar estas pérdidas por calor, especialmente en el transporte de electricidad a larga distancia.

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Un generador es un dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos.

• Fuerza Electromotriz ($\varepsilon$): Es el trabajo que el generador realiza por unidad de carga para moverla por todo el circuito (incluyendo el interior del generador).
• Resistencia interna ($r$): Los generadores reales no son perfectos y pierden energía internamente.
• Tensión en bornes ($V_b$): Es el voltaje real que el generador entrega al circuito exterior. $V_b = \varepsilon - I \cdot r$

Para resolver circuitos, utilizamos herramientas sistemáticas:

1. Asociación de Resistencias:
   • Serie: $R_{eq} = R_1 + R_2 + ...$ (La intensidad es la misma).
   • Paralelo: $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ...$ (El voltaje es el mismo).
2. Leyes de Kirchhoff:
   • Ley de los nudos: La suma de intensidades que entran en un nudo es igual a la suma de las que salen.
   • Ley de las mallas: En un circuito cerrado, la suma de las fuerzas electromotrices es igual a la suma de las caídas de tensión ($I \cdot R$).

Instrumentos de medida:

• Amperímetro: Mide intensidad. Se conecta siempre en serie y debe tener resistencia interna casi nula.
• Voltímetro: Mide diferencia de potencial. Se conecta siempre en paralelo y debe tener resistencia interna muy elevada.