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Y si hubiera una fuerza universal que, como la
gravedad, variara inversamente en función del
cuadrado de la distancia, pero que fuera miles de
millones de millones de veces más fuerte? Si
hubie-ra una fuerza de athubie-racción así, como la ghubie-ravedad, el
Universo se juntaría y formaría una esfera
compri-mida, con toda la materia atraída físicamente lo
más cerca posible entre sí. No obstante, imagina
que esa fuerza fuera de repulsión y que cada
par-tícula de materia repeliera a todas las demás. ¿Qué
pasaría? El Universo sería una nube gaseosa y es-
taría expandiéndose. Sin embargo, supón que el
Universo consistiera en dos clases de partículas,
digamos positivas y negativas. Supón que las
posi-tivas repelieran a las posiposi-tivas, pero que atrajeran a
las negativas; y que las negativas repelieran a las
negativas, pero que atrajeran a las positivas. En
otras palabras, que las iguales se
repelieran entre sí y las distintas
se atrajeran (figura 10.1). Además,
imagina que hubiera una cantidad igual de cada
una, de manera que esta gran fuerza estuviera
per-fectamente equilibrada. Entonces, ¿cómo sería el
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X\c\Zki`Z`[X[j\\eZl\ekiX\eZXj`kf[fcfhl\efj if[\X%;\j[\\ci\c}dgX^f\e\cZ`\cfpcXZ_`jgXZlXe[f\eZ\e[\dfjle]j]fif#_XjkXcfhl\ dXek`\e\le`[fjXcfj}kfdfjgXiX]fidXi dfcZlcXj%<cZfekifc[\cX\c\Zki`Z`[X[j\_XZ\\m`[\ek\
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Universo? La respuesta es sencilla: Sería como el
que observamos y en el cual vivimos. Porque sí
existen esas partículas y sí hay tal fuerza. A esta
última la llamamos fuerza eléctrica.
Los términos
positivo y negativo
se refieren a la
carga eléctrica, la cantidad fundamental que se
encuentra en todos los fenómenos eléctricos. Las
partículas con carga positiva en la materia
ordina-ria son protones, y las partículas con carga negativa
son electrones. La fuerza de atracción entre tales
partículas hace que se agrupen en unidades
increí-blemente pequeñas: los átomos. (Los átomos también
contienen partículas neutras llamadas
neutrones.)
En el capítulo 2 estudiamos los átomos. A
conti-nuación veremos algunos hechos fundamentales
acerca de los átomos.
1.
Cada átomo está formado por un núcleo
con carga positiva rodeado por electrones con
carga negativa.
2.
Los electrones de cualquier átomo tienen la
misma cantidad de carga negativa y la misma
masa. Todos los electrones son idénticos entre sí.
3.
Los protones y los neutrones forman el
núcleo. (La forma más común de un átomo
de hidrógeno no tiene neutrones y es la única
excepción.) Los protones tienen unas 1800
veces más masa que los electrones, pero la
cantidad de carga positiva que tienen es igual
a la carga negativa de los electrones. Los
neu-trones tienen una masa un poco mayor que la
de los protones, y no tienen carga neta.
4.
En general los átomos tienen igual cantidad
de electrones que de protones, así que el
átomo tiene una carga neta igual a cero.
Cuando un átomo pierde uno o más electrones,
tiene una carga neta positiva; en tanto que cuando
gana uno o más electrones, tiene una carga neta
negativa. Un átomo con carga eléctrica se llama
ion.
Un ion positivo tiene una carga neta positiva.
Un ion negativo, con uno o más electrones
adicio-nales, tiene una carga neta negativa.
Los objetos materiales están formados por
áto-mos, lo cual quiere decir que están formados por
electrones y protones (y también por neutrones).
Aunque los electrones más cercanos al núcleo
ató-mico están muy fuertemente atraídos al núcleo
atómico de carga opuesta, los electrones más
aleja-dos de muchos átomos son atraíaleja-dos muy
débilmen-te y se pueden desprender con facilidad. La cantidad
de trabajo que se requiere para desprender un
elec-trón de un átomo varía entre una sustancia y otra.
Una envoltura de plástico se carga de electricidad
al retirarla del envase, por ello es atraída por éste.
Los electrones están sujetados con más firmeza en
el caucho o en el plástico que en tu cabello, por
ejemplo. Así, cuando frotas un peine en tu cabello,
los electrones pasan de éste al peine. Entonces, el
peine tiene un exceso de electrones y se dice que
tiene carga negativa. A la vez, tu cabello tiene una
deficiencia de electrones y se dice que tiene carga
positiva. Si frotas una varilla de vidrio o de plástico
contra seda, verás la varilla se carga positivamente.
La seda tiene más afinidad hacia los electrones, que
el vidrio o el plástico. Los electrones se desprenden
de la varilla y pasan a la seda.
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Entonces los protones atraen a los electrones y
tenemos átomos. Los electrones repelen a los
elec-trones y así tenemos materia, porque los átomos no
se mezclan entre sí. Este par de reglas constituyen
el fundamento de la electricidad.
CXZXi^X\jZfdfcX \jkX]\kXhl\j\ \eki\^X\eleX ZXii\iX[\i\c\mfj% J\gXjX[\le fYa\kfXfkif#g\if efj\g`\i[\%
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Otra regla básica consiste en
que siempre que se carga algo,
los electrones no se crean ni
destruyen. Los electrones
sim-plemente se transfieren de un
material a otro. La carga se
con-serva. En cualquier caso, ya sea
a gran escala o a niveles atómico
o nuclear, el principio de
conser-vación de la carga
se ha
compro-bado que se aplica siempre. Nunca se ha encontrado
un caso en que se presente la creación o la
destruc-ción de la carga eléctrica neta. La conservadestruc-ción de
la carga se equipara con la conservación de la
ener-gía y la cantidad de movimiento como un principio
significativo y fundamental de la física.
G8 I 8 P
< O 8 D à E 8 K <
J`XcXiiXjkiXikljg`\jjfYi\leXXc]fdYiXj\hl\[X Zfe\c\Zkife\j[\kljg`\j#¶k\ZXi^XiXje\^Xk`mXf gfj`k`mXd\ek\6
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AZnYZ8djadbW
A
a fuerza eléctrica, al igual que la fuerza
gravitacio-nal, disminuye inversamente con el cuadrado de
la distancia entre las cargas. Esta relación fue
des-cubierta por Charles Coulomb en el siglo , y
se llama
ley de Coulomb
, la cual establece que
para dos objetos cargados, de tamaño mucho
menor que la distancia que los separa, la fuerza
entre ellos varía en forma directa con el producto
de sus cargas, e inversamente con el cuadrado de la
distancia que los separa. La fuerza actúa en línea
recta de un objeto cargado hacia el otro. La ley de
Coulomb se puede expresar como:
F = kq1q2 d2
Algunos desiertos, como los de las planicies de una carga eléctrica puede ser peligrosa. Hace 200 años, a los jovencitos que acarreaban sacos de pólvora negra con los pies descalzos, para los cañones de los barcos de guerra, se les conocía con el mote de monos de pólvora. Era una ley marítima que tenían que hacer dicha tarea descalzos. ¿Por qué? Porque era importante que no se acumulara ninguna carga estática en la pólvora negra que acarreaban estos jovencitos. Los pies descalzos no rasgaban tanto la cubierta de los barcos, como lo hacían los zapatos, y se aseguraba así que no se acumulara la carga estáti-ca, la cual podría causar una chispa que encendiera la pólvora y originara una explosión.
En la actualidad la carga estática resulta peli-grosa en muchas industrias, no solamente por las explosiones, sino debido a los delicados circuitos electrónicos que pueden resultar destruidos por las cargas estáticas. Algunos componentes de estos circuitos son demasiado sensibles y son “incendiados” por las chispas de electricidad estática. Los técnicos en electrónica con frecuencia usan ropa confeccionada con telas especiales, que tienen conexiones a tierra entre las mangas y los calcetines. Algunos usan pulseras especiales conectadas a una superficie que hace tierra para que no se formen cargas estáticas, por ejemplo, al mover una silla. Cuanto más pequeño sea un circuito electrónico, existe mayor riesgo de que las chispas hagan corto en los elementos que lo componen.
: @ < E : @ 8 P J F : @ < ; 8 ;
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Las investigaciones indican que en la actualidad la
gran mayoría de los estadounidenses creen que los brazaletes ionizados pueden reducir el dolor muscu-lar y de las articulaciones. Asimismo, los fabricantes aseguran que los brazaletes ionizados sí alivian ese tipo de dolores. ¿Estarán en lo cierto? En 2002 esa afirmación fue sometida a prueba por los investiga-dores de la Clínica Mayo en Jacksonville, Florida. De manera aleatoria se asignaron 305 participantes para que usaran brazaletes ionizados durante 28 días, y a otros 305 participantes para que utilizaran unos brazaletes placebo durante ese mismo periodo. Los voluntarios del estudio eran mujeres y hombres mayores de 18 años de edad, que al inicio del estu-dio habían informado que sufrían dolores musculo-esqueléticos.
Ni los investigadores ni los participantes sabían cuáles voluntarios portaban un brazalete ionizado y cuáles un brazalete placebo. Proporcionados por el fabricante, ambos tipos de brazaletes eran
idénti-cos y se usaban de acuerdo con las recomendaciones especificadas. Es interesante que ambos grupos informaron que habían experimentado una reduc-ción importante en el dolor que padecían. No se encontró diferencia alguna entre la cantidad de ali-vio del dolor entre los dos grupos diferentes. Aparentemente, ¡el simple hecho de pensar que el brazalete aliviaba el dolor surtió efecto!
De manera también interesante, el cerebro inicia la producción de endorfinas (las cuales adormecen los sitios receptores) cuando el individuo espera obtener un alivio a su dolor. El efecto placebo es muy real y medible usando la titulación química sanguínea. Así que tiene alguna validez el viejo ada-gio de que si esmeradamente se desea algo, el deseo se volverá realidad. Sin embargo, esto no tiene que ver nada con la física, la química o la interacción biológica con el brazalete. Por lo tanto, los brazale-tes ionizados se unen a las filas de los dispositivos seudocientíficos.
En cualquier sociedad que lucha más por llamar la atención que por informar, la seudociencia se vuel-ve un gran negocio.
: @ < E : @ 8 P J F : @ < ; 8 ;
partículas cargadas con 1 coulomb cada una y
estuvieran separadas 1 metro, la fuerza de
repul-sión entre ambas sería de 9 mil millones de
newtons.* ¡Sería 10 veces mayor que el peso de un
buque de guerra! Es evidente que tales cantidades
de carga neta no son comunes en nuestro ambiente
cotidiano.
De manera que la ley de Newton de la
gravita-ción, para objetos masivos, es similar a la ley de
Coulomb para cuerpos eléctricamente cargados. La
diferencia más importante entre las fuerzas
gravita-cional y eléctrica radica en que esta última puede
ser de atracción o de repulsión; mientras que las
fuerzas gravitacionales son únicamente de
atrac-ción. La ley de Coulomb destaca las fuerzas de
enlace entre moléculas que son esenciales en el
campo de la química.
* Compara esto con la fuerza gravitacional de atracción entre dos masas de 1 kg separadas 1 m: 6.67 10 11 N. Ésta
es una fuerza extremadamente pequeña. Para la fuerza de 1 N, ¡las masas que están separadas 1 m deberían ser casi de 123,000 kg cada una! Las fuerzas gravitacionales entre los objetos ordinarios son demasiado pequeñas, y las diferencias en las fuerzas eléctricas entre los objetos ordinarios pueden ser inmensas. Nosotros no las sentimos porque las fuerzas positivas y las negativas se equilibran y, aun para los objetos altamente cargados, el desequilibrio entre electrones y pro-tones es normalmente menor que una parte de un billón de billones.
donde
d
es la distancia entre las partículas con
carga,
q
1representa la cantidad de carga de una
partícula,
q
2representa la cantidad de carga de la
otra partícula, y
k
es la constante de proporcio-
nalidad.
La unidad de carga es el
coulomb
,
y su
símbo-lo es C. Resulta que una carga de 1 C es aquella
que contiene en conjunto 6.25
millones de billones (10
18) de
electrones. Esto parecería una
gran cantidad de electrones,
aunque sólo representa la carga
que pasa por una bombilla
eléc-trica común (foco) de 100 watts
durante un poco más de un
segundo.
En la ley de Coulomb la constante de
proporcio-nalidad
k
es similar a
G
en la ley de la gravitación
de Newton. En vez de ser un número muy pequeño
como
G
,
k
es un número muy grande,
aproximada-mente
k
9,000,000,000 N
m
2/C
2O bien, en notación científica,
k
9.0 10
9N
m
2/C
2. La unidad N
m
2/C
2no tiene mucha
importancia en nuestro análisis; tan sólo convierte
el lado derecho de la ecuación a la unidad de
fuer-za, el newton (N). Lo importante es la gran
mag-nitud de
k.
Si, por ejemplo, hubiera un par de
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GfcXi`qXZ`e[\cXZXi^X
Frota un globo inflado contra tu cabello y se
car-gará eléctricamente; luego, colócalo contra una
pared y se quedará adherido a ella. Esto se debe a
que la carga del globo altera la distribución de la
carga en los átomos y las moléculas de la pared,
induciendo efectivamente una carga contraria sobre
la pared. Las moléculas no se pueden mover de sus
posiciones relativamente fijas, pero sus “centros de
carga” sí se mueven. La parte positiva del átomo o
la molécula es atraída hacia el globo; en tanto que la
parte negativa es repelida. Esto tiene el efecto de
distorsionar al átomo o la molécula (figura 10.6).
Entonces, se dice que el átomo o la molécula están
eléctricamente polarizados
.
G8 I 8 P
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[\k\id`eX[X]l\iqXgfileXgXikZlcXZXi^X[X# ¶hlkXekf[`jd`el`i}cX]l\iqXj`\cgifkej\ Xc\aX[\cXgXikZlcXki\jm\Z\jcX[`jkXeZ`Xfi`^`$ eXc6¶PZ`eZfm\Z\jcX[`jkXeZ`Xfi`^`eXc6 *% <e\jk\ZXjf#¶Zl}c\j\cj`^ef[\cXZXi^X[\cX
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Ef#Xd\efjhl\klZXY\qX\jklm`\iXcc\eX[\X`i\j`cX dXjX[\klZXY\qX]l\iXd}jfd\efj`^lXchl\cX[\c ^cfYf %CX]l\iqXhl\jfjk`\e\Xc^cfYfjfYi\cXgXi\[ef gl\[\jfjk\e\iklZXY\qX#hl\\jd}jg\jX[X%
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C
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A
as fuerzas eléctricas, como las gravitacionales,
actúan entre objetos que no se tocan entre sí. En
la electricidad y en la gravitación hay un campo de
fuerzas que influye sobre los cuerpos distantes
car-gados y masivos, respectivamente. Las propiedades
del espacio que rodea cualquier cuerpo masivo se
alteran de tal manera, que otra masa introducida
en esa región sentiría una fuerza. Esta “alteración en
el espacio” se llama
campo gravitacional
.
Se puede
pensar que cualquier otro cuerpo masivo interactúa
con el campo, y no directamente con el cuerpo
masivo que lo produce. Cuando una manzana cae
del árbol, por ejemplo, decimos que interactúa con
la Tierra; aunque también supondríamos que la
manzana interactúa con el campo gravitacional
terrestre. Es común pensar que los cohetes lejanos,
y cuestiones por el estilo, interactúan con los
cam-pos gravitacionales y no con los cuercam-pos
responsa-bles de los campos. El campo juega un papel de
intermediario en la fuerza entre los cuerpos. Y, lo
que es más importante, el campo almacena
ener-gía. Así que, en forma similar al campo
gravita-cional, el espacio alrededor de
cada carga eléctrica es
energiza-do por un
campo eléctrico
, es
decir, una especie de aura
ener-gética que se extiende por el
espacio.*
* Un campo eléctrico es una cantidad vectorial que tiene tanto magnitud como dirección. La magnitud del campo en cualquier punto es simplemente la fuerza por unidad de car-ga. Si una carga q experimenta una fuerza F en algún punto del espacio, entonces el campo eléctrico E en ese punto será
E = F/q.
? F I E F ; < D @ : I F F E ; 8 J
Imagina una caja con algunas pelotas de ping-pong que están entre algunos bastones, todo en reposo. Ahora imagina que repentinamente los bastones oscilan de un lado a otro y golpean las pelotas de ping-pong cercanas. Casi inmediatamente la mayo-ría de las pelotas adquieren energía y se mueven en todas direcciones. Un horno de microondas funcio-na de manera parecida. Los bastones son moléculas de agua, que se ponen a oscilar al ritmo de las microondas en la caja. Las pelotas de ping-pong son las otras moléculas que forman el grueso del ali-mento que se cocina.
Las moléculas de H2O están eléctricamente polarizadas, con cargas opuestas en lados opuestos. Cuando se impone un campo eléctrico, las molécu-las de agua se alinean con el campo, como la aguja de una brújula cuando se alinea con un campo magnético. Cuando se hace oscilar el campo, las moléculas de H2O oscilan también, y con bastante energía, cuando la frecuencia de las ondas coincide
con la frecuencia rotacional natural del agua. De esta forma se cuece el alimento al convertir las moléculas de H2O en una especie de fuente de energía oscilante que imparte movimiento térmico a las moléculas del alimento circundantes. Si el alimento no tuviera moléculas polares, el horno de microondas no funcionaría. Por tal razón, las microondas pueden atravesar los utensilios de poliestireno, de papel o de cerámica, y se reflejan de los hechos de metal sin lograr su cometido. Sin embargo, le proporcionan energía a las moléculas de agua.
Hay que tener cuidado cuando el agua entra en ebullición dentro de un horno de microondas. En ocasiones, el agua puede calentarse más rápido de lo que tardan en formarse las burbujas, y entonces se calienta más allá de su punto de ebullición ¡y estaría supercaliente! Si el agua se agita o se mueve lo suficiente como para provocar que las burbujas se formen rápidamente, éstas expulsarán violentamen-te el agua calienviolentamen-te fuera de su recipienviolentamen-te, y podría dañar el rostro de alguna persona.
8 G C @ : 8 : @ F E < J : F K @ ; @ 8 E 8 J
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(a) (b) (c)
)'+ G8IK< KI<J <C<:KI@:@;8; P D8>E<K@JDF
('%+
Si colocas una partícula cargada en un campo
eléctrico, experimentará una fuerza. La dirección
de la fuerza en una carga positiva es la misma
dirección que la dirección del campo. Alrededor de
un protón, el campo eléctrico se extiende
radial-mente desde el protón. Alrededor de un electrón, el
campo está en la dirección opuesta (figura 10.8).
Al igual que la fuerza eléctrica, el campo eléctrico
alrededor de una partícula obedece la ley del
cua-drado inverso. Algunas configuraciones de campos
eléctricos se indican en la figura 10.9; mientras que
las fotografías de los patrones de campos se
mues-tran en la figura 10.10. En el capítulo siguiente,
veremos cómo las limaduras de hierro se alinean de
forma parecida a los campos magnéticos.
C D
E F
= @ > L I 8 ( ' % ( '
?\YiXjjljg\e[`[Xj\eleYXf[\XZ\`k\j\Xc`e\Xe \oki\dfZfe\oki\df#j`^l`\e[fcX[`i\ZZ`e[\cZXdgf% X :Xi^Xj`^lXc\jpfgl\jkXj%Y :Xi^Xj`^lXc\j%Z GcXZXj ZfeZXi^Xjfgl\jkXj%[ :`c`e[ifpgcXZXZfeZXi^Xj fgl\jkXj%
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G8 I 8 P
< O 8 D à E 8 K <
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<ccXpjlZXY\ccf\jk}eZXi^X[fj%:X[XZXY\ccf\ji\g\c`[f gfifkifjhl\\jk}eXjlXci\[\[fi#cfZlXc\jleX \m`[\eZ`X[\hl\cXjZXi^Xj`^lXc\jj\i\g\c\e%@eZcljf leXZXi^Xg\hl\Xgif[lZ\leX]l\iqX\cZki`ZXdXpfi hl\\cg\jf[\cfjd\Z_fe\j%8]fikleX[Xd\ek\#·cX ]l\iqX\cZki`ZXef\jcfjl]`Z`\ek\d\ek\^iXe[\Zfdf gXiXc\mXekXijljYiXqfj
Pide a tu profesor que explique los efectos del
campo eléctrico que rodea al domo cargado de un
generador de Van de Graaff (figura 10.11). Los
objetos cargados en el campo del domo son
atraí-dos o repeliatraí-dos, dependiendo del signo de carga.
EdiZcX^VaZaXig^Xd
6
l estudiar la energía en el capítulo 4, aprendimos
que un objeto tiene energía potencial gravitacional
debido a su ubicación en un campo gravitacional. Asi-
mismo, un objeto con carga tiene energía potencial
gracias a su lugar en un campo eléctrico. Al igual que
se requiere trabajo para levantar un objeto masivo
contra el campo gravitacional terrestre, se requiere
trabajo para mover una partícula cargada contra el
campo eléctrico de un cuerpo cargado. Este trabajo
:8GàKLCF (' <C<:KIFJKÝK@:8 )',
cambia la energía potencial eléctrica de la partícula
cargada.* Asimismo, el trabajo hecho para
compri-mir un resorte aumenta la energía potencial del
resorte (figura 10.13a). También, el trabajo que se
hace para empujar una partícula cargada para
acercarla a una esfera cargada, como en la figura
10.13b, aumenta la energía potencial de la
partícu-la cargada. A partícu-la energía que tiene partícu-la
partícula cargada gracias a su
ubi-cación se le llama energía
poten-cial eléctrica. Si se libera la partícula, se acelera y se
aleja de la esfera, por lo que su energía potencial
eléctrica se transforma en energía cinética.
Si ahora empujamos una partícula con el doble
de la carga, efectuamos el doble de trabajo, por lo
que la partícula con carga doble en el mismo lugar
tiene el doble de energía potencial eléctrica que
antes. Una partícula con tres veces la carga, tendrá
tres veces la energía potencial, y así sucesivamente.
Al trabajar con electricidad, en vez de manejar el
= @ > L I 8 ( ' % ( )X CX\e\i^Xgfk\eZ`Xc^iXm`kXZ`feXc<G [\leXdXjXjfjk\e`[X \eleZXdgf^iXm`kXZ`feXc%Y CX<G[\leXgXikZlcXZXi^X[X\e leZXdgf\cZki`Zf%:lXe[fcXdXjXpcXgXikZlcXj\jl\ckXe# ¶Zdfj\ZfdgXiXcX\e\i^XZ`ek`ZX<: X[hl`i`[X\eZX[X ZXjfZfecX[`jd`elZ`e[\<G6
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X 8cZfdgi`d`ij\\ci\jfik\ k`\e\d}j<G\c}jk`ZX%Y CX ZXi^Xg\hl\Xk`\e\d}j<G ZlXe[fj\\dglaXgXiX XZ\iZXicXXcX\j]\iXZXi^X[X% <eXdYfjZXjfj#\c`eZi\d\ekf \ecX<Gj\[\Y\XckiXYXaf \]\ZklX[f%
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;\cfj[fjZl\igfjZfeZXi^X Z\iZX[\c[fdfZXi^X[f#\c hl\k`\e\dXpfiZXi^Xk`\e\ cXdXpfi<G\cZki`ZX\e\c ZXdgf[\c[fdf%J`e\dYXi^f# \j\cd`jdfgfk\eZ`Xc\cZki`Zf [\ZlXchl`\iZXek`[X[[\ZXi^X \e\cd`jdfcl^Xi%
* Este trabajo es positivo si aumenta la energía potencial eléc-trica de la partícula cargada, y negativo si lo disminuye.
total de la energía potencial de un cuerpo cargado,
es útil considerar la energía potencial eléctrica por
carga. Simplemente se divide la cantidad de energía
potencial eléctrica en cualquier caso entre la
canti-dad de carga. Al concepto de energía potencial
eléctrica por carga se le llama potencial eléctrico, es
decir,
potencial eléctrico energía potencial eléctrica cantidad de carga
La unidad de medida del potencial eléctrico es
el volt, por lo que al potencial eléctrico se le llama
con frecuencia voltaje.
Un potencial eléctrico de 1
volt (1 V) es igual a 1 joule (1 J) de energía por
1 coulomb (1 C) de carga.
1 volt 1 joule 1 coulomb
Así, una batería de 1.5 volts cede 1.5 joules de
energía por cada coulomb de carga que pasa por
ella. Los nombres potencial eléctrico y voltaje son la
misma cosa, por lo que pueden usarse
indistinta-mente.
C D
&1
&$
&1
&$
C
D
Gfk\eZ`Xc\cZki`Zf
<ei\jld\e1gfk\eZ`Xc\cZki`Zfpgfk\eZ`Xcj`^e`]`ZXe cfd`jdf\e\i^Xgfk\eZ`Xc\cZki`ZXgfile`[X[[\ ZXi^X \ele`[X[\j[\mfckj%GfifkifcX[f#[`]\i\eZ`X [\gfk\eZ`Xc\jcfd`jdfhl\mfckXa\#\j[\Z`i#cX [`]\i\eZ`X\egfk\eZ`Xc\cZki`Zf\eki\[fjglekfj# kXdY`e\ele`[X[\j[\mfckj%
)'- G8IK< KI<J <C<:KI@:@;8; P D8>E<K@JDF
Frota un globo en tu cabello y el globo quedará
cargado de forma negativa, ¡quizás hasta con
algu-nos miles de volts! Esto sería varios miles de joules
de energía, si la carga fuera de 1 coulomb. Sin
embargo, 1 coulomb es una cantidad de carga muy
grande. La carga de un globo frotado en el cabello
es normalmente mucho menor que una
millonési-ma de coulomb. Por lo tanto, la energía asociada
con el globo cargado es muy, pero muy pequeña.
Un alto voltaje equivale a una gran cantidad de
ener-gía, sólo si interviene una gran cantidad de carga. La
energía potencial eléctrica difiere del potencial
eléc-trico (o voltaje).
G8 I 8 P
< O 8 D à E 8 K <
(% J`_lY`\iX\c[fYc\[\ZflcfdYj\ecXZXi^X[\ gil\YXZ\iZX[\cX\j]\iXZXi^X[X[\cX]`^liX ('%(+#¶cX\e\i^Xgfk\eZ`Xc\cZki`ZX[\cXZXi^X[\ gil\YXZfei\jg\ZkfXcX\j]\iXZXi^X[Xj\iX`^lXc fj\iX[\c[fYc\6¶<cgfk\eZ`Xc\cZki`Zf[\cX ZXi^X[\gil\YXj\iX`^lXcfj\iX[\c[fYc\6 )%¶Hlj`^e`]`ZX\c_\Z_f[\hl\klXlkfdm`ck\e^X
leXYXk\iXfleXZldlcX[fi[\()mfckj6
: F D G I L < 9 8 K L J I < J G L < J K 8 J
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)%J`^e`]`ZXhl\leX[\cXjk\id`eXc\j[\cXYXk\iXk`\e\ legfk\eZ`Xc\cZki`Zf[\()MdXpfihl\cXfkiX%Dlp gifekfXgi\e[\i}jhl\ZlXe[fj\Zfe\ZkXleZ`iZl`kf \eki\[`Z_Xjk\id`eXc\j#ZX[XZflcfdY[\ZXi^X\ecX Zfii`\ek\hl\j\^\e\iXX[hl`i`i}()A[\\e\i^XXc gXjXigficXYXk\iXp()A[\\e\i^XÈ^XjkX[XÉ\e\c Z`iZl`kf %
<cXckfmfckXa\[\YXaX\e\i^X\jj`d`cXiXcXj `ef]\ej`mXjZ_`jgXjXXckXk\dg\iXkliX#hl\\d`k\e cXjclZ\j[\Y\e^XcX%I\Zl\i[Xhl\cXk\dg\iXkliX \j\e\i^XZ`ek`ZXgifd\[`fgfidfcZlcX#cfZlXc j`^e`]`ZXhl\cX\e\i^XkfkXc\j^iXe[\jcfgXiXle ^iXeed\if[\dfcZlcXj%8j`d`jdf#\cXckfmfckXa\ j`^e`]`ZXleX^iXeZXek`[X[[\\e\i^XjcfgXiXleX ^iXeZXek`[X[[\ZXi^X%
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-8lehl\\c^\e\iX[fi[\N`dj_lijkgl\[\^\e\iXid`c\j [\mfckj#efgif[lZ\d}j\e\i^Xhl\cX[\ckiXYXafhl\ A`dJd`k_Xgc`ZXXc[Xic\ml\ckXXcXdXe`m\cX%
('%,
;jZciZhYZkdaiV_Z
8
uando los extremos de un conductor de calor
están a temperaturas diferentes, la energía
térmi-ca fluye de la temperatura más alta a la
temperatu-ra más baja. El flujo cesa cuando ambos extremos
alcanzan la misma temperatura. Cualquier
mate-rial que tenga partículas cargadas libres, y que
fluyan con facilidad a través de él cuando sobre las
partículas actúa una fuerza eléctrica, se conoce
como
conductor
eléctrico. Los conductores
térmi-cos y eléctritérmi-cos se caracterizan
por las cargas eléctricas que
tie-nen libertad de movimiento. Al
igual que el flujo térmico, cuando los extremos de
un conductor eléctrico están a distintos potenciales
eléctricos —cuando hay una
diferencia de
poten-cial
—, las cargas en el conductor fluyen desde el
potencial mayor hasta el menor. El flujo de carga
persiste hasta que ambos extremos alcanzan el
mismo potencial. Si no hubiera diferencia de
potencial, no ocurriría el flujo de carga.
>\e\iX[fiMXe[\>iXX]]
:8GàKLCF (' <C<:KIFJKÝK@:8 )'.
('%-Para obtener un flujo continuo de carga en un
conductor, se deben hacer ciertos arreglos para
mantener una diferencia de potencial mientras la
carga fluye de un extremo al otro. El caso es
simi-lar al flujo de agua desde un tanque elevado hasta
otro tanque más bajo (figura 10.17a). El agua fluirá
por un tubo que conecta los tanques, sólo mientras
haya una diferencia en el nivel del agua. Al igual
que el flujo de carga en un alambre, el flujo de
agua en el tubo cesará cuando se igualen las
presio-nes en cada extremo. (Esto queda comprendido al
decir que el agua busca su propio nivel.) Es posible
mantener un flujo continuo si se conserva la
dife-rencia en los niveles del agua y, en consecuencia,
entre las presiones de agua, usando una bomba
adecuada (figura 10.17b).
Una corriente eléctrica constante requiere de
un dispositivo de bombeo apropiado para
mante-ner la diferencia del potencial eléctrico, con la
finalidad de mantener el voltaje. Las baterías o
generadores químicos son “bombas eléctricas” que
pueden mantener un flujo de carga constante.
Estos dispositivos separan las cargas negativas de
las positivas. En las baterías químicas, este trabajo
se lleva a cabo por la desintegración química del
zinc o del plomo en un ácido, y la energía
almace-nada en los enlaces químicos se convierte en
ener-gía potencial eléctrica.
Área transversal Mayor presión Menor presión Bomba
(b) (a)
= @ > L I 8 ( ' % ( .
X <cX^lX]clp\[\c[\gj`kf[\dXpfigi\j`eXc [\gj`kf[\d\efigi\j`e%<c]clafk\id`eXZlXe[f Z\jXcX[`]\i\eZ`X[\gi\j`e%Y <cX^lXZfek`eX ]clp\e[f[\Y`[fXhl\j\dXek`\e\leX[`]\i\eZ`X[\ gi\j`eZfecXYfdYX%
= @ > L I 8 ( ' % ( /
LeX]l\ek\`eljlXc[\mfckXa\%<cgfk\eZ`Xc\cZki`Zf \eki\cXZXY\qXpcXZfcX[\cXXe^l`cX\cZki`ZX <c\Zkifg_filj\c\Zki`Zlj gl\[\j\i_XjkX[\-,'M%
Los generadores separan la carga por medio de in-
ducción electromagnética, que es un proceso que ex-
plicaremos en el siguiente capítulo. El trabajo que
realizan (por cualquier medio) para separar las cargas
opuestas está disponible en las terminales de la batería
o del generador. Esta energía por carga da la
dife-rencia de potencial (voltaje) que suministra la
“pre-sión eléctrica” para mover electrones a través de un
circuito unido a esas terminales.
8dgg^ZciZZaXig^XV
6
sí como una corriente de agua es el flujo de mo-
léculas de H
2O, la
corriente eléctrica
es el flujo de
partículas cargadas. En circuitos de alambres
metá-licos, los electrones forman el flujo de la carga. Uno
o más electrones de cada átomo del metal tienen
libertad de movimiento por toda la estructura de
átomos. Estos portadores de carga se llaman
electro-
nes de conducción
.
Por otro lado,
los protones no se mueven en un
sólido porque están enlazados
den-tro de los núcleos de los átomos,
que están más o menos ubicados en posiciones fijas.
Sin embargo, en los fluidos los iones positivos y los
electrones forman el flujo de la carga eléctrica.
:fii`\ek\Xck\ieX :fii`\ek\\cZki`ZX
CXYXk\iXjhld`ZXjefi\jgfe[\eY`\eX Xld\ekfj[\ZXi^Xi\g\ek`efj%LeXXck\ieXk`mX hl\ji\jgfe[\Y`\eXcXjiXZ_XjXckXj[\\e\i^X \ekiXek\\jlemfcXek\[\`e\iZ`X^`iXkfi`f% 8[`]\i\eZ`X[\cfjhl\ljXYXecfjXc]Xi\ifjgXiX ^`iXipdfc[\XicXXiZ`ccX#cfjmfcXek\j[\`e\iZ`X df[\iefjjfec`^\ifjp\jk}eZfdgl\jkfj[\ dXk\i`Xc\jhl\jfed}j]l\ik\jpgl\[\e^`iXij\ XiXg`[\Z\jXckXjj`e[\jXidXij\%CX\e\i^X Z`ek`ZX[\ifkXZ`ej\Zfem`\ik\Xj\efkiXj ]fidXj[\\e\i^X%DXek\ek\`e]fidX[fXZ\iZX [\cfjmfcXek\jZfdf[`jgfj`k`mfj[\
XcdXZ\eXd`\ekf[\\e\i^X%
)'/ G8IK< KI<J <C<:KI@:@;8; P D8>E<K@JDF
Una diferencia importante entre el flujo de agua
y el flujo de electrones tiene que ver con sus
con-ductores. Si en una ferretería compras un tubo para
agua, el empleado no te vende el agua que va a fluir
por el tubo. Tú la suministras. En cambio, si
com-pras una “tubo de electrones”, es decir, un alambre
metálico, también adquieres los electrones. Cada
partícula de materia, incluidos los alambres,
con-tiene cantidades enormes de electrones que se
mue-ven en todas direcciones de forma aleatoria. Cuando
una fuente de voltaje los pone en movimiento, se
tiene una corriente eléctrica.
La
tasa
del flujo eléctrico se mide en
amperes
.
Un
ampere
es
una tasa de flujo igual a 1 coulomb
de carga por segundo. (Es decir, es un flujo de
6.25 millones de billones de electrones por
segun-do.) En un alambre que conduzca 4 amperes a un
faro de automóvil, por ejemplo, pasan por segundo
4 coulombs de carga por cualquier área transversal
del alambre. En un alambre que conduzca 8
ampe-res, en cada segundo pasa el doble de la cantidad de
coulomb por cualquier área transversal.
Es interesante destacar que la rapidez de
despla-zamiento de los electrones a través del alambre es
sorpresivamente lenta. Esto se debe a que en el
alam-bre los electrones chocan de forma continua contra
los átomos. La rapidez neta, o
velocidad de deriva
,
de los electrones en un circuito común es menor que
un centímetro por segundo. Sin embargo, la señal
eléctrica viaja a casi la rapidez de la luz. Es la rapidez
a la cual se establece el
campo
eléctrico en el alambre.
= @ > L I 8 ( ' % ( 0:X[XZflcfdY[\ZXi^X hl\j\_XZ\]cl`i\ele Z`iZl`kfhl\Zfe\ZkXcfj \oki\dfj[\\jkXYXk\iX \jk}\e\i^`qX[XZfe(%,A%
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<ci`\j^fZfecXjYXk\iXj[\Xlkfdm`c\jef \jhl\Xc^l`\egl\[X\c\ZkifZlkXij\#j`efhl\ gl\[\e\jkXccXi%J`kfZXjcXj[fjk\id`eXc\jZfe leXccXm\gXiXkl\iZXj#gfi\a\dgcf#j\Zi\XleX Z_`jgXhl\gl\[\\eZ\e[\i\c^Xj_`[i^\ef[\cX YXk\iX#cfZlXc·cXeqXi}XcX`i\\c}Z`[fpg\[Xqfj [\cXYXk\iX
Es también interesante el hecho de que un
alam-bre que conduce corriente no está cargado
eléctri-camente. En condiciones normales, hay tantos
electrones de conducción moviéndose
desordena-damente por la estructura atómica, como tantos
núcleos atómicos con carga positiva. Las
cantida-des de electrones y de protones están en equilibrio,
así que ya sea que un alambre conduzca corriente o
no, normalmente la carga neta del alambre es de
cero en cualquier momento.
:8GàKLCF (' <C<:KIFJKÝK@:8 )'0
%QTTKGPVG
%QTTKGPVG
EF
EC 6KGORQ
6KGORQ
8m\Z\jg\ejXdfjhl\cXZfii`\ek\]clp\XkiXmj[\le Z`iZl`kf#g\ifeleZXcf[`^XjZ\iZX[\Xc^l`\ehl\j\X hl`jhl`ccfjfZfecX^iXd}k`ZX#pXhl\cX\ogi\j`e
ÈZfii`\ek\hl\]clp\É\ji\[le[Xek\%D}jX[\ZlX[Xd\ek\# j\[`Z\hl\cXZXi^X]clp\hl\esZfii`\ek\ %
extremo a otro (entre sus extremos). Pero no se dice
que el
voltaje
fluya a través de un circuito. El
volta-je no va a ninguna parte, porque son las cargas las
que se mueven. El voltaje produce corriente (si hay
un circuito completo).
:fii`\ek\[`i\ZkXZ[
pZfii`\ek\Xck\ieXZX
La corriente eléctrica puede ser cd o ca. La cd es la
corriente directa
,
que es el flujo de cargas en una
dirección. Una batería produce corriente directa en
un circuito, porque sus terminales tienen siempre
el mismo signo. Los electrones fluyen de la
termi-nal negativa que los repele hacia la termitermi-nal
posi-tiva que los atrae, y siempre fluyen a través del
circuito en la misma dirección.
La
corriente alterna
es lo que su nombre
implica. Los electrones en el circuito se mueven
primero en una dirección y, después, en dirección
contraria, alternándose de un lado a otro con
res-pecto a posiciones relativamente fijas. Esto se logra
en un generador o alternador conmutando
periódi-camente la señal en las terminales. Casi todos los
circuitos comerciales de ca implican corrientes que
se alternan de atrás hacia delante, a una frecuencia
de 60 ciclos por segundo. Ésta es la corriente de 60
hertz (un ciclo por segundo se llama
hertz
). En
algunos países, se usa la corriente de 25, 30 o 50
hertz. A nivel mundial, la mayoría de los circuitos
CXZfem\ij`e[\ZXXZ[j\cc\mXXZXYfZfe le[`jgfj`k`mf\c\Zkie`Zfhl\g\id`k\\c]claf[\ \c\Zkife\jjcf\eleX[`i\ZZ`e1lediodo. Le
k`gfd}j]Xd`c`Xi\j\cdiodo emisor de luz C<; %
Cfj]fkfe\jj\\d`k\eZlXe[fcfj\c\Zkife\j ZilqXeleXÈYi\Z_X[\YXe[XÉ\e\c[`jgfj`k`mf% CX\e\i^X[\c]fkeZfii\jgfe[\d}jXd\el[f ZfecX]i\Zl\eZ`X[\cXclqifaX%Gfi\ccf#cfjC<; \d`k\e\jkXclq%Gl\[\jm\iZdf\ecfj[`m\ijfj k`gfj[\gXe\c\j[\`ejkild\ekfj#`eZcl`[XjcXj m`[\f^iXYX[fiXjpcfji\gif[lZkfi\j[\;M;%<j `ek\i\jXek\hl\ZlXe[fj\`em`\ik\ecX\ekiX[X \cZki`ZXpcXjXc`[X[\clq#\c[`jgfj`k`mfhl\ i\jlckX\jleX·Z\c[XjfcXi
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En los primeros días del alumbrado eléctrico, los altos voltajes quemaban los filamentos de las lám-paras eléctricas, de manera que resultaba más prác-tico utilizar bajos voltajes. Antes del siglo , los cientos de centrales eléctricas construidas en Estados Unidos adoptaron los 110 volts (o 115 o 120 volts) como norma. Por tradición se decidió usar 110 volts como primer patrón, porque hacia que las bombillas eléctricas de esa época brillaran con tanta intensidad como la de una lámpara de gas. Cuando la energía eléctrica se popularizó en Europa, los ingenieros habían calculado cómo
residenciales y comerciales son de ca porque la
energía eléctrica en la forma de ca puede elevarse
con facilidad a voltajes más altos, para transmitirla
a grandes distancias con poca pérdida térmica.
Y luego puede bajarse a voltajes convenientes donde
se consume la energía. Es bastante fascinante la
forma en que ocurre todo esto, y lo veremos en el
siguiente capítulo. Las reglas de la electricidad se
aplican tanto a la ca como a la cd.
fabricar bombillas que no se quemaran con tanta rapidez a mayores voltajes. La transmisión de potencia es más eficiente cuando los voltajes son mayores, por lo que Europa adoptó 220 volts como norma. Estados Unidos permaneció con 110 volts (en la actualidad son oficialmente 120 volts) debido a tanto equipo que ya se había instalado para 110 volts, y al enorme gasto invertido. Es interesante el hecho de que en los circuitos de ca los 120 volts son la “raíz cuadrada media” promedio del voltaje. El voltaje real en un circuito de ca de 120 volts varía entre 170 volts y –170 volts, suministrando la misma potencia a una plancha o a un tostador, que un circuito de cd de 120 volts.
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A
a cantidad de corriente que hay en un circuito
depende no solamente del voltaje, sino también
de la
resistencia eléctrica
del circuito. Así como
los tubos de agua angostos resisten más el flujo del
líquido que los tubos anchos, los alambres delgados
resisten más la corriente eléctrica que los alambres
gruesos. Y la longitud contribuye también a la
resistencia. Así como los tubos largos presentan
mayor resistencia que los cortos, los alambres
lar-gos ofrecen más resistencia eléctrica. Y el material
del que está fabricado un
alam-bre es lo más importante. El
cobre tiene poca resistencia
eléc-trica; mientras que una tira de
caucho presenta una enorme
resistencia. La temperatura
tam-bién afecta la resistencia
eléctri-ca; cuanto mayor sea la agitación de los átomos
dentro de un conductor (cuanto mayor sea la
tem-peratura), mayor será su resistencia. La resistencia
de algunos materiales llega ser cero a temperaturas
muy bajas. A estos materiales se les ha dado el
nom-bre de
superconductores.
La resistencia eléctrica se mide en unidades
lla-madas
ohms.
La letra griega
omega,
Ω, se usa
comúnmente como símbolo del ohm. Esta unidad
se nombró así en honor del físico alemán Georg
Simon Ohm, quien en 1826 descubrió una relación
sencilla pero muy importante
entre el voltaje, la
corriente y la resistencia.
AZnYZD]b
A
a relación entre voltaje, corriente y resistencia se
resume en un enunciado llamado
ley de Ohm
.
Ohm descubrió que en un
circui-to la corriente es directamente
proporcional al voltaje establecido
a través del circuito e
inversamen-te proporcional a la resisinversamen-tencia del
circuito:
Corriente = voltaje resistencia
O, en su forma dimensional,
Amperes = volts ohms
Entonces, para un circuito dado de resistencia
constante, la corriente y el voltaje son proporcionales
entre sí.* Esto significa que obtendremos el doble de
corriente con el doble de voltaje. Y cuanto mayor sea
el voltaje mayor será la corriente. Pero, si se duplica
la resistencia para un circuito, la corriente se
reduci-rá a la mitad. A mayor resistencia, la corriente sereduci-rá
menor. La ley de Ohm tiene sentido.
La resistencia del cable de una lámpara común
es menor que 1 ohm, y una bombilla eléctrica
ordi-naria tiene una resistencia de más de 100 ohms.
Una plancha o un tostador eléctrica tienen una
resistencia de 15 a 20 ohms. La corriente dentro de
éstas y en todos los demás aparatos eléctricos se
regula mediante unos elementos del circuito
llama-dos resistores
(figura 10.24), cuya resistencia puede
ser desde unos cuantos hasta millones de ohms.
Los resistores se calientan cuando la corriente fluye
a través de ellos, pero se calientan muy poco si las
corrientes son bajas.
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* Muchos textos usan V como símbolo de voltaje, I para co-rriente, R para resistencia, y expresan laley de Ohmcomo
V IR. Por lo que I V/R, o bien, R V/I, así que si se cono-cen dos variables se puede encontrar la tercera. (Los nombres de las unidades con frecuencia se abrevian así: Vpara volts, A para amperes y Ω para ohms.)
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Jlg\iZfe[lZkfi\j
En un tendido eléctrico común doméstico, los
elec-trones que fluyen chocan contra los núcleos
atómi-cos del alambre, y convierten su energía cinética en
energía térmica. A principios del siglo , los
inves-tigadores descubrieron que en un baño de helio
líquido a 4 K ciertos metales perdían toda su
resis-tencia eléctrica. Los electrones en estos conductores
viajaban por vías que evitaban las colisiones
atómi-cas, lo cual les permitía fluir de manera indefinida.
Dichos materiales se llaman
superconductores
, y
tienen una resistencia eléctrica de cero para el flujo
de carga. En la superconductividad no se pierde
corriente ni se genera calor. Durante décadas, se
pensaba comúnmente que una resistencia eléctrica
de cero ocurría sólo en ciertos metales cerca del
cero absoluto. Luego, en 1986, se logró la
super-conductividad a 30 K, lo cual alentó las esperanzas
de encontrar la superconductividad arriba de 77 K,
el punto donde se licua el nitrógeno. Es más fácil
manipular el nitrógeno que el helio líquido, que se
necesita para crear condiciones más frías. Este salto
histórico se logró el año siguiente con un
compues-to no metálico que perdía su resistencia a 90 K.
Desde entonces, se han encontrado que varios
óxidos cerámicos son superconductores a
temperatu-ras por arriba de 100 K. Tales materiales cerámicos
son superconductores de “alta temperatura”. Los
cables superconductores de alta temperatura (HTS,
por las siglas de High-temperature superconductor),
que ya se están usando, conducen más corriente a un
voltaje más bajo, lo cual permite la colocación de
grandes transformadores de potencia que estén más
alejados de los centros urbanos, permitiendo así el
desarrollo de áreas verdes. Mantente actualizado con
respecto al crecimiento adicional de los HTS para el
suministro de energía eléctrica.
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1. ¿Qué tanta corriente fluye a través de una lámpara con una resistencia de 60 Ω, cuando el voltaje a tra-vés de la lámpara es de 12 V?
2. ¿Cuál es la resistencia de un tostador que consume una corriente de 12 A al conectarlo a un circuito de 120 V?
3. A 100,000 Ω, ¿qué tanta corriente fluiría a través de tu cuerpo si tocaras las terminales de una batería de 12 V?
4. Si tu piel está muy húmeda, de modo que tu resis-tencia es de sólo 1000 Ω, y tocas las terminales de una batería de 12 V, ¿qué tanta corriente recibes?
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1. De la ley de Ohm:
12V
60Æ = 0.2A.
Corriente = voltaje
resistencia =
2. Reordenando la ley de Ohm:
Resistencia = voltaje
corriente = 120V
12A = 10Æ.
3. Corriente = voltaje 0.00012A. resistencia =
12V 100,000Æ = 4. Corriente = voltaje
resistencia = 12V
1000Æ = 0.012A.
¡Ouch!
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Los efectos nocivos del choque eléctrico son
causa-dos por la corriente que pasa a través del cuerpo
humano. Pero, ¿qué causa el choque eléctrico en el
cuerpo humano, la corriente o el voltaje? De
acuer-do con la ley de Ohm, se observa que esa corriente
depende tanto del voltaje que se aplique como de la
resistencia eléctrica del cuerpo humano. La
resis-tencia de un organismo depende de su condición, y
va desde aproximadamente 100 ohms, si está
empapado con agua salina, hasta unos 500,000
ohms si la piel está muy seca. Si tocamos los dos
electrodos de una batería con los dedos secos,
cerrando el circuito de una mano a otra, nuestra
resistencia aproximada sería de 100,000 ohms.
Normalmente, no podemos sentir la corriente que
producen 12 o 24 volts, salvo un ligero hormigueo.
Si la piel se encuentra mojada, los 24 volts pueden
resultar muy desagradables. En la tabla 10.1 se
describen los efectos de distintas cantidades de
corriente en el cuerpo humano.
Para recibir un choque eléctrico, se requiere una
diferencia
de potencial eléctrico entre una parte del
organismo y la otra. La mayoría de la corriente
pasa-rá por la trayectoria de menor resistencia eléctrica
entre esos dos puntos. Imagina que te cayeras de un
puente y que te pudieras colgar de una línea de
trans-misión de alto voltaje para detener tu caída. Siempre
y cuando no toques algo con potencial diferente, no
recibirás ningún choque. Aun cuando el cable
eléc-trico tenga miles de volts por arriba del potencial de
tierra y te cuelgues con ambas manos, no pasaría
mucha carga de una mano a otra, lo cual se debe a
que no hay una diferencia importante en el potencial
eléctrico entre tus manos. Sin embargo, si con una
mano te sujetas de un conductor con potencial
dis-tinto…
¡cuidado!
Todos hemos visto a las aves
posa-das tranquilamente sobre cables de alto voltaje. Toposa-das
las partes de sus cuerpos están al mismo alto
poten-cial que el cable, por lo que no sienten ningún efecto
perjudicial.
Es interesante el hecho de que es tu propio cuerpo
la fuente de electrones en la corriente que te produce
un choque. Al igual que con todos los conductores,
los electrones ya están ahí. Es la energía dada a los
electrones por lo que deberías preocuparte, ya que se
energizan cuando hay una diferencia de voltaje a
través de diferentes partes de tu cuerpo.
En la actualidad la mayoría de las clavijas y los
contactos eléctricos tienen tres conectores, y no
dos, como antes. Las dos puntas planas principales
de una clavija eléctrica son para el cable doble (de dos
alambres) conductor de la corriente, donde uno de
los dos alambres “está vivo” (energizado) y el otro es
neutral; en tanto que la punta redonda se conecta
directamente a tierra (figura 10.26). Los
electrodo-mésticos como planchas, estufas, lavadoras y
seca-doras están conectados con cables de tres puntas. Si
el alambre “vivo” accidentalmente hace contacto
con la superficie metálica del aparato doméstico, y
lo tocas, puedes recibir un choque (descarga)
peligroso(a). Esto no sucede cuando el
electrodo-méstico está conectado a tierra por medio del
alambre y la punta correspondientes, lo cual
asegu-ra que la caja del apaasegu-rato esté siempre al potencial
cero de tierra.
T A B L A 1 0 . 1
Efectos de las corrientes eléctricas en el cuerpo
Corriente Efecto
0.001 A Puede sentirse 0.005 A Es doloroso
0.010 A Causa contracciones musculares involuntarias
0.015 A Causa pérdida de control muscular 0.070 A
probablemente mortales si la corriente dura más Si pasa a través del corazón; causa trastornos graves, (espasmos)
de 1 segundo
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= @ > L I 8 ( ' % ) .
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('%0
8^gXj^idhZaXig^Xdh
8
ualquier trayectoria a lo largo de la cual fluyen
electrones es un
circuito.
Para que haya un flujo
continuo de electrones debe haber un circuito
com-pleto, sin aberturas. Comúnmente una abertura la
proporciona un interruptor eléctrico, el cual puede
estar abierto o cerrado para permitir o interrumpir el
flujo de energía. La mayoría de los circuitos tienen
más de un dispositivo que recibe la energía eléctrica.
Estos dispositivos, por lo general, se conectan en un
circuito de una de dos formas: en
serie
o en
paralelo
.
= @ > L I 8 ( ' % )
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8 G C @ : 8 : @ F E < J : F K @ ; @ 8 E 8 J
n
C < J @ F E < J G F I : ? F H L < J
< C y : K I @ : F J
Cada año mueren muchas personas debido a las corrientes de circuitos eléctricos comunes de 120 volts. Si tocas con la mano una bombilla de 120 volts defectuosa, estando parado sobre el suelo, habría una “presión eléctrica” de 120 volts entre tu mano y el suelo. La resistencia a la corriente usualmente es mayor entre tus pies y el piso, por lo que generalmen-te la corriengeneralmen-te no es suficiengeneralmen-te para causar una lesión grave. Pero si tus pies y el suelo están húmedos, hay una trayectoria eléctrica de baja resistencia entre tú y el suelo. Los 120 volts a través de esta baja resistencia pueden ocasionar una corriente dañina en tu cuerpo. El agua pura no es buena conductora, pero los iones que se encuentran normalmente en el agua la hacen un buen conductor. Los materiales disueltos en el agua, especialmente pequeñas cantidades de sal, bajan la resistencia aún más. Por lo general, existe una capa salina en tu piel debido a la transpi-ración, la cual, al humedecerse, baja su resistencia en algunos cientos de ohms o menos. Es
definitiva-Cuando se conectan en serie, forman una sola
trayec-toria para el flujo de los electrones entre las terminales
de una batería, un generador o un contacto de pared
(que sólo es una extensión de las
terminales anteriores). Cuando se
conectan en paralelo, forman ra-
mas y cada rama es una trayectoria separada para el
flujo de electrones. Las conexiones en serie y en
para-lelo tienen sus propias características distintivas. En
los siguientes apartados explicaremos brevemente los
circuitos que emplean esos dos tipos de conexiones.
mente peligroso manipular aparatos eléctricos cuando te estás dando un baño.
Las lesiones causadas por un choque eléctrico se presentan de tres formas: 1. cuando el tejido sufre quemaduras por calentamiento, 2. por contracción muscular y 3. por alteración del ritmo cardiaco. Tales condiciones son provocadas por la entrega de potencia excesiva durante un tiempo prolongado en regiones críticas del cuerpo.
El choque eléctrico puede alterar el funciona-miento del centro nervioso que controla la respira-ción. Al tratar de rescatar a una persona que se esté electrocutando, lo primero que se debe hacer es localizar y apagar la fuente de energía. Se debe emplear alguna pieza de madera seca o de algún otro material no conductor, para que no resultes lesionado. Luego se dará respiración artificial a la víctima, y es importante continuar suministrán-dola hasta recibir la ayuda médica. Se conocen casos en que las víctimas de relámpagos dejaron de respirar por sí mismos y recibieron la respiración artificial durante varias horas, que revivieron y recuperaron la salud satisfactoriamente.
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