Conceptos básicos de electricidad | Electricidad estática y electroescopio de hoja de oro

Conceptos básicos de electricidad | Electricidad estática y electroescopio de hoja de oro

 

Electricidad estática: su perspectiva y desarrollo

Sr. Theophrastus en 321BC observó que el poder del ámbar atrae la paja, hojas secas después de haber sido frotada con una tela de lana. Esta fue la primera observación de electricidad y fue el primer experimento registrado.

Más tarde en 1600 aC, el Dr. Gilbert descubrió que esta atracción podría ser excitada en muchas otras sustancias además del ámbar. Es considerado como el fundador de la ciencia eléctrica.

El Sr. Otto Guericke inventó la primera máquina eléctrica en el año 1674. Lo hizo utilizando una bola de azufre que lo fijaba en un eje para girarlo con una manilla. Se creó una fricción al presionar la pelota con un dedo o una mano. Esta máquina primero produjo la chispa eléctrica con sonido. Esto convirtió la ciencia para hacer maravillas para originar una nueva ciencia. En este experimento, también se observó que la pelota que fue excitada y cargada durante un corto tiempo de atracción será repelida por el mismo objeto.

Sir Isaac Newton en 1675 construyó el mismo experimento hecho por Mr.Otto Guericke con algunos cambios. Sir Newton usó un globo de cristal y este globo produjo las chispas de ½ pulgada y pudo sentirlas con el dedo colocado sobre él.

Más tarde, el Sr. Stephen Gray en 1720 desarrolló que la electricidad puede ser transportada desde el máquina al cuerpo por un hilo de alambre o mojado a una distancia considerable.

En el año 1733, el Sr.M.Dufay experimentó aún más y descubrió que si el cuerpo se mantiene en un soporte hecho de varillas de vidrio podría excitarse si las varillas de vidrio se mantienen secas. En este experimento, también se confirió que hay dos clases de electricidad, una que fue excitada por la de vidrio y la otra que se excita con resina, sedas, etc.

Más tarde en 1736, el experimento de Newton mejoró por el profesor Winckler. Utilizó el pelo de caballo cubierto con tela de seda en lugar de usar los dedos o la mano para frotar la bola de cristal. En 1738, el profesor Boze descubrió que mantener un tubo de metal puede recolectar esta electricidad. También se descubrió que la electricidad desaparecerá si hay bordes o puntos filosos en este conductor de metal.

El Dr.Grey hizo varios senderos con diferentes tipos de materia y descubrió que algunos cuerpos tendrían el poder de conducir electricidad y algunos de ellos no.

Con todos los experimentos, el descubrimiento de una máquina eléctrica se ha realizado con las observaciones, mejoras y desarrollos innovadores realizados por estos científicos con esfuerzos individuales o combinados. Pero la cantidad de energía producida es en pequeña cantidad. Hay un esfuerzo de varios investigadores científicos que son responsables de inventar el gran frasco de Leyden. Durante un período de tiempo con muchas mejoras y desarrollos, esto generó un gran producto llamado ‘batería’.

Electricidad estática

La electricidad estática es el tema que trata el estudio de las cargas eléctricas en reposo.

Recordando los experimentos anteriores realizados por o probado por los científicos eminentes antiguos, una chispa o chispas se han producido con la ayuda de vidrio, fieltro o con algún otro material. En todos estos casos, el movimiento de electrones es responsable de este fenómeno. Según este comportamiento electroestático elemental, todo el proceso es el movimiento de electrones de un cuerpo a otro, cargando así eléctricamente estos cuerpos. Uno de los cuerpos se cargará positivamente (deficiencia de electrones) y el otro negativamente (exceso de electrones).

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Propiedades de los cuerpos eléctricos

Recordando el experimento del Sr. Dufay, dos varillas de vidrio fijas en un soporte de madera como se muestra en la figura con una barra transversal en ellos.

 1. Propiedades de los cuerpos eléctricos

Desde el centro de la barra transversal, una tira de alambre debe ser suspendida por un hilo de seda, de modo que la tira de alambre pueda moverse libremente en un plano horizontal como una aguja de brújula. También se necesita un pañuelo de seda para excitar las varillas de vidrio. El experimento tiene que ser en una habitación cálida y seca.

Ahora, después de frotar vigorosamente las varillas de vidrio con el pañuelo, (es mejor si dos personas con dos pañuelos realizan el experimento) colocando uno en el revuelto. y sosteniendo el otro en el extremo frotado de la tira de alambre. Se observará que si se toman las dos varillas de vidrio, se producirá una fuerte repulsión y si se toma una varilla de vidrio, se producirá una atracción.

Por lo tanto, se puede concluir que electrificaciones similares repelerán entre sí y a diferencia de las electrificaciones atrae. Por esta razón, existen dos tipos de electricidad: (+) y (-) electricidad, la electricidad del vidrio será + ve electricidad. Al agregar cantidades iguales de vidrio, la electricidad es cero. Esto se asemeja a una suma algebraica de + y-que es igual a cero. El mismo experimento se puede llevar a cabo reemplazando la tira de alambre con una pluma. La pluma se atraerá a las varillas.

Al igual que en el experimento anterior, si un extremo de la varilla de vidrio está electrificado permanece durante un tiempo considerable manteniendo el otro extremo sin electrificar. De la misma manera, si un extremo de una varilla de metal está electrificado, se distribuirá a lo largo de la varilla y si el otro extremo está conectado a tierra, desaparecerá.

Electroscopio Gold Leaf

Este es el instrumento más antiguo utilizado para detectar y determina electrificación.

 Electroscopio de hoja de oro

 

Como se muestra en la figura, se colgarán dos hojas de oro (fijadas por un lado) y se unirán a un metal varilla que se fijó a una placa de bronce a través de un agujero colocado en una pantalla de vidrio. Cuando se coloca un cuerpo eléctrico en esta placa, una parte de la electricidad pasará a través de las hojas de oro y se cargará para repelerse entre sí. Esta es la medida de la carga. Este es un instrumento muy sensible que se usa para detectar pequeñas cantidades de electricidad.

Inducción electroestática

Cuando un cuerpo cargado se coloca cerca de otro cuerpo sin ningún contacto físico entre ellos, el segundo cuerpo se electrificará. La carga existirá en el otro cuerpo hasta que el cuerpo cargado esté presente cerca de él, pero tan pronto como se retire el cuerpo cargado, la carga en el segundo cuerpo desaparecerá. Esto se llama electrificación por inducción. Por ejemplo, si frotamos las dos manos juntas y lo colocamos en el electroscopio de hoja de oro anterior, las hojas de oro serán repelidas, pero tan pronto retiremos nuestras manos del plato del electroscopio de hoja de oro, las hojas llegarán a la posición normal.

Experimento del cubo de hielo de Faraday

Se colocó una esfera cargada en un cilindro hueco que estaba en la placa del electroscopio. Las hojas de oro se separaron hasta que la esfera está en posición de contacto; las hojas conservan la posición original tan pronto como se retira la bola.

Esto muestra que

  • Se producirán cargas iguales y opuestas por inducción.
  • La carga no puede residir dentro del cilindro hueco.

Las leyes de las fuerzas eléctricas

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos electrificados varía inversamente al cuadrado de su distancia, donde el tamaño del cuerpo es muy pequeño en comparación con su distancia.

Campo eléctrico y potencial:

Un campo eléctrico es una región del espacio en la que las cargas eléctricas se activan mediante fuerzas eléctricas.

La unidad básica de carga eléctrica es el culombio.

Al igual que la gravitación y los campos magnéticos, la intensidad del campo eléctrico se mide en términos de fuerza en una carga positiva de la unidad.

La intensidad del campo eléctrico se define como la fuerza que actúa en un culombio de carga positiva en ese punto. La dirección del campo estará en la dirección del movimiento de carga positiva.

La intensidad del campo de ruptura es la intensidad de campo que hace que el aislante se descomponga. La intensidad del campo de descomposición del aire es de 3 x 106 voltios/metro, lo que limita el potencial máximo del conductor. Más allá de este punto, se producirá una descarga en corona.

Diferencia de potencial eléctrico

Esto es análogo a la energía potencial natural. Una masa levantada contra la fuerza gravitacional en el campo gravitacional recibirá energía potencial. De la misma manera, a una carga se le puede dar energía potencial eléctrica moviéndose contra la fuerza que se excita sobre ella en un campo eléctrico.

El voltio se define como la diferencia de potencial entre dos puntos tal que un joule de trabajo se hace si un culombio de carga positiva se mueve de un punto a otro.

El cambio en la energía eléctrica es W de una carga q cuando se mueve con una diferencia de potencial de un voltio es dada por

W = qV

El potencial eléctrico en un punto se define como el trabajo realizado para mover o llevar una unidad de carga positiva desde el infinito hasta el punto.

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es un camino cerrado que permite que los electrones fluyan a través de él continuamente. Si el circuito está roto, entonces el flujo de corriente no puede ocurrir a través de él. La ubicación de un descanso en el circuito no es una cuestión. Un descanso en cualquier parte del circuito impide el flujo de corriente a través del circuito.

Voltaje y corriente

La corriente eléctrica es la tasa de flujo de carga. El culombio es la medida práctica de la unidad de carga eléctrica en los sistemas MKS. Una unidad de carga lleva 6.28 x1018 electrones. Entonces, la tasa de transferencia de carga de un culombio por segundo se llama ‘amperio’.

Actual I = Q/t

Donde Q se carga y se mide en coulombs,

t es el tiempo y se mide en segundos.

Si el flujo de electrones no es constante o se mueve en un movimiento no uniforme, este amperio se puede escribir como

Corriente instantánea I = velocidad de cambio de la carga promedio (coulombs) ) = dq/dt

De la misma manera podemos decir la carga neta de la corriente Q = ∫ i dt que es la integración de la corriente.

Ejemplo-1:

Una carga de 4000 culombios pasa un punto P en el circuito eléctrico durante media hora. ¿Cuál es el flujo de corriente promedio?

I = Q/t = 4000/1800 = 2.2 coulombs/seg; t = 30 mins = 30 × 60 = 1800 seg

Ejemplo-2:

El flujo de corriente observado en el circuito es de 100 mA. ¿Cuánta carga se transfiere en 5 minutos?

Q = Ixt = (100/1000) x (5×60) = 30 coulombs

Ejemplo-3:

Los valores típicos de cobre son

n = 8.5 x 1028 m-3

e = 1.6 x 10-19C

I = 10 amps

A = 10-6 m2

la velocidad de las cargas

v = I/Ane = 10/(10-6 x 8.5 x 1028 x 1.6 x 10-19) = 7.3 x 10-3 m/s.

Voltaje eléctrico:

Debe tenerse en cuenta que se necesita una fuente de energía para introducir la energía en el sistema. Esta fuente de energía actúa sobre los portadores de carga, dando lugar a la corriente. Algunas de estas fuentes son células de batería, generadores, pilas de combustible y células solares. Eso significa que una fuente tendrá el poder de generar la fuerza electromotriz (fem). La fem se define como la fuente de energía que puede entregar la energía para pasar la carga a través de la fuente para formar un circuito eléctrico. La unidad de fem es volt.

Vab = W/Q

donde

Vab es la diferencia de potencial en voltios entre los puntos a y b

Q = cantidad de carga en coulombs que se mueve de a a b

W = diferencia de nivel de energía de la carga a medida que se mueve de aa b.

La energía será medido en julios. Por lo tanto, se necesita 1 joule de energía para mover 1 culombio de carga para obtener 1 voltio de voltaje.

Resistencia

En el circuito eléctrico, cualquiera que sea la fuente de la energía a la que estaba conectado, los electrones fluirán a través de los elementos del circuito donde tendrá lugar la corriente eléctrica. Los elementos del circuito están hechos principalmente de sólidos y los electrones fluirán a través de ellos. Los sólidos contendrán diferentes estructuras de átomos y mientras los electrones viajan a través de estos elementos; colisionarán con los átomos y las moléculas. Estas colisiones afectan el flujo de electrones debido a la resistencia ofrecida por los átomos. Esta resistencia difiere del material al material y el flujo de electrones depende de la propiedad del material que estaba en el circuito. Por lo tanto, la resistencia es la propiedad de ese material particular que se opone al flujo de electrones. El dispositivo que tiene la propiedad de oposición de electrones como propiedad principal se llama “Resistencia”. El símbolo de la resistencia se da a continuación.

3. Resistance

La unidad de resistencia es ohm y está designada con una letra ‘Ω’

Una resistencia de un ohmio en un cable o material en particular es que si desarrolla 0,24 calorías de calor cuando un amperio de corriente fluye a través de él durante 1 segundo.

Ley de Ohm:

En el año 1827, George Simon Ohm, un científico observó que la corriente eléctrica directa (DC) que fluye a través de un conductor metálico varía directamente con el voltaje aplicado lo. Esto se llama la ley de ohmios. De acuerdo con la ley

Actual, I = [Voltaje (V)/Resistencia (R)] en Amperios (A).

Por lo tanto,

Resistencia R = (V/I) ohmios

Conductancia:

La conductancia del material es el inverso de la propiedad resistiva de ese material. Significa que la conductancia es el recíproco de la resistencia en la forma matemática. El símbolo de conductancia es G y es igual a 1/R.

La unidad de conductancia es siemen y se denotará como ‘℧’.

Si 1 voltio de la tensión es aplicado a un conductor y si fluye 1 amperio por un segundo, el material o cable tiene una conductancia de 1 mho.

Voltaje y corriente en un circuito práctico

Cualquier fuente de corriente eléctrica práctica tendrá una resistencia interna. Dependiendo del origen de la generación de la fuente, esta resistencia interna varía. Por ejemplo, en un generador, la resistencia interna es la resistencia de los devanados de cobre. En la práctica, no se puede eliminar. La diferencia de potencial entre los dos terminales de la fuente de tensión cuando la fuente (E) está inactiva nunca coincide con la de la diferencia de potencial cuando la fuente está suministrando la corriente eléctrica (V). Este es el resultado de la resistencia interna y la diferencia de estas diferencias de potencial se denomina voltios perdidos (E-V). Obviamente, esta es la caída de voltaje de la resistencia interna (E-V = Ir)

 4. Voltaje y corriente en un circuito práctico

Ejemplo:

Si la resistencia interna de la batería es de 1 ohm, calcula

a) Voltaje a través de la resistencia R3,

b) corriente a través de R1,

c) voltios perdidos según el siguiente circuito.

 5. Ejemplo

Sol :

La resistencia resultante de R1, R2 será Ro

Ro = (R1 x R2)/(R1 + R2) = 2/3 ohmios

La resistencia total = Ro + R3 + resistencia interna de la batería = 2/3 + 1 (1/3) + 1 = 3 ohmios.

Current de la batería = 6/3 = 2 amps

a) Voltaje a través de la resistencia R3 = 2 x 1 (1/3) = 2 (2/3) V

b) Voltaje en Ro = 2 x 2/3 = 4/3 = 1 (1/3) V,

Corriente a través de R1 = V/R1 = (4/3)/2 = 2/3 A

c) Voltios perdidos = I xr = 2 x 1 = 2 V

Finalmente mediante verificación cruzada: E = Vr + VR1 + VR3 = 2 + 1 (1/3) +2 (2/3) = 6 V.

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