CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Campo Eléctrico. Líneas de Fuerza. Electroscopio.

Ver temas relacionados : Electrotecnia para aplicaciones industriales. Conceptos.

Las cargas que se acumulan en los aislantes originan campos eléctricos.

A pesar de las fuerzas de gravitación, las fuerzas magnéticas y las fuerzas eléctricas se ejercen sin intervención de materia entre las masas que producen dichas fuerzas y las que las reciben, constituyendo la llamada "acción a distancia", es conveniente introducir la noción de campo que ayuda a comprender mejor el desarollo de los fenómenos.

Campo eléctrico es el espacio en donde se manifiestan las fuerzas eléctricas de atracción y de repulsión.

Se dice que una masa produce un campo gravitatorio cuando modifica el espacio que la rodea en forma tal que una segunda masa introducida en dicho campo gravitatorio experimenta una fuerza de atracción de acuerdo a las leyes de Newton. Lo cual se manifiesta por cuanto esta segunda masa adquiere un movimiento acelerado.

En la misma forma se dice que una carga eléctrica modifica el espacio que lo rodea y produce a su alrededor un campo eléctrico. Una segunda carga, introducida en este campo, experimenta una fuerza eléctrica de atracción o de repulsión descrita por la ley de Coulomb. (figura siguiente )

Fig. - El campo eléctrico.

Para determinar si existe un campo eléctrico en un punto dado, se introduce una pequeña carga positiva de ensayo en dicho punto, por ejemplo, un protón o un ión positivo (figura siguiente). Si esta carga de ensayo adquiere espontáneamente aceleración se concluye que existe un campo eléctrico en la zona considerada. El campo eléctrico está orientado en el sentido del movimiento de la carga positiva de ensayo.

Fig. -Determinación de un campo eléctrico en un punto dado.

Intensidad del campo eléctrico

Al decir que el campo eléctrico está orientado se afirma que hay una magnitud vectorial y como tal posee los cuatro elementos característicos del vector:

  • Intensidad, dirección, sentido y punto de aplicación.

La intensidad del campo eléctrico para un punto dado es el cociente entre la fuerza que interviene y la carga que se halla en dicho punto.

La representadón matemática es:

Unidad de la intensidad del campo eléctrico.

En el sistema MKSA o SI se obtiene la unidad de la intensidad del campo eléctrico escribiendo en la anterior fórmula las unidades de las magnitudes que intervienen:

  • La fuerza F se da en newtones
  • la carga Q en coulombios; y
  • la intensidad ε resulta en : (newtones / coulombios )

La fórmula de la intensidad del campo eléctrico :

puede ser presentada de la siguiente manera:

fórmula que guarda analogía de forma con la relación:

que define el campo gravitatorio (campo de fuerza para las masas materiales); y con la relación:

  F = m X β

que define la inducción de un campo magnético (campo de fuerza para las masas magnéticas).

Resumiendo:

  • Campo de fuerza gravitatorio : P = m X g (masa material por intensidad g)
  • Campo de fuerza  magnético: F = m X β ( masa magnética por intensidad β)
  • Campo de fuerza  eléctrico : F = Q X ε  ( masa eléctrica por intensidad ε )

Vector Campo

Para conocer la dirección, sentido e intensidad de un campo en un punto dado, hay que colocar en dicho punto la unidad de carga (+) y calcular la resultante de todas las aciones eléctricas del campo que actúan sobre ella.

Se contemplan dos easos:

a) Cuando el campo está formado por una sola carga.

b) Cuando en el campo existen varias cargas.

Primer caso: El campo está formado por una sola carga (+ Q) en P (fig. siguiente).

Fig. -El vector en un campo unipolar.

Se desea calcular la dirección, sentido e intensidad del vector campo en el punto A.

Para ello se coloca en dicho punto la unidad de carga (+ 1), la cual es rechazada por la carga ( + Q) de P, con una fuerza A R, cuya intensidad, de acuerdo a la ley de Coulomb es:

Luego la fuerza dibujada a escala, será el vector que indica el sentido, dirección e intensidad de este campo unipolar en el punto A.

Segundo caso: El campo está formado por dos masas eléctricas (+ q) en p y (-q') en N (ver figura ).

Fig. -El vector en un campo eléctrico bipolar.

Calculemos la dirección, sentido e intensidad del vector en el punto A.

Para ello se coloca en dicho punto la unidad de carga (+ 1), la cual es rechazada por la masa (+ Q) según A B, fuerza cuya intensidad es:

Al mismo tiempo la masa (+ 1) está atraída por la masa (-Q') de N con una fuerza de:

Se componen las dos fuerzas AB y A C según la regla del paralelogramo.

El vector resultante AR indica la dirección, sentido e intensidad del campo eléctrico bipolar en el punto A.

Si este planteamiento se repite en muchos puntos, se obtiene una serie de rectas que limitan curvas, llamadas líneas de fuerzas.

Fórmulas relacionadas con el vector campo

Sea una carga Q (ver figura) que produce un campo ε en un punto P situado a la distancia d de la carga.

Fig. -Valor del campo eléctrico.

Se coloca en P una carga positiva Q+.

La fuerza ejercida por la carga Q sobre la carga Q+ es, según la ley de Coulomb:

La fórmula de la intensidad del vector campo es, según definición:

Las dos ecuaciones anteriores se refieren a la misma fuerza F, por consiguiente, se puede escribir:

Simplificando Q+:

Esta ecuación nos dice que:

El campo eléctrico producido por una carga, en un punto dado, depende únicamente de la intensidad de la carga y de la distancia del punto a la carga.

LINEAS DE FUERZA

Si se estudia el vector campo, detalladamente, en un espectro eléctrico, se encuentra una serie de valores cuyos puntos de aplicación al ser representads vectorialrnente, coinciden con la trayectoria de las líneas de fuerza.

En base a esto podemos definir a la línea de fuerza como a una línea imaginaria que es tangente, en cada uno de sus puntos, al vector campo.

Conceptualmente, las líneas de fuerza eléctrica son similares a las magnéticas. Al introducir un protón o un ión positivo en un campo eléctrico, las fuerzas de éste comunicarán a aquél un movimiento acelerado.

Se consideran dos casos:

1º Las líneas de fuerza provenientes de una carga aislada.

Sea la carga Q+. Coloquemos una carga de ensayo también positiva (figura siguiente) en distintos puntos A, B, ... y representemos vectorialmente la fuerza repulsiva actuante en cada punto.

Se observa que, a medida que se aleja de la carga Q+, la fuerza de repulsión es cada vez menor pero, para cada esfera de influencia, el valor permanece constante.

Si se unen los distintos vectores se obtiene con los mismos una serie de vectores que son radiales y que parten de la carga Q+ (figura B anterior).

La dirección de estos vectores nos indica la orientación de las líneas de fuerza.

2º Las líneas de fuerza producidas cuando actúan dos cargas.

Si en una zona del espacio actúan dos cargas simultáneamente:

a) Si son cargas de distinto signo (figura siguiente), se trazan las líneas de fuerza atractivas partiendo de la carga positiva hacia la negativa. La trayectoria que siguen los vectores no son líneas rectas las más de las veces, sino curvas que se desplazan tridimensionalmente.

Fig. - Líneas de fuerza producidas cuando actúan dos cargas de distinto signo.

b) Si son cargas de igual signo (figura siguiente), las líneas de fuerza representativas de las distintas acciones de repulsión actúan también en el espacio: en la zona comprendida entre las dos cargas hay una divergencia notable; en la opuesta a las cargas, la propagación es radial.

Fig. - Líneas de fuerza producidas cuando actúan dos fuerzas de igual signo.

Experimentalmente se consiguen los espectros eléctricos con semillas muy finas desparramadas sobre un aceite aislante sometido a un campo eléctrico.

INFLUENCIA ELÉCTRICA

Cualquier conductor aislado colocado en un campo eléctrico, se electriza a su vez, modificando a su alrededo el campo.

El cuerpo electrizado que ha creado el campo eléctrico, se llama influyente o inductor; y el cuerpo sometido a la acción del campo se denomina influido o inducido.

Experimentos fundamentales.

Figura. A - B - C y D -Experimentos acerca de la electrización de influencia.

Sea un conductor aislado AB (fig. siguiente), al estado neutro y provisto de péndulos dobles a, a', b, b' y c' con esferillas de saúco, y una esfera S electrizada positivamente.

 

a) Si se acerca la esfera S, los péndulos en A y B divergen como lo indica la figura (figura B).

El fluido (+) de S descompone por influencia el fluido neutro de A B; atrae el (-) en A y rechaza el (+) en B. La parte media C se llama línea neutra y los péndulos cc' no divergen por cuanto en este punto no hay electricidad.

b) Si se aleja la esfera, todos los péndulos caen, como en la figura A. Habiendo cesado la influencia, los dos fluidos se combinan de nuevo y AB vuelve al estado neutro.

c) Si, antes de alejar la esfera inductora, se toca con el dedo el cilindro en un punto cualquiera, los péndulos b, b' caen y los péndulos a, a' divergen más.

El fluido ( +) en B rechazado por el fluido (+) de S, desaparece en el suelo, mientras el fluido (-) se concentra más en A ( figura C).

d) Si se aleja la esfera después de retirar el dedo, todos los péndulos divergen igualmente (figura D).

La electricidad (-) en A, siendo libre, se ha esparcido sobre toda la superficie del conductor A B, que queda cargado de electricidad (-).

Relación entre la carga inductora y las cargas producidas por influencia.

Teorema de Faraday

Figura -Dispositivo para estudiar la relación entre la carga inductora y las cargas producidas por influencia.

Cuando el inducido rodea completamente al inductor, las cargas inducidas de signo contrario son iguales entre sí e iguales también a la carga inductora.

Sea el cilindro metálico C, aislado del suelo por una lámina de parafina p y conectado con un electroscopio E ( ver figura).

La mitad de la tapa es corrediza, lo cual permite introducir en el cilindro una esfera inductora sostenida por un hilo de seda y realizar los siguientes experimentos:

1) Se introduce en el cilindro la esfera inductora S cargada positivamente, sin que toque las paredes.

EFECTOS: La electricidad (+) de S induce una carga (-) en el interior y una carga ( +) en la parte externa, la cual se transmite al electroscopio E, cuya divergencia α, mide la carga inducida.

2) Se toca el cilindro con el dedo.

EFECTO: Caen las láminas del electroscopio porque la electricidad (+) va al suelo, quedando la electricidad (-) en el interior, bajo la influencia de la electricidad (+) de S.

3) Se retira S del cilindro con su carga ( +), sin que toque el cilindro.

EFECTO: Las láminas de E se abren, por cuanto la electricidad (-), no estando bajo la influencia de la electricidad (+) de S, pasa al exterior del cilindro. El ángulo α que mide la carga inducida (-) es igual al ángulo α del caso 1.

4) Se toca el cilindro 3 para descargarlo y luego se introduce de nuevo el inductor S, con su carga (+), bajándolo hasta que toque el fondo.

EFECTO: Por contacto directo la carga ( +) de S pasa a la superficie exterior del cilindro. El ángulo α que mide la carga inductora (+) es igual a los ángulos 1 y 3.

Luego las tres cargas son iguales.

Chispa eléctrica

Si se acerca más y más la esfera al cilindro (figura siguiente), la atracción del (+) de S y del (-) de AB aumenta a medida que la distancia disminuye. Esta atracción acaba por vencer la resistencia del aire, y los fluidos se combinan bruscamente, produciendo una chispa eléctrica, que es el resultado de la combinación ruidosa y brillante de dos cargas de nombre contrario, separadas, en general, por el aire.

Figura -Chispa eléctrica.

Se calcula que una chispa eléctrica de 1 cm de longitud, es producida por una diferencia de potencial de unos 25 000 voltios.

El tubo chispeante (ver figura ), compuesto de laminillas metálicas pegadas contra la pared del tubo de vidrio y a corta distancia una de otra, nos permite obtener chispas, en apariencia muy largas.

Figura -Tubo chispeante.

Atracciones y repulsiones eléctricas

Figura. Dispositivo para experimentar acerca de las atracciones y repulsiones eléctricas.

Tomemos un péndulo (figura siguiente) cuya esferilla de saúco está aislada con un hilo de seda y acerquemos un cuerpo cargado de electricidad positiva: por ejemplo, una varilla de vidrio frotada.

El fluido ( +) del vidrio descompone por influencia la electricidad de la esferilla (1º posición), rechaza el fluido (+) en b y atrae el (-) en a. Estando el fluido (-) más próximo a la varilla de vidrio que el ( +), la atracción vence la repulsión y se hace cada vez mayor, al paso que la distancia disminuye.

En el momento del contacto (2º posición), parte del (+) de la varilla de vidrio neutraliza el (-) de la esferilla de saúco, la cual, estando entonces cargada únicamente de electricidad (+), es repelida en la 3º posición por la (+) que queda en la varilla de vidrio.

Electroscopio de láminas de oro

Figura : A - B - C - D - E - F y G; Procedimiento experimental para reconocer la naturaleza de la fuente eléctrica.

Sirve:

  • Para reconocer la presencia de la electricidad en un cuerpo.
  • Para revelar la naturaleza de esta electricidad.

a) Para averiguar si un cuerpo está cargado se lo acerca a la esfera del electroscopio. Si está cargado, las láminas divergen, porque el fluido del cuerpo descompone el neutro de la varilla; atrae el de signo contrario en la esfera y repele el de mismo signo en las láminas, que se rechazan, por tener electricidades del mismo signo.

b) Para reconocer la naturaleza de la fuente eléctrica: Hay que cargar el electroscopio con electricidad conocida, procediendo de la siguiente manera ( ver figura siguiente):

Con una barra de vidrio, que se carga positivamente por frotamiento, se toca la esfera del electroscopio. La electricidad ( +) del vidrio, descompone la electricidad neutra del aparato en (+) y (-). La negativa es atraída y se combina con la positiva del vidrio, mientras la positiva es repelida hacia las láminas que divergen (fig. B).

Luego, al retirar el vidrio, el electroscopio queda cargado de electricidad positiva. (La misma que la del vidrio) (fig. C).

Se frota una varilla de resina, por ejemplo, y se la acerca (sin tocar) a la esferilla del electroscopio (fig. D): la electricidad (-) de la resina descompone el fluido neutro del aparato en (+) y en {-), atrae la electricidad ( +) y repele la (-) en las láminas de oro que en seguida divergen. Entonces se toca la esferilla con el dedo (fig. E): la electricidad (-) se pierde en el suelo y las hojas de oro caen.

Luego se saca el dedo y se aleja después la resina (fig. F): la electricidad (+) que se mantenía en la parte superior, se esparce en toda la superficie del instrumento, llega a las láminas de oro y las hace diverger. El electroscopio queda cargado de electricidad ( +). De signo contrario a la de la resina.

Se acerca después a la esferilla el cuerpo que se desea estudiar (fig. G). Si está cargado de electricidad (+) las hojas de oro divergen más, porque se acumulan en ellas la electricidad ( +) repelida por la electricidad ( +) del cuerpo.

Si la carga es (-) las hojas de oro caen, porque la electricidad (+) del aparato es atraída toda hacia la parte superior.

Si por efecto de una carga muy fuerte, la divergencia de las hojas de oro fuera demasiado grande, irían a tocar los topes metálicos d y d', que comunican con el suelo y desde luego se descargarían.

 

 


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