Energía De Un Conductor Cargado

Energía de un conductor cargado Conceptos Generales:

1- Conductor eléctrico Un conductor eléctrico es aquel cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas. Estos elementos son capaces de conducir la electricidad cuando son sometidos a una diferencia de potencial eléctrico. Los más comunes son los metales, siendo el cobre el más usado de entre todos ellos, otro metal utilizado es el aluminio y en aplicaciones especiales, debido a su baja resistencia y dureza a la corrosión, se usa el oro. Aunque todos los metales son conductores eléctricos existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad como son el grafito, las soluciones salinas y cualquier material en estado de plasma. Para que un material se considere buen conductor se requiere que posea una baja resistencia para evitar elevadas caídas de tensión y pérdidas desmedidas por el Efecto Joule. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica. 2- Carga eléctrica Carga eléctrica, característica de cualquier partícula que participa en la interacción electromagnética. La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de unidades es el culombio, C.

Existen en la naturaleza dos tipos de cargas eléctricas que por convenio se miden unas con números positivos y las otras con números negativos. Todas las partículas eléctricamente cargadas llevan una carga igual en valor absoluto a una cantidad llamada carga elemental, e. El protón posee una carga +e y el electrón lleva una carga -e. Esta carga elemental equivale a 1,6 · 10-19 C. Un átomo eléctricamente neutro tiene el mismo número de protones que de electrones. 3- Energía, Corriente y Resistencia (Eléctrica) El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del conductor. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. Se expresa mediante la ecuación e = I × R, donde e es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un conductor dado si se conocen las otras dos. Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. La corriente que circula por un conductor se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.

4- Energía Eléctrica Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos (cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico) y obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa, la energía mecánica y la energía térmica. Esta energía resulta del movimiento de las partes de los átomos: el núcleo (compuesto de protones y neutrones), y los electrones. 5- Electricidad Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas.

Energía de un conductor cargado En muchos dispositivos eléctricos, la energía obtenida de fuentes diversas se almacena temporalmente en cuerpos conductores y dieléctricos (ejemplo, mediante condensadores). El valor de la energía eléctrica de un cuerpo conductor provisto de una carga eléctrica neta no nula se determina como el semiproducto de la capacidad de almacenamiento de carga por su potencial eléctrico elevado al cuadrado. Energía y potencia de la corriente eléctrica

En los mecanismos de conversión de diversas formas de energía a eléctrica se comunica a las cargas libres de los medios conductores una energía que puede determinarse como el producto de la carga por la diferencia de potencial a que se somete. En términos matemáticos:

Análogamente, la potencia eléctrica, definida como la variación de energía con respecto al tiempo, se puede expresar como:

De las equivalencias anteriores, sólo la última es universal, mientras que las que implican la presencia de una resistencia se aplican sólo a la conversión de energía en calor. Energía de un conductor cargado y del campo eléctrico Para comunicar una carga eléctrica a un conductor hay que realizar trabajo en vencer las fuerzas repulsivas de Coulomb entre las cargas de igual signo. Este trabajo se gasta en aumentar la energía eléctrica del conductor cargado, que es análoga a la energía potencial en una mecánica. El trabajo δ A1 que realizan las fuerzas externas al trasladar la carga dq desde el infinito al conductor aislado constituye. Donde C y φ son la capacidad eléctrica y el potencial del conductor. El trabajo realizado al aumentar el potencial del conductor desde 0 hasta φ, es decir, al comunicarle a este último la carga q = C φ, es decir, al comunicarle a este último la carga q = C φ, constituye: Respectivamente, la energía de un conductor cargado solitario será:

La energía de un condensador cargado constituye:

Donde C y q son la capacidad eléctrica y la carga del condensador. Y Δ φ, la diferencia de potencial entre sus armaduras. La energía de cualquier sistema de cargas en reposo se puede representar de la forma:

Donde 0 y P son las densidades superficial y volumétrica de las cargas libres; ϕ, el potencial del campo resultante de todas las cargas libres y ligadas en los puntos de los elementos infinitesimales dS o dV de la superficie o del volumen cargados. La integración se extiende a todas las superficies Scarg y volúmenes Vcarg cargados. La influencia del medio dialéctico se manifiesta en que, siendo invariable la distribución en el espacio de las cargas libres, el valor de φ en un mismo punto del campo no es igual en dieléctricos distintos. Así, en un dialéctico isótropo homogéneo que llene todo el campo, φ es 8 veces menor que en el vacío. El campo eléctrico posee una energía que está distribuida por todo el volumen del espacio donde existe este campo. Respectivamente, la energía de un conductor cargado o de un condensador, es la energía de sus campos electrostáticos. Por ejemplo, para el campo homogéneo de un condensador plano. Energía electrostática almacenada por un conductor Una distribución de carga almacena cierta cantidad de energía electrostática. En el caso de un conductor debemos atender al hecho de que la distribución de carga es en superficie. En este caso vemos además que, al ser la superficie del conductor una superficie equipotencial (es decir, en toda la superficie conductor) la integral se reduce de manera muy sencilla a:

del

Donde Q es la carga total sobre la superficie del conductor y V el valor del potencial al que dicha superficie se encuentra. En particular encontramos que si Q = 0 o V = 0 (conductor a tierra) entonces la energía almacenada por el conductor es nula.

Potencial de un Conductor Cargado Cuando un conductor solido en equilibrio tiene una carga neta, esta se halla en la superficie exterior del conductor, por lo cual cada punto del conductor cargado en equilibrio esta al mismo potencial. En resumen la superficie de cualquier conductor cargado en equilibrio es una superficie equipotencial, siendo el campo eléctrico cero en el interior del conductor, que el potencial es constante en cualquier parte del interior del conductor e igual al valor que tiene en la superficie. V1 + V2 = -12E ds = 0 Fuentes de energía eléctrica En la producción de energía eléctrica a escala doméstica e industrial se utilizan múltiples fuentes y procedimientos: Las pilas y las baterías las cuales pueden generar energía eléctrica a partir de la producción energética de las reacciones químicas que ocurren en su interior. Los generadores industriales y los alternadores se basan en el fenómeno de la inducción electromagnética para producir energía eléctrica de corriente alterna Las dinamos se encargan de transformar en energía eléctrica la energía mecánica del movimiento. La dinamo de una bicicleta aprovecha la energía mecánica del desplazamiento para generar un haz de luz eléctrica.

Generadores de energía eléctrica: Central hidroeléctrica: de energía cinética del agua a rotatoria (turbina) y eléctrica. Central térmica: de energía química de combustión a energía de vapor de agua, rotatoria (turbina) y eléctrica. Central nuclear: de energía nuclear a vapor de agua, energía rotatoria (turbina) y eléctrica Generador portátil: de energía química a rotatoria (motor) y eléctrica. Efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no conductores El efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no conductores se muestra en la figura. Un cuerpo cargado negativamente, A, está situado entre un conductor neutro, B, y un no conductor neutro, C. Los electrones libres del conductor son repelidos hacia la zona del conductor alejada de A, mientras que las cargas positivas se ven atraídas hacia la zona próxima. El cuerpo B en su conjunto es atraído hacia A, porque la atracción de las cargas distintas más próximas entre sí es mayor que la repulsión de las cargas iguales más separadas (las fuerzas entre las cargas eléctricas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las cargas). En el no conductor, C, los electrones no pueden moverse libremente, pero los átomos o moléculas del mismo se reorientan de forma que sus electrones constituyentes estén lo más lejos posible de A; el no conductor también es atraído por A, pero en menor medida que el conductor.

Características de los conductores más usados: Cobre de temple duro:

A. Conductividad del 97% respecto a la del cobre puro.

B. Resistividad de 0,018 a 20 ºC de temperatura x mm2m C. Capacidad de ruptura a la carga, oscila entre 37 a 45 kg/mm2. Por esta razón se utiliza en la fabricación de conductores desnudos, para líneas aéreas de transporte de energía eléctrica, donde se exige una buena resistencia mecánica. Cobre recocido o de temple blando: A. Conductividad del 100%

B. Resistividad de 0,01724 respecto del cobre puro, tomado este como patrón. 1 x mm2 58 m C. Carga de ruptura media de 25 kg/mm2 Como es dúctil y flexible se utiliza en la fabricación de conductores aislados.