Dudas sobre electricidad
Hace ya mucho tiempo tengo algunas dudas sobre circuitos y nunca he logrado comprender, puede que sean muy simples pero de todas maneras acá va.
Muchos libros de electricidad y magnetismo comienzan hablando del campo eléctrico y como este es generado por una distribución de cargas, luego se introduce el concepto de potencial y asignamos al infinito un potencial cero. En este punto los libros saltan a circuitos eléctricos donde aparece el concepto de fem y acá es donde me pierdo, lo que pienso es lo siguiente (por favor indicame si estoy en algún error):
Si pienso en una fem como una pila, esta sera una diferencia de potencial, por lo que tendré un campo eléctrico. ¿Esto es cierto? Es decir, ¿una pila cualquiera siempre produce un campo eléctrico a su alrededor?.
Ahora si fuera cierto lo anterior(la pila produce un campo eléctrico) y conecto esta pila a un circuito entonces ¿El campo eléctrico es perpendicular a la sección transversal de un cable conductor?, ¿Por qué debería ser así, no es que el campo lo genera la pila y no depende de la como estén los cables de un circuito?, o de alguna manera ¿El campo generado por la fem cambia su forma para que apunte a lo largo del circuito?
Una ultima duda esta sobre estas preguntas, ¿Alrededor de un circuito hay un campo eléctrico apuntando en todos los sentido?, ¿Si el campo eléctrico apunta en todas las direcciones, porque los electrones no abandonan el cable del circuito y divergen todas hacia el infinito repeliéndose entre si?
Como puedes ver ante este tema me surgen muchas preguntas.
Muchos libros de electricidad y magnetismo comienzan hablando del campo eléctrico y como este es generado por una distribución de cargas, luego se introduce el concepto de potencial y asignamos al infinito un potencial cero. En este punto los libros saltan a circuitos eléctricos donde aparece el concepto de fem y acá es donde me pierdo, lo que pienso es lo siguiente (por favor indicame si estoy en algún error):
Si pienso en una fem como una pila, esta sera una diferencia de potencial, por lo que tendré un campo eléctrico. ¿Esto es cierto? Es decir, ¿una pila cualquiera siempre produce un campo eléctrico a su alrededor?.
Ahora si fuera cierto lo anterior(la pila produce un campo eléctrico) y conecto esta pila a un circuito entonces ¿El campo eléctrico es perpendicular a la sección transversal de un cable conductor?, ¿Por qué debería ser así, no es que el campo lo genera la pila y no depende de la como estén los cables de un circuito?, o de alguna manera ¿El campo generado por la fem cambia su forma para que apunte a lo largo del circuito?
Una ultima duda esta sobre estas preguntas, ¿Alrededor de un circuito hay un campo eléctrico apuntando en todos los sentido?, ¿Si el campo eléctrico apunta en todas las direcciones, porque los electrones no abandonan el cable del circuito y divergen todas hacia el infinito repeliéndose entre si?
Como puedes ver ante este tema me surgen muchas preguntas.
Respuesta de eudemo
1
Tu pregunta es muy pertinente y yo diría que revela una aguda percepción.
Efectivamente si bien el potencial eléctrico es un concepto úinico, es muy distinto lo que ocurre con la electrostática en medios aislantes a lo que ocurre en los problemas de corriente eléctrica en conductores.
La presencia de un conductor tiene una influencia muy grande en la distribución del campo eléctrico.
Sobre los aisladores cualquier carga de fricción genera campoe eléctricos muy grandes y potenciales muy grandes. Haz la prueba de poner una puntas de un voltímetro de muy alta impedancia en tu mano y la otra en el aire o en cualquier aislador. Verás que la indicación del voltímetro lejos de permanecer fija en cero salta descontrloladamente de un valor a otro. Es que con muy poca carga producto de la fricción se generan potenciales muy altos. Pero estos altos potenciales no sirven para producir corrientes.
Por el contrario, si no se usa una pila o generador las diferencis de potencial dentro de un conductor son cero así como el campo eléctrico. Es que las cargas en el interior de un conductor son libres para moverse. Cualquier intento para crear un campo eléctrico dentro del conductor hace que las cargas se muevan hasta anular la acción de las cargas exteriores.
Así las cargas electrostáticas son de alto voltaje pero poco amperaje. Si yo quiero extraer corriente de una carga electroestática solo voy a conseguir algunos nanoamperes que circulen por algunos nanosegundos. Para obtener una corriente continua necesito que las cargas se repongan a medida que circulan por el conductor. La fuerza que repone esas cargas se llama fuerza electro motriz. Las diferencias de potencial dentro de un conductor son muy pequeñas pero alcanzan para producir corriente. Dentro del conductor las diferencias de potencial están gobernadas más por la resistencia de cada zona del conductor que por las cargas externas.
Puedes imaginar una carga electroestatica como un balde (un cubo) con agua que llevas a la azotea de tu casa. Si lo viertes hacia la calle lo único que logras es mojar a desprevenido peatón.
Por otra parte puedes imaginar la corriente por un conductor como un rio ancho y caudaloso que marcha lentamente hacia el mar. El agua circula porque hay difencias de nivel pero si medimos el nivel en un punto del rio y lo comparamos con el nivel en otro punto cercano las diferencias son muy pequeñas. No obstante esas pequeñas diferencias hace marchar al río. Ciertamente si viertes un balde de agua desde gran altura sobre el rio no alteraras mucho su caudal. Es que el balde si bien tiene mucha altura (potencial) no contiene suficiente agua como para alterar permanentemente el caudal del rio.
El campo eléctrico que hace mover a los electrones en el interior del conductor si bien es pequeño hace mover a muchísimos electrones y produce corriente. El campo eléctrico normal a la corriente en el INTERIOR del conductor es cero. Sobre la SUPERFICIE del conductor si hay campor eléctricos (normales a la superficie) pero esto no tienen la fuerza suficiente como para hacer saltar chispas, es decir no alcanzan para hacer salir a los electrones del conductor. Son los electrones que se acumulan en la superficie del conductor (sin salir) los que hacen que el campo eléctrico en el interior del conductor tenga componente normal nula. Así el campo eléctrico en el interior del conductor y la corriente que por él circula tiene ambos la dirección del conductor. Esta respuesta pretende simplemente ser una introducción. Mucho me gustaría me envíes más comentarios y/o dudas sobre este tema.
Efectivamente si bien el potencial eléctrico es un concepto úinico, es muy distinto lo que ocurre con la electrostática en medios aislantes a lo que ocurre en los problemas de corriente eléctrica en conductores.
La presencia de un conductor tiene una influencia muy grande en la distribución del campo eléctrico.
Sobre los aisladores cualquier carga de fricción genera campoe eléctricos muy grandes y potenciales muy grandes. Haz la prueba de poner una puntas de un voltímetro de muy alta impedancia en tu mano y la otra en el aire o en cualquier aislador. Verás que la indicación del voltímetro lejos de permanecer fija en cero salta descontrloladamente de un valor a otro. Es que con muy poca carga producto de la fricción se generan potenciales muy altos. Pero estos altos potenciales no sirven para producir corrientes.
Por el contrario, si no se usa una pila o generador las diferencis de potencial dentro de un conductor son cero así como el campo eléctrico. Es que las cargas en el interior de un conductor son libres para moverse. Cualquier intento para crear un campo eléctrico dentro del conductor hace que las cargas se muevan hasta anular la acción de las cargas exteriores.
Así las cargas electrostáticas son de alto voltaje pero poco amperaje. Si yo quiero extraer corriente de una carga electroestática solo voy a conseguir algunos nanoamperes que circulen por algunos nanosegundos. Para obtener una corriente continua necesito que las cargas se repongan a medida que circulan por el conductor. La fuerza que repone esas cargas se llama fuerza electro motriz. Las diferencias de potencial dentro de un conductor son muy pequeñas pero alcanzan para producir corriente. Dentro del conductor las diferencias de potencial están gobernadas más por la resistencia de cada zona del conductor que por las cargas externas.
Puedes imaginar una carga electroestatica como un balde (un cubo) con agua que llevas a la azotea de tu casa. Si lo viertes hacia la calle lo único que logras es mojar a desprevenido peatón.
Por otra parte puedes imaginar la corriente por un conductor como un rio ancho y caudaloso que marcha lentamente hacia el mar. El agua circula porque hay difencias de nivel pero si medimos el nivel en un punto del rio y lo comparamos con el nivel en otro punto cercano las diferencias son muy pequeñas. No obstante esas pequeñas diferencias hace marchar al río. Ciertamente si viertes un balde de agua desde gran altura sobre el rio no alteraras mucho su caudal. Es que el balde si bien tiene mucha altura (potencial) no contiene suficiente agua como para alterar permanentemente el caudal del rio.
El campo eléctrico que hace mover a los electrones en el interior del conductor si bien es pequeño hace mover a muchísimos electrones y produce corriente. El campo eléctrico normal a la corriente en el INTERIOR del conductor es cero. Sobre la SUPERFICIE del conductor si hay campor eléctricos (normales a la superficie) pero esto no tienen la fuerza suficiente como para hacer saltar chispas, es decir no alcanzan para hacer salir a los electrones del conductor. Son los electrones que se acumulan en la superficie del conductor (sin salir) los que hacen que el campo eléctrico en el interior del conductor tenga componente normal nula. Así el campo eléctrico en el interior del conductor y la corriente que por él circula tiene ambos la dirección del conductor. Esta respuesta pretende simplemente ser una introducción. Mucho me gustaría me envíes más comentarios y/o dudas sobre este tema.
eudemo
Ante todo muchas gracias por tu respuesta, me ha dado la posibilidad de reflexionar en puntos que no estaba tomando en cuenta. También aprovecho de disculparme por tomarme tanto tiempo para escribir este mensaje pero prefiero pensar las cosas con calma.
Bueno respecto a tu respuesta me gustaría me ha quedado claro que el campo eléctrico normal a la superficie del conductor existe y es muy pequeño pero a pesar de esto los electrones no escapan, ¿la fuerza que no deja que escapen tiene que ver con interacciones a nivel atómico?.
La fuerza electromotriz para mantener la diferencia de potencial ¿mueve un electrón en contra de algún campo eléctrico?, si una fem la veo como una pila ¿este campo eléctrico esta en el interior de la pila? Y ¿Cómo se produce?. Finalmente me gustaría mucho saber(solo por curiosidad) si una pila que esta, por ejemplo, sobre mi escritorio ¿esta generando un campo eléctrico alrededor?. Me gustaría entender los conceptos físicos de las fem más que la química(que de hecho es un dolor de cabeza para mi)
Finalmente me gustaría entender si la ley de Coulomb se mantiene cuando las cargas están en movimiento. Para esto pienso en la siguiente situación. Considero dos cargas puntuales de signos diferentes,(1) para t<0 mantengo estas cargas a una distancia d, (2) en t=0 aplico(y mantengo) a una de las cargas una fuerza externa F mayor que la fuerza de atraccion entre las cargas a lo largo de la linea recta que une las cargas en sentido contrario a la direccion de la otra carga. Acá pienso que la carga a la que se le aplica la fuerza comienza a moverse, mientras que la otra también se mueve debido a la ley de Coulomb. ¿Las cargas en movimiento tienen este efecto de "arrastre"? ¿Una carga en movimiento genera un campo eléctrico dependiente del tiempo a su alrededor? O ¿El campo eléctrico solo se presenta cuando las cargas están estáticas?. En este caso me interesa el campo eléctrico que generaría una carga en movimiento más que el campo magnético.
Nuevamente te expreso mi agradecimiento
Saludos
Esteban Camus
Ante todo muchas gracias por tu respuesta, me ha dado la posibilidad de reflexionar en puntos que no estaba tomando en cuenta. También aprovecho de disculparme por tomarme tanto tiempo para escribir este mensaje pero prefiero pensar las cosas con calma.
Bueno respecto a tu respuesta me gustaría me ha quedado claro que el campo eléctrico normal a la superficie del conductor existe y es muy pequeño pero a pesar de esto los electrones no escapan, ¿la fuerza que no deja que escapen tiene que ver con interacciones a nivel atómico?.
La fuerza electromotriz para mantener la diferencia de potencial ¿mueve un electrón en contra de algún campo eléctrico?, si una fem la veo como una pila ¿este campo eléctrico esta en el interior de la pila? Y ¿Cómo se produce?. Finalmente me gustaría mucho saber(solo por curiosidad) si una pila que esta, por ejemplo, sobre mi escritorio ¿esta generando un campo eléctrico alrededor?. Me gustaría entender los conceptos físicos de las fem más que la química(que de hecho es un dolor de cabeza para mi)
Finalmente me gustaría entender si la ley de Coulomb se mantiene cuando las cargas están en movimiento. Para esto pienso en la siguiente situación. Considero dos cargas puntuales de signos diferentes,(1) para t<0 mantengo estas cargas a una distancia d, (2) en t=0 aplico(y mantengo) a una de las cargas una fuerza externa F mayor que la fuerza de atraccion entre las cargas a lo largo de la linea recta que une las cargas en sentido contrario a la direccion de la otra carga. Acá pienso que la carga a la que se le aplica la fuerza comienza a moverse, mientras que la otra también se mueve debido a la ley de Coulomb. ¿Las cargas en movimiento tienen este efecto de "arrastre"? ¿Una carga en movimiento genera un campo eléctrico dependiente del tiempo a su alrededor? O ¿El campo eléctrico solo se presenta cuando las cargas están estáticas?. En este caso me interesa el campo eléctrico que generaría una carga en movimiento más que el campo magnético.
Nuevamente te expreso mi agradecimiento
Saludos
Esteban Camus
[size= small]Hola Esteban[/size]
[size= small]> El campo eléctrico[/size]
[size= small]>Normal a la superficie del conductor existe y[/size]
[size= small] [/size]>Es muy pequeño pero a pesar de esto los
[size= small]>electrones no escapan, [/size]
[size= small]>¿la fuerza que no deja que escapen tiene que [/size]
[size= small]>ver con interacciones a nivel atómico?.[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Si. En un átomo los electrones están vinculados al núcleo. Los de las capas interiores están fuertemente [/size]vinculados al núcleo. Los electrones exteriores son más libres y se desplazan por el metal pero no son tan libres como para salir del metal.Están sujetos a la acción del conjunto de átomos en lo que se conoce como Física del Estado Sólido. Para saltar fuera de la superficie del metal al vacío les hace falta mucha energía. Pueden dar ese salto si reciben energía por ejemplo de la luz en el efecto fotoeléctrico o del calor en la emisión termoiónica .
[size= small]El hecho de que fuera del condictor no hay vacío sino aire complica auun más las cosas. [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size][size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>La fuerza electromotriz para mantener la [/size]
[size= small]>diferencia de potencial ¿mueve un electrón en [/size]
[size= small]>contra de algún campo eléctrico?,[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]En el circuito las cargas se mueven por la acción del [/size]campo eléctrico.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Dentro de la pila o del generador [/size]hay otras fuerzas que no son simples fuerzas electrostáticas.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>Si una f.e.m. la veo como una pila [/size]
[size= small]>¿este campo eléctrico esta en el interior de la pila? [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small] La f.e.m. dentro de la pila no es una fuerza eléctrica del tipo [/size]que se estudia en electroestática.La fem va en sentido contrario. El el polo negatico se acumulan electrones. La pila la pila lleva a los electrones que recibe en el polo positivo hasta el polo negativo. Como ves eso es contrari a la fuerza de Coulomb. Entonce la f.e.m. no es una fuerza de Cuolomb
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>y ¿como se produce?.[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]En la pila se produce por la acción de reacciones químicas. [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small] [/size]>Finalmente me gustaría mucho saber si una
[size= small]>pila que esta, por ejemplo, sobre mi escritorio [/size]
[size= small]>¿esta generando un campo eléctrico alrededor?[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Si. Es un campo eléctrico muy muy pequeño comparado con los campos electroestáticos que hay en los aisladores que están normalmente cargados por fracción. Pero al cerrar el circuito los campos generados por la estática desaparecen, a diferencia [/size]del la pila que se mantiene.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]> Me gustaria entender los conceptos físicos de [/size]
[size= small]>las fem mas que la quimica(que de hecho es [/size]
[size= small]>un dolor de cabeza para mi)[/size]
[size= small] [/size]
[size= small]Para mi también[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>Finalmente me gustaría saber si la ley de [/size]
[size= small]>Coulomb se mantiene cuando las cargas están[/size]
[size= small]>en movimiento. [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]No. No se mantiene.
Justamente la ley de Coulomb es parte de la electroestática. Cuando las cargas de mueven en forma no demasiado lenta ya las leyes de la Electroestática no nos alcanzan. Ya aparecen las leyes de la ... Electrodinámica.
La situación se complica no solo por la aparición de los campos magnéticos sino por que se cumplen las [/size]leyes enunciadas por Maxwell. Estas leyes de la Electrodinámica de Maxwell requieren de conocimientos matemáticos avanzados, como ser el análisis vectorial y las ecuaciones diferenciales.
[size= small]-------------------------------------[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]En el resto de tu pregunta planteas [/size]la transmisión de la acción de una carga eléctrica que comienza a moverse.
[size= small]Esa es una situación de electrodinámica muy compleja. Lo que sí te diré es que [/size]la acción sobre la segunda carga no se transmite a velocidad infinita. Se transmite a una velocidad que resulta ser la velocidad de la luz
[size= small]Así Maxwell llegó a la conclusión de que la luz es justamente una onda de campos [/size]electromagnéticos.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Como verás tu pregunta conducen [/size]a un tema cuyo estudio es realmente largo. He hecho un esfuerzo de síntesis para darte un esbozo de respuesta porque me parece meritoria la manera en que te interesas y porque ... como decirlo... pones el dedo en la llaga.
[size= small]> El campo eléctrico[/size]
[size= small]>Normal a la superficie del conductor existe y[/size]
[size= small] [/size]>Es muy pequeño pero a pesar de esto los
[size= small]>electrones no escapan, [/size]
[size= small]>¿la fuerza que no deja que escapen tiene que [/size]
[size= small]>ver con interacciones a nivel atómico?.[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Si. En un átomo los electrones están vinculados al núcleo. Los de las capas interiores están fuertemente [/size]vinculados al núcleo. Los electrones exteriores son más libres y se desplazan por el metal pero no son tan libres como para salir del metal.Están sujetos a la acción del conjunto de átomos en lo que se conoce como Física del Estado Sólido. Para saltar fuera de la superficie del metal al vacío les hace falta mucha energía. Pueden dar ese salto si reciben energía por ejemplo de la luz en el efecto fotoeléctrico o del calor en la emisión termoiónica .
[size= small]El hecho de que fuera del condictor no hay vacío sino aire complica auun más las cosas. [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size][size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>La fuerza electromotriz para mantener la [/size]
[size= small]>diferencia de potencial ¿mueve un electrón en [/size]
[size= small]>contra de algún campo eléctrico?,[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]En el circuito las cargas se mueven por la acción del [/size]campo eléctrico.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Dentro de la pila o del generador [/size]hay otras fuerzas que no son simples fuerzas electrostáticas.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>Si una f.e.m. la veo como una pila [/size]
[size= small]>¿este campo eléctrico esta en el interior de la pila? [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small] La f.e.m. dentro de la pila no es una fuerza eléctrica del tipo [/size]que se estudia en electroestática.La fem va en sentido contrario. El el polo negatico se acumulan electrones. La pila la pila lleva a los electrones que recibe en el polo positivo hasta el polo negativo. Como ves eso es contrari a la fuerza de Coulomb. Entonce la f.e.m. no es una fuerza de Cuolomb
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>y ¿como se produce?.[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]En la pila se produce por la acción de reacciones químicas. [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small] [/size]>Finalmente me gustaría mucho saber si una
[size= small]>pila que esta, por ejemplo, sobre mi escritorio [/size]
[size= small]>¿esta generando un campo eléctrico alrededor?[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Si. Es un campo eléctrico muy muy pequeño comparado con los campos electroestáticos que hay en los aisladores que están normalmente cargados por fracción. Pero al cerrar el circuito los campos generados por la estática desaparecen, a diferencia [/size]del la pila que se mantiene.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]> Me gustaria entender los conceptos físicos de [/size]
[size= small]>las fem mas que la quimica(que de hecho es [/size]
[size= small]>un dolor de cabeza para mi)[/size]
[size= small] [/size]
[size= small]Para mi también[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]>Finalmente me gustaría saber si la ley de [/size]
[size= small]>Coulomb se mantiene cuando las cargas están[/size]
[size= small]>en movimiento. [/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]No. No se mantiene.
Justamente la ley de Coulomb es parte de la electroestática. Cuando las cargas de mueven en forma no demasiado lenta ya las leyes de la Electroestática no nos alcanzan. Ya aparecen las leyes de la ... Electrodinámica.
La situación se complica no solo por la aparición de los campos magnéticos sino por que se cumplen las [/size]leyes enunciadas por Maxwell. Estas leyes de la Electrodinámica de Maxwell requieren de conocimientos matemáticos avanzados, como ser el análisis vectorial y las ecuaciones diferenciales.
[size= small]-------------------------------------[/size]
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]En el resto de tu pregunta planteas [/size]la transmisión de la acción de una carga eléctrica que comienza a moverse.
[size= small]Esa es una situación de electrodinámica muy compleja. Lo que sí te diré es que [/size]la acción sobre la segunda carga no se transmite a velocidad infinita. Se transmite a una velocidad que resulta ser la velocidad de la luz
[size= small]Así Maxwell llegó a la conclusión de que la luz es justamente una onda de campos [/size]electromagnéticos.
[size= small; font-family: Times New Roman] [/size]
[size= small]Como verás tu pregunta conducen [/size]a un tema cuyo estudio es realmente largo. He hecho un esfuerzo de síntesis para darte un esbozo de respuesta porque me parece meritoria la manera en que te interesas y porque ... como decirlo... pones el dedo en la llaga.
