Variables eléctricas fundamentales.

1. Nociones de electricidad

1. Introducción

El estudio de los fenómenos electromagnéticos que determinan el comportamiento de los circuitos eléctricos, requiere un conocimiento básico de los fenómenos asociados a la interacción de cargas eléctricas y los campos electromagnéticos.

En el presente capítulo se exploran estos fenómenos desde el punto de vista de la ingeniería, es decir, el modelamiento matemático de los mismos aplicado a problemas de análisis y diseño de circuitos eléctricos.

Se llama electricidad al conjunto de fenómenos físicos que tienen su origen en la existencia e interacción de cargas eléctricas.

1. Naturaleza de la carga eléctrica

La carga eléctrica se entiende como una propiedad de la materia, tal como lo es la masa inercial, el espín, la masa gravitatoria, la carga débil, el color, sabor etc.

Las primeras formas de interacción eléctrica observadas fueron fenómenos que tenían que ver con la atracción o repulsión de unos cuerpos por otros, este tipo de interacción se caracterizaba por transmitirse a distancia, aparentemente sin necesidad de medio alguno que llenase el espacio entre los cuerpos participantes.

Existen dos formas simétricas de interacción claramente distinguidas, la repulsión y la atracción eléctrica, estos tipos de interacción se presentan cuando las cargas que interactúan son del mismo o de distinto tipo. De este comportamiento se deduce la existencia de dos tipos de carga eléctrica que se manifiestan en comportamientos simétricos en la fenomenología electromagnética.

Estos dos tipos de carga se denominan de forma convencional positiva y negativa, denominación, por supuesto arbitraria, y establecida por Benjamin Franklin^[1] únicamente con el propósito de diferenciar los comportamientos de los diferentes tipos de carga.

En general la carga eléctrica se representa por la letra Q o q siendo Q usada para cargas estáticas es decir invariables en el tiempo mientras q se utiliza en forma general para cargas que pueden variar o no en el tiempo.

Las primeras formas de interacción fueron estudiadas desde la antigua Grecia por Tales de Mileto quien descubrió la electricidad al frotar una varilla de ámbar^[2] en sus ropas y observar la repulsión que surgía entre esta y cuerpos como el cabello al ser tocados por la varilla.

Hoy en día, se sabe que los fenómenos de naturaleza eléctrica tienen su origen en el corazón mismo de la materia, es decir en los átomos. A partir del descubrimiento del electrón^[3], se empezó a dilucidar la estructura del átomo y por tanto de la materia. Se ha recorrido un largo camino desde entonces y se han identificado tres partículas principales como constituyentes de todos los átomos estables electrón, protón y neutrón denominados según su carga eléctrica.

La carga y masa de cada una de estas partículas se ilustran en la Tabla 1.

Tabla 1 Masa y carga de las partículas constituyentes del átomo

El fenómeno de carga eléctrica se explica como la pérdida o ganancia de electrones por un material debido a distintos fenómenos que pueden ser de tipo mecánico, electromagnético, térmico, químico, etc. Cada uno de los cuales constituye una forma diferente de generar energía eléctrica. A nivel macro podríamos decir que un material cuyos átomos han perdido electrones se comporta como cargado de electricidad positiva, mientras que un material cuyos átomos han recibido electrones se comportará como cargado de electricidad negativa.

De la anterior observación se desprende que la mínima unidad de carga que puede tener un cuerpo es igual a la carga eléctrica de un solo electrón, esta unidad de carga se simboliza por e y puede ser positiva o negativa. [pic 1].

En el sistema internacional de unidades, se utiliza sin embargo otra unidad como base para la carga eléctrica denominada Coulomb en Honor de Charles Coulomb quien fue el primer hombre en realizar medidas precisas de los fenómenos de repulsión y atracción de cuerpos cargados eléctricamente y a quien debemos la llamada ley de Coulomb de las fuerzas eléctricas.

Coulomb: Cantidad de carga que debe circular por una cubeta electrolítica que contenga una disolución de nitrato de plata para depositar en el electrodo negativo(cátodo) 1.118mg de plata.

1 e = 1.60219x10 - 19 Coulombs.

1 C = 6.24x10  18  e+.

El Coulomb, sin embargo es una unidad de carga muy grande, convencionalmente se usan en dispositivos electrónicos submúltiplos de esta unidad expresados con prefijos griegos según se muestra en la Tabla 2. En ingeniería se utilizan estos prefijos de forma muy común para expresar múltiplos o submúltiplos de unidades básicas del SI.

El estudio de las formas de interacción entre cuerpos eléctricamente cargados constituye lo que convencionalmente es llamado electricidad y el estudio de las técnicas necesarias para dominar los fenómenos eléctricos y ponerlos a trabajar en beneficio del hombre es lo que llamamos Electrotecnia.

Tabla 2 Múltiplos y submúltiplos de las unidades básicas del SI

La rama de la ingeniería encargada del estudio de la generación, transmisión, distribución, transformación y utilización de la energía eléctrica es la Ingeniería Eléctrica.

...