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ELECTROESTÁTICA
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8.
Naturaleza eléctrica.
Interacción electroestática.
Campo eléctrico.
Energía potencial eléctrica.
Potencial eléctrico.
Corriente eléctrica continua.
Ley de Ohm.
Asociación de resistencias.
Física 1º bachillerato
Electroestática
1
1. NATURALEZA ELÉCTRICA
La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos por la que se pueden atraer o
repeler, aunque generalmente la materia es neutra.
Hay dos tipos de fuerza:
•
Atractiva.
•
Repulsiva.
Por lo que implica la existencia de dos tipos de carga:
•
Positiva (+).
•
Negativa (-).
Las cargas del mismo signo se atraen y las de signo opuesto se repelen.
La unidad de carga eléctrica es el culombio (1 C = carga de 6.24 1018 e-).
Un cuerpo que tiene un exceso de e- (carga negativa) resulta cargado
negativamente y, viceversa, al perder e- queda cargado positivamente.
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1. NATURALEZA ELÉCTRICA
La carga eléctrica es una
propiedad intrínseca de
algunas
partículas
subatómicas que se manifiesta
mediante
atracciones
y
repulsiones y que determina
las
interacciones
electromagnéticas
entre
ellas. La materia cargada
eléctricamente es influida
por
los
campos
electromagnéticos siendo, a
su vez, generadora de ellos.
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–
+
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1. NATURALEZA ELÉCTRICA
Principio de conservación de la cantidad de carga eléctrica:
Las cargas eléctricas se producen por pareja, por lo que, el total de
cargas eléctricas positivas producidas es igual al de las
negativas.
La carga eléctrica se conserva en un sistema cerrado, la suma total
de cargas positivas y negativas no varía.
Cuantización de la carga eléctrica:
La carga eléctrica está cuantizada, cualquier carga eléctrica debe
ser múltiplo entero de la unidad de carga natural (que es el
electrón, 1 e- = -1.6 10-19 C).
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2. INTERACCIÓN
ELECTROESTÁTICA
Ley de Coulomb:
La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas
puntuales es directamente proporcional al producto
de las cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia entre ellas (es una
magnitud vectorial como todas las fuerzas).

q1  q2 
ur
Ecuación de la ley de Coulomb: Fe  K
2
d
K
1
4
La constante dieléctrica o permitividad (ε) es una
característica del medio que indica la forma de
relacionarse las cargas en dicho medio.
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2. INTERACCIÓN
ELECTROESTÁTICA


Fq'q
Fqq'
q
q
q'
q'
Las dos cargas sufren la misma fuerza con el
mismo módulo y la misma dirección pero con
sentidos opuestos sobre cada una de ellas.
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2. INTERACCIÓN
ELECTROESTÁTICA
El culombio (C):
El culombio es la carga que repele a otra
igual, en el vacío, situada a una
distancia de un metro y con una fuerza
de 9 109 N.
K=9
109
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N m
2
C2
εo=8.85
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2
C
10-12
N  m2
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EJERCICIO-EJEMPLO
Tres cargas de 1, -2 y 3 C se encuentran
situadas en tres vértices consecutivos,
respectivamente, de un cuadrado de 3m
de lado. Calcula la fuerza a la que
someten a una cuarta carga de -4 C
situada sobre el último vértice.
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RELACIÓN DE EJERCICIOS
FUERZA ELÉCTRICA
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3. CAMPO ELÉCTRICO
El campo eléctrico o intensidad de campo eléctrico es la
perturbación en el espacio originada por una carga, y está
definida en un punto por un vector (E) igual a la fuerza
ejercida en ese punto sobre la unidad de carga positiva (+1C).
Es una magnitud vectorial que tiene la misma dirección y sentido que
la fuerza ejercida sobre la unidad de carga positiva.
Un campo eléctrico es uniforma cuando el vector intensidad de
campo es el mismo en todos los puntos del campo.
Ecuación del campo eléctrico:

 F

q
E  e  K 12 ur
q
d
El campo eléctrico se mide en N/C.
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3. CAMPO ELÉCTRICO
El principio de superposición
de campo eléctrico indica
que la intensidad de campo
eléctrico en un punto
debido a la presencia de un
sistema discreto de cargas
es igual a la suma vectorial
de las intensidades de
campo eléctrico creados
por cada una de ellas.
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EJERCICIO-EJEMPLO
¿Cuánto valdrá el campo eléctrico en el
punto (2,1) si colocamos cargas de 1, -2 y
3 C en (0,0), (0,4) y (5,1)
respectivamente (las distancias están
tomadas en metros)? ¿Cuál será la
fuerza que moverá una carga de –4 C
situada en dicho punto?
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3. CAMPO ELÉCTRICO
Las líneas de fuerza de un campo eléctrico
(representación del campo eléctrico) son líneas
imaginarias tangentes en cada punto al vector campo
eléctrico en ese punto.
Las líneas de campo nacen en las cargas positivas
(fuentes) y terminan en las cargas negativas
(sumideros).
La densidad de líneas de campo es el número o cantidad
de líneas que de forma imaginaria atraviesan una
unidad de superficie.
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3. CAMPO ELÉCTRICO
Una carga:
Son radiales a la carga.
• Positiva.
Salen de la carga.
• Negativa.
Van hacia la carga.
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3. CAMPO ELÉCTRICO
Varias cargas:
El campo eléctrico total es la suma de los
campos eléctricos creados por cada
una de las cargas.
•
•
Distinto signo.
Mismo signo.
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3. CAMPO ELÉCTRICO
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3. CAMPO ELÉCTRICO
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RELACIÓN DE EJERCICIOS
CAMPO ELÉCTRICO
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4. ENERGÍA POTENCIAL
ELÉCTRICA
La energía potencial eléctrica (E) en un punto es el trabajo que
realizan las fuerzas del campo eléctrico creado por una carga
puntual (q1) para llevar otra carga puntual (q2) desde un punto
hasta el infinito (donde la fuerza eléctrica es nula).
Es una magnitud escalar.
A
B
q1
q2
r12
Ecuación de la energía potencial eléctrica:
Se mide en julios (J).
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q1  q2
Ep  K
d
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4. ENERGÍA POTENCIAL
ELÉCTRICA
El trabajo realizado cuando una carga eléctrica cambia
de posición dentro de un campo eléctrico, desde un
punto A hasta otro B, es igual a la variación de
energía potencial eléctrica del sistema cambiado
de signo.
WAB  E p  EPA  EPB
WA  E p  EPA  EP  EPA  0  EPA
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4. ENERGÍA POTENCIAL
ELÉCTRICA
Las
cargas
eléctricas
positivas se mueven
espontáneamente de
energías
potenciales
mayores a menores y
las cargas negativas lo
hacen al revés (de
menores a mayores
energías potenciales).
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EJERCICIO-EJEMPLO
Tres cargas de 1, -2 y 3 C se encuentran
situadas en tres vértices consecutivos,
respectivamente, de un cuadrado de 3m
de lado. Calcula el trabajo necesario
para que una cuarta carga de -4 C
situada sobre el último vértice llegue
hasta el centro del cuadrado.
Razonar el signo del trabajo.
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5. POTENCIAL ELÉCTRICO
El potencial eléctrico (V) en un punto del campo
eléctrico es la energía potencial que posee la
unidad de carga positiva en ese punto.
Ep
q1
Ecuación del potencial eléctrico: V 
K
q
d
Es un magnitud escalar.
Se mide en voltios (V).
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q
A
B
rB
rA
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5. POTENCIAL ELÉCTRICO
La diferencia de potencial (tensión o
voltaje) es el trabajo necesario para
desplazar cualquier carga entre dos
puntos.
WAB E p ( A)  E p ( B)
VA  VB 

q
q
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5. POTENCIAL ELÉCTRICO
q
+
+
B
A
Una carga eléctrica se mueve espontáneamente desde A hasta B
siguiendo una línea de fuerza. El trabajo lo realizan las fuerzas del
campo. Se considera positivo.
+
+
q
B
A
Ahora obligamos a la carga a moverse desde B hasta A contra las
fuerzas del campo. El trabajo lo realizamos nosotros. Se considera
negativo.
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5. POTENCIAL ELÉCTRICO
Las superficies equipotenciales
son el lugar geométrico del
espacio donde todos los puntos
tienen el mismo potencial.
No
se
cortan
y
son
perpendiculares a las líneas de
campo.
La carga que se mueve por una
superficie
equipotencial
no
realiza trabajo alguno.
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EJERCICIO-EJEMPLO
Una carga de +3 μC está situada en el vacio
en el origen de coordenadas del plano
cartesiano:
a)Calcula el potencial en los puntos A(3,0) y
B(0,6).
b)Determina la ddp entre A y B.
c)Descubre el trabajo necesario para llevar
una carga de 2 ρC desde A hasta B.
d)Razonar el signo del trabajo.
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RELACIÓN DE EJERCICIOS
POTENCIAL Y ENERGÍA
POTENCIAL
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6. CORRIENTE ELÉCTRICA
CONTINUA
Una corriente eléctrica es un movimiento ordenado y
continuo de carga eléctrica.
La cantidad de carga eléctrica dentro de un circuito se
conserva.
+
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+
+
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6. CORRIENTE ELÉCTRICA
CONTINUA
Las cargas se comportan de distinta manera según el
tipo de material en el que se encuentren:
• Conductores:
En los conductores en equilibrio, las cargas
eléctricas están libres en la superficie. En su interior
no existen cargas eléctricas y el valor del campo es
nulo.
• Aislantes.
En los aislantes o dieléctricos, las cargas pueden
estar situadas en cualquier punto y no se pueden
mover.
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6. CORRIENTE ELÉCTRICA
CONTINUA
La intensidad de corriente eléctrica es la
cantidad de carga eléctrica que circula en un
conductor
atravesando
una
sección
transversal por unidad de tiempo.
Ecuación de la intensidad de la corriente
eléctrica:
q
I
t
Se mide en amperios (A).
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6. CORRIENTE ELÉCTRICA
CONTINUA
La resistencia eléctrica es la dificultad que encuentran las cargas
para moverse dentro del conductor.
Es directamente proporcional a la longitud e inversamente
proporcional a la sección.
Caracteriza a los materiales a través de la resistividad o
coeficiente de resistividad (resistencia de un material de 1 m
de longitud y 1 m2 de sección).
Ecuación de la resistencia eléctrica:
Se mide en ohmios (Ω).
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V
R
I
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7. LEY DE OHM
La ley de Ohm:
La intensidad de corriente que atraviesa un
conductor es directamente proporcional a la
diferencia de potencia a la que está
conectado, siendo la resistencia la constante
de proporción.
Ecuación de la ley de Ohm:
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VAB  I  R
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7. LEY DE OHM
La fuerza electromotriz (fem) es la energía que
suministra el generador a la unidad de carga
que pasa por él.
W W
 
q I t
Es una magnitud que mide la capacidad de un
generador eléctrico para suministrar energía
a la unidad de carga que pasa por él
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7. LEY DE OHM
La energía disipada se conoce como el efecto
térmico de la corriente eléctrica o efecto de
Joule, es la energía disipada como calor de un
dispositivo eléctrico:
Q = R I2 t
La potencia eléctrica es la energía disipada por
unidad de tiempo, es una medida de la rapidez
con la que el dispositivo eléctrico transforma
energía eléctrica:
P = R I2
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EJERCICIO-EJEMPLO
Determinar el trabajo realizado por un motor
durante
una
hora
y
media
de
funcionamiento que genera una fem de 4,5
V entre dos puntos con una diferencia de
potencial de
2,5 voltios sabiendo que
existe una resistencia de 3 ohmios.
Calcular la cantidad de carga eléctrica que
circula.
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RELACIÓN DE EJERCICIOS
CORRIENTE ELÉCTRICA
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS
Asociación en serie:
•
Intensidad de corriente:
I e  Ii
R1
I
R2
I
I
La intensidad de corriente es la misma en toda la asociación.
n
•
Diferencia de potencial:
Ve   Vi
i 1
La diferencia de potencial es la suma algebraica de las
diferencias de potencial.
•
Resistencia equivalente:
n
Re   Ri
i 1
La resistencia equivalente es la suma algebraica de las
resistencias.
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS I R
1
Asociación en paralelo (derivación):
n
•
Intensidad de corriente:
Ie   Ii
i 1
A
I
1
•
•
I2
B
R2
La intensidad de corriente es la suma algebraica de las
intensidades de corriente.
•
Diferencia de potencial:
Ve  Vi
La diferencia de potencial es el mismo en toda la asociación
•
Resistencia equivalente:
n
1
1

Re i 1 Ri
La inversa de la resistencia equivalente es la suma
algebraica de las inversas de las resistencias.
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS
VA  VB
VA
A
•
VB  VC
R1
VB
•
B
VA  VC
R2
VC
•
C
R1
A
•
R2
•
B
VA  VB
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS
Asociaciones mixtas:
En las asociaciones mixtas se van sustituyendo las
asociaciones por sus respectivas equivalentes.
R3 = 4
R1 = 2
2
R2 = 0,6
R4 = 6
R1 = 1 

A

C
3

D
R5 = 5 

B
4
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS
Un
galvanómetro
es
un
dispositivo que detecta el paso
de una corriente eléctrica.
Los dos más comunes son:
•Amperímetro:
Galvanómetro
que
mide la intensidad de corriente.
Se conecta en serie.
•Voltímetro:
Galvanómetro
que
mide la diferencia de potencial.
Se conecta en paralelo.
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8. ASOCIACIÓN DE
RESISTENCIAS


r
r
R
R
RA
A
V
Conexión de un amperímetro
a un circuito
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RV
Conexión de un voltímetro
a un circuito
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EJERCICIO-EJEMPLO
Determinar la resistencia equivalente del
siguiente circuito:
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RELACIÓN DE EJERCICIOS
CIRCUITOS
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