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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS SECCION DE FISICA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO LUIS FELIPE MILLAN BUITRAGO Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Campo eléctrico y Ley de Gauss Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2.1 Introducción Unidad II 2.2 Objetivo general 2.3 Objetivos especifico 2.4 Campo gravitacional 2.5 Líneas del campo gravitacional 2.6 Campo eléctrico 2.7 Superposición de campos 2.8 Dipolo eléctrico 2.9 Líneas de campo eléctrico Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2.10 Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico uniforme 2.11 Distribución continua de masa 2.12 Distribución continua de carga 2.13 Flujo eléctrico 2.14 Ley Gauss 2.15 Auto-evaluación 2.16 Solucionarlo Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Después De igual introduciremos modo que el sollainfluye ley de sobre Gausslos y planetas las ventajas no 2.1 Introducción que proporciona obstante de estarsua empleo. millonesEsta de kilómetros, ley facilita en unamuchos carga casos elejercer puede calculouna de fuerza campossobre eléctricos, otra, las aunsituaciones cuando estén que pueden analizarse separadas por una gran directamente distancia.utilizando la ley de Gauss es pequeña pero que pueden realizarse con extraordinaria En este capitulo presentaremos y desarrollaremos el facilidad, en particular, simplifica mucho el calculo de los concepto del campo eléctrico para una distribución campos eléctricos cuando hay simetría en la distribución continúa o discreta de cargas en reposo, aprenderemos de carga. algunos modos en que nos puede ser útil evaluar el Es justoeléctrico, campo decir que así sicomo la ley la utilización de Coulomb de constituye las líneas de el “caballopara campo de su batalla” representación.. de la electrostática, la ley de Gauss proporciona “perspicacia”. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Proporcionar al estudiante los elementos fundamentales 2.2 Objetivo general que estructuran y parametrizan conceptualmente la intensidad del campo eléctrico y la determinación de dicho campo generado por una distribución continua o discreta de cargas, así como, la aplicación de la ley de Gauss para relacionar el flujo eléctrico con la carga neta de un conjunto de cargas puntuales. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Proporcionar al alumno los principios teóricos que 2.3 Objetivos específicos relacionan el concepto de campo eléctrico con el de líneas de fuerza para sistemas de carga sencillos y así poder obtener información respecto a la dirección e intensidad del mismo a partir del diagrama trazado. Proyectar la aplicación temática al estudio del movimiento de cargas en campos eléctricos como en el caso de los tubos de rayos catódicos. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La masa tiene una propiedad muy importante y es 2.4 Campo gravitacional modificar el espacio que la rodea formando un campo, el campo gravitacional. Consideremos que la masa que engendra el campo es (M), si colocamos un cuerpo de prueba de masa (m) dentro de ese campo a una distancia r de sus centros se genera una fuerza de carácter gravitacional. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La fuerza gravitacional en la unidad de masa (m) nos da el valor de la intensidad del campo gravitacional a esa distancia r de su centro. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Calcule intensidad del campo gravitacional en la superficie Ejemplola2.1 de la tierra, si el radio medio de la tierra r es 6.37*106 m, la masa de la tierra M es 5.98*1024 Kg. y G (constante de Cavendish) 6.67*10-11 N*m2/Kg2. g = -G M / r2^ r = -9.8 m/s2 ^ r Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA El campo del gravitacional es radial, dirigido hacia el 2.5 Líneas campo gravitacional centro, en todas direcciones e intenso cerca de la superficie, ya que la líneas de campo están mas cerca. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La en su estado natural es eléctricamente neutra, 2.6 materia Campo eléctrico si se desequilibra la carga, la materia obtiene defecto o exceso de electrones. Esa carga neta diferente de cero modifica el espacio que la rodea engendrando un campo de carácter eléctrico E. Si la carga puntual u objeto cargado que genera el campo es Q positiva y la carga que colocamos dentro del campo es Q a una distancia r de sus FQQ + centros,entonces, se produce + carácter r una fuerza de eléctrico. Q Q FQQ = KQQ / r2^ r Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La fuerza eléctrica en la unidad de carga Q nos da el valor de la intensidad del campo eléctrico generado por la carga puntual Q u objeto cargado a una distancia r de su centro. EQ + r Q ^ Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se tiene una carga puntual Q positiva que engendra un campo eléctrico E, se coloca otra carga puntual Q positiva u objeto cargado dentro de ese campo a una distancia r de sus centros y así evaluaremos la fuerza electrostática. FQQ + r Q Q FQQ = KQQ / r2^ r Luis Felipe Millán B. + U. AUTONOMA DE COLOMBIA La fuerza eléctrica en la unidad de carga Q nos da el valor de la intensidad del campo eléctrico generado por la carga puntual Q u objeto cargado a una distancia r de su centro. + EQ r Q ^ Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Campo eléctrico de repulsión generado por una carga puntual u objeto cargado Q positiva a una distancia r. r + Er = K Q / r2 ^ r (N/C) actúa en dirección radial Campo eléctrico de atracción generado por una carga puntual u objeto cargado Q negativa a una distancia r. r - Luis Felipe Millán B. Er = K Q / r2 ^ r (N/C) actúa en dirección radial U. AUTONOMA DE COLOMBIA El átomo2.2 de hidrogeno en su configuración normal, no Ejemplo excitada, tiene un electrón que gira alrededor de un protón a un distancia r = 5.3*10-11 m. ¿Cual es el campo eléctrico debido al protón en la posición del electrón? Er = K Q / r2^ r K = 9*109 (N m/C2) r = 5.3*10-11 m Er = 5.13*1011 ^ r N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Q = +1.6*10-19 C ^posición El vector j +5es:mCLa vector r es: de Una Q de^ el origen 2+32)1/2 del Ejemplo rcarga = r2.6.1 r se =magnitud (1encuentra = 2enm x i + ry coordenadas. Encuentre la magnitud del vector campo El ángulo que qforma elmvector = 3) (3/1) = 60oposicion con la eléctrico en elArtan punto (1, horizontal es: ^j El vector eléctrico es: E =campo Ex^ i +E y Y SEy El campo eléctrico^es de repulsion. j E = E cosq i + E senq ^ Por tanto esta dirigido hacia fuera. E Las componentes rectangulares del ^ ^ E = E (cosq i + senq j ) (1, 3) vector campo eléctrico son: m q 2)(3/2 ^ + 1/2 ^ j) E = (KQ/r i SEx r + SEy q Luis Felipe Millán B. j )N/C E = 11.25*103(3/2 ^ i + 1/2^ 3 N/Celéctrico es: La magnitudEdel vector campo = 15.37*10 X U. AUTONOMA DE COLOMBIA Z Una carga Ejemplo 2.6.2 Q = +5 mC se encuentra en el origen, 2)1/2 = 53 m rEncuentre = distancia (52 + 3la+de 5la La carga del al punto ¿PORes:campo QUE? (5, 3, 5)en magnitud vector eléctrico E zm El campo electrico el punto (5, 3, 5) m E ^k ^j eléctrico ^i campo El vector E = E + E + E x y z es de repulsion y E x ^ ^ ^ ^k )kr las componenetes E Cosb^ E Cosg E==E ECosa (Cosai ^ i+ +E Cosb jj ++ Cosg z del vector campo ¿QueE significado tiene la ecuacion? ^ = E u eléctrico son: direccion del = 46.62ro aLa = Arcos(5/53) Ey o campo = 76.24 b =vector Arcos(3/53) La magnitud del vector 2 o eléctrico es: E = KQ/r = 849.06 N/C g = Arcos(5/53) = 46.62 campo eléctrico es: X + rx ^i + 3/53 El vector campo^j eléctrico es: E = 849.06(5/53 + 5/53^k) N/C E = 583.14 ^ i + 202 k) N/C ry ^j + 583.14 ^ Y Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ya el principiodedecampos superposición lineal es valido para 2.7 que Superposición eléctricos la ley de Coulomb, también es valido para el campo eléctrico. Para calcular la intensidad del campo eléctrico en un punto producido por una serie de n cargas. puntuales la resultante es la suma vectorial de cada uno de los campos individuales. ET = E1 + E2 +...+ Ei +..... + En ET = K(q1/r12 ^ r1 + q2/r22 ^ r2 +......+qi ri2 ^ ri+.......+ qn/rn2 ^ rn) ET = K qi / ri2 ^ r Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA En la figura resultante en el Ejemplo 2.3 dibujar el campo eléctrico E1 punto(*) debido a una carga Q1 positiva y dos cargas negativas Q2 y Q3. * + E2 Q1 - Q2 E3 - Q3 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se tiene una carga Q1 positiva en el punto (x1,y1) y una Ejemplo.2.4 carga Q2 negativa en el punto (-x2,y2). a) ¿Cual es la magnitud yy la dirección del campo en el punto (x,y)? b) Si Q1 = +2 mC y esta en (2,1) m, Q2 = -4 mC y esta en (1,3) m. ¿Cual es la magnitud y la dirección del campo en 2 2 ½ el punto (5,5) m? r2 r={( 2 x2 - x) +(y2 - y) } = 210 m - Q2 (-1,3) r1 ={(x1 - x)2+(y1 - y)2}½ = 25 m = 5 m r1 + Q1 (2,1) x Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA E1y y E2x - Q2 (-1,3) Luis Felipe Millán B. a q E1x Dibujamos la dirección de los campos. E2y Trazamos unlas marco de referencia x,y en el Dibujamos componentes del campo punto donde va a xevaluar campo eléctrico en se el eje y en eleleje y. eléctrico. + Q1 (2,1) x U. AUTONOMA DE COLOMBIA Cosa=(x-(-x Cosq 2)) /=r2(x-x = (5-(-1)) 1) / r1 = (5-2) / 40 /=56=/ 3210 / 5 = 3 / 10 Sena=(y-y Senq2 ) =/ r(y-y 2 = (5-3) 1 ) / r1/ = 40 (5-1) = 2//52 = 4 / =5 1 / 10 y r2 a - Q2 (-1,3) r1 q + Q1 (2,1) x Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA E1y E2x q a E2y - Q2 (-1,3) + Q1 (2,1) Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA E1x E1y E2x q a E1x E2y E x = (E 1x - E2x) campos - respectivas E2 Cosa) i Ahora sumamos en sus i = (E1 Cosq j = (E1 Senq - E2 Sena) j Ey = (E1y - E2y) componentes. ^ ^ Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA ^ ^ Ex = K(Q1 Cosq / r12 - Q2 Cosa / r22)^ i Ey = K(Q1 Senq / r12 - Q2 Sena / r22)^ j Ex = 9*109 (2*10-6 * (3/5)/25 – 4*10-6 * (3/10)/40) Ex = -421.8 N/C Ey = 9*109 (2*10-6 * (4/5)/25 – 4*10-6 * (1/10)/40) Ey = 291.4 N/C E =(-421.8^ i + 291.4^ j) 2) magnitud del campo es: E = (x2 + yLa = ((-421.8)2 + 291.42)½ = 512.67 N/C campo = 145.36° l = Artan Dirección (y / x)del = -34.64° Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA E YX,Y Trazamos Un Descomponemos dipolo el consta marco los de vectores referencia dos cargas de igual en elmagnitud punto donde pero 2.8 Dipolo eléctrico Ex = ((E-x)+(E+x)) ^ i E+y de signos campo vamos a evaluar eléctricos contrarios el campo. separadas en sus una distancia d = 2a. Si las Dibujamos la dirección de ^ j E y = ((E +y )-(E -y )) = 0 componentes cargas son +5x,y mC y -5 mC respectivamente, la separación los campos entre la cargas es de 20 cm y el punto de la bisectriz es de 2+a2) = 0.51 cm r = (y 50 cm. Encontrar el campo eléctrico en el punto sobre la a E -x + E +y 2+a2) Cosa = a/r = a/(y Sena X bisectriz. a = y/r y -y + Luis Felipe Millán B. a a 2a U. AUTONOMA DE COLOMBIA - Ex = K (Q Cosa / r2 + Q Cosa / r2)^ i Ex = 2 (K Q Cosa / r2)^ i Ex = 2(K Q a / (y2 + a2)3/2) ^ i E = K(Q2a) / ((y2 + a2)3/2) ^ i P = Q2a = momento dipolar eléctrico Ex = 67886.35^ i N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA q3 Se rtienen tres cargas de igual magnitud q que forman un Ejemplo.2.5 1 = r2 = r3 = r triángulo de lado f2L. Si q1 es positiva y esta en Cosf =equilátero L/r el rpunto = L / (0,0), (Cosf)q2 es positiva y se encuentra en (2L , 0) m r3 y qr3=esL negativa / (3/2) y esta en (L , L3) m. Encuentre a) La magnitud la dirección del campo eléctrico en el centro E3 r = 2 Ly/ 3 del triángulo. Eb) cm Cual es la 2 Si q = 2mC y L = 50 E 1 magnitud y la dirección del campo eléctrico en el centro del triángulo. r2 r1 q1 + f Luis Felipe Millán B. f 2L U. AUTONOMA DE COLOMBIA + q2 r1 = r2 = r3 = r Cosf = L / r r = L / (Cosf) r = L / (3/2) r = 2 L / 3 E2 - q3 Y E3 E2y E1y f E1 f X E1x E2x i =0 Sx = (E1x - E2x)^ q1 + Luis Felipe Millán B. Sy = (E1y + E2x +E3) ^ j U. AUTONOMA DE COLOMBIA + q2 - q3 Y r = 2L / 3 l = ArTan (SEy / SEx) = Artan (SEy / ) = p / 2 E3 E2 E2y E1y a E1 a E1x E2x S Ex = K (q1 /r2 Cosa - q2 /r2 Cosa)^ i =0 2) (1/2 2 Sena 2)^ 2)^ 2+^ SEy = (S 3/4)(Kq/L Eyy = K (q/r + =q/+1) r2^ Sena j = 5(3/2)(Kq/L +^ j (3/2)Kq/L j1/2 1.08*10 j q/r N/C j q1 + + q2 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA X Se tienen dos cargas positivas de 4*10-9 C y 1*10-9 C, Ejemplo.2.6 separadas una distancia r de 1 m. ¿En que punto diferente 2 E1 del infinito a lo largo de la Erecta queq1 une el+ Si > q2 sus centros + r 1 r es la magnitud y lar2 direcciónq2 campo neto es cero? ¿Cual q1 del campo? r r1 r2 2 2)2r1210.67 21r 1 = r q r q r q 1 r q 2 q 1 / 1 1 = r = 1 / r E r = r = (q 1 r 1 1 1 q r = q 1 = 2 1 + = + E 2 2 = q r + 2 0.33 2 q / 2 r (r r 1 / 1 1 q q r ) 2 m = ) m i N/C q 1 / r = q 2 / (r r 1 2 ^ E1 = 81.0 i N/C Kq1 / r1 = Kq2 / rE 222 = -81.00 ^ Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se tiene una carga positiva de 1*10-9 C y otra negativa de Ejemplo.2.7 –9*10-9 C separadas una distancia de 1 m. ¿En que punto E2 que rune a Elo1 largo de la recta susr2 centros diferente del 1 r + Si q 1 < q2 infinito el campo neto es cero? ¿Cual es la magnitud y laq2 q1 dirección del campo? r2 r1 r 2/1rr1+ 2r+ 2r= 2r)0.5 2)2 m r 2 = 1 r = 1.5 m r 1 = q r q Kq r q 1 1 r q q / / q 1 1 r r 1 / 1 1 = (q = = r 1 1 = q q q 2 q 2 q Kq 2 2 / 1 2 q / (r = / 2 (r r 1 r + r 1 / ) 2 1 + q r q 2 1 1 ^ E1 = -36. i N/C i N/C E1 = E2 E2 = 36 ^ 1 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se coloca dentro de un campo eléctrico E una esfera de Ejemplo.2.8 carga q y masa m, suspendida de una cuerda de longitud l y masa despreciable, cuando esta en equilibrio forma un ángulo q con la vertical. a) ¿Cual es la carga de la partícula? ¿Cual es la tensión en la cuerda? b) Si la masa de la esfera es de 1gr, el ángulo es 30° con la vertical cuando esta en equilibrio y el campo es: j )*104 N/C i +20 ^ E = (-10^ Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Y E = -Ex^ j i + Ey ^ F T Fy Ty l q l q Fx Tx m,q m,q Luis Felipe Millán B. W U. AUTONOMA DE COLOMBIA X Fx = (T Senq - Fx)^ i = (T Senq - Ex q)^ i =0 1) T Senq = Ex q Fy = (T Cosq + Fy - W ) ^ j = (T Cosq + Ey q - W) ^ j=0 2) T Cosq = W - Ey q q = mgDividimos Tanq / mg (E Wy Tanq 1Tanq en 2=–+ EqEyyTanq x(E q)qTanq y= Tanq Tanq 26.26 = E+=x+E qE nC xE /x qx(W = ) 26.26*10 - Ey q) -9 C T = Ex q / Senq = 5.252 N Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La Miguel Faraday, en campo 1840 esintrodujo proporcional el usoade la las densidad líneas de 2.9intensidad Líneas de del campo eléctrico las campo, líneas,creía estoque es, el eran campo reales es yproporcional las dotó dealpropiedades numero de líneas elásticas, que casi pasansea pueden través de“sentir” un árealas normal líneas, a lajalando dirección las del cargas campo para N =que E se A junten o empujándolas para que se Las líneas de cuando campo desde también proporcionan aparten. Aun el punto de vista información moderno las sobre delson campo. Lasayudan líneas de están líneas ladeintensidad campo no reales, a campo visualizar el mas juntas el campo es intenso y mas separadas campo que sidonde es real. donde es débil. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2) 4) 3) La La Propiedades numero intensidad dirección 5) Lasdelíneas del líneas del de las campo campo deque líneas campo en se esdel originan un proporcional nunca punto campose osiempre eselectrostático terminan cruzan. laadirección la parten densidad en una )El Las líneas campo electroestático de de cargas líneas de lacampo, tangente adecir, la línea de campo. delíneas las carga positivas es proporcional yes terminan aalla ennumero carga. las cargas N negativas. Q por unidad de área. N = E A Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Las líneas Líneas de campo de campo son radiales de una carga salen de positiva. la carga en todas direcciones. + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA LasLíneas líneas de de campo campo de llegan una acarga la carga negativa. de todas direcciones. - Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA campo enuniforme unas placas planasdentro y paralelas SeLíneas puedede considerar el campo de las placas, ya que la líneas de campo son paralelas. + + + + + + + + + + + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA E+ Las campo salen de la carga positiva hacia la El líneas campode eléctrico es tangente a la línea de campo. E negativa o hacia el infinito E+ Luis Felipe Millán B. - U. AUTONOMA DE COLOMBIA Líneas de campo de dos cargas positiva + Luis Felipe Millán B. + U. AUTONOMA DE COLOMBIA Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2.10 decon partículas cargadas en uniguales campo Entre dosMovimiento placas planas y paralelas con cargas y Se lanza un electrón una velocidad inicial en la eléctrico uniforme dirección de signos opuestos del eje equidistante existe un campo de las eléctrico placas. E uniforme ¿En que punto de las dirigido verticalmente placas sale el hacia electrón? abajo, separadas una distancia y y de longitud x. ++++++++++ y VO - - - - - - - - - x Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Como F = m a. y F = E q a = E (q / m) El movimiento enx el X es uniforme, = veje ot t = x / vo ya que no hay componente horizontal del campo. La que distancia que Para este tiempo la distancia vertical recorre el 2 2 y(t)y(t) oy ½(Eq/m)(x/v t uniforme + ½(E-)(-q)/m o) t recorre electrón a=lov=largo del eje X. electrón,elcon movimiento acelerado. La posición delrelectrón = x^ i +al ysalir ^j de las placas La velocidad y =+{(E-)(q-)/m}t (Eqal/m) salir t de las placas es vy = vertical voy j de lasvoplacas La Lavelocidad velocidaddel horizontal salir = vX v electrón = vox^iesal+ constante vy ^ La dirección al salir F = Artan (vy de / vxlas ) placas Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Entre dos2.9 placas planascon y paralelas con cargas iguales y de Ejemplo Se lanza un electrón una velocidad inicial a una opuestos distancia L la dedirección 6 un cm campo de las se encuentra unade 6 m/s en signos v 0 = 6*10 existe delplacas eléctrico eje equidistante E uniforme pantalla s hacia 1600 de las N/C placas. dirigido ¿En que verticalmente punto de la pantalla abajo, incideseparadas unaelectrón? el distancia de 2 cm y de longitud de 4 cm. ++++++++++ S y vO - - - - - - - - - x Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA L Para El tiempo Laeste posición tiempo para del laladistancia electrón distanciahorizontal alvertical salir deque las recorrida recorre placas es: el -9 s electrón, movimiento acelerado. x = vo tcon t = x / vo uniforme = 8 ns = 8*10 y(t) = ½(Eq/m)(x/vo )2 = 0.90 cm ++++++++++ y r = (4^ i + 0.9^ j ) cm - - - - - - - - - x Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La La velocidad velocidad del vertical electrón al salir al salir salir delalas de placas las placas placas es es: LaEl velocidad La electrón dirección horizontal pega al en es de pantalla constante las S 6 m/s vy = (EqFh/m) t = 2.25*10 ^ Li + * tan (vF y^ vx2.7 ) =6 cm 24.23° v== (5Artan 2.25 j/= )*10 m/s h voy ++++++++++ y F vox S L - - - - - - - - - x Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA L Entre De la dos placa placas negativa planas parte y paralelas del reposo conuncargas electrón iguales (me =y Ejemplo.2.10 -31 Kg., -19 C)una de signos 9.1*10 opuestos q = –1.6*10 separadas y simultáneamente distancia X de 4decm la 4 N/C -27 existe positiva placa un campo sale eléctrico del reposoEununiforme protón (mde p =4*10 1.67*10 -19 eje dirigido Kg.; q =a lo +1.6*10 largo del C). X. ¿cuál es la velocidad de cada partícula cuando se cruzan?. ¿En donde se cruzan? + + + - - + X Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA - 2px)t 2m xtp == X{(2X ½(Eq =X½(Eq = /p½Eq /Eq)(m m X p /pm = )t(1/ pp;m ++ xppxe+/½(Eq e=(m 1/½(Eq /pm +ee/)t m m e2e/e)} m )t2e1/2 )t2 xp = X me / (me + mp ) = 2.178*10-3 cm xe = X mp / (me + mp ) = 3.9978 cm X = 0.002178 cm + 3.9978 cm = 4 cm + + + - - + X Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA - -9 s t = {(2X El / Eq)(m tiempo p mcuando p / (mp + semcruzan e )}1/2 =es 3.37*10 : vfp = vop + (Eqp/mp) * t = 12921.74 m/s^ i vfe = voe + (Eqe/me) * t = -23.71*106 m/s^ i + + + - - + X Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA - Normalmente Podemos Cualquier masa seleccionar resulta lacontinua podemos sencillo un elemento hallar un como suficientemente volumen la suma (V) de 2.11 Distribución derepresentar masa Densidad volumétrica de masa (r) pequeño un suficientemente numero deinfinito volumen grande de (dV) masas que contenga que quecontenga se pueden muchos unconsiderar elementos elemento infinitamente masa (dm). de puntuales de masa individuales M =pequeño mi. Por o de moléculas ejemplo, empleamos M =Sielmi.elemento laSidensidad la masa masase distribuye continua (dm) de masa se en para distribuye describir(V) en un se estado eldefine: volumen de lar materia (M) el volumen = M(dV) /V que en realidad lasedensidad componededemasa un rgran numero rde= uniformemente, se define: dm/dV moléculas discretas. r r= =dm M//dV V Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Si la masa (M) se distribuye Densidad superficial de masa suniformemente en toda el área (A) se define la densidad superficial de masa: s = M / A. b Luis Felipe Millán B. s=M/A a U. AUTONOMA DE COLOMBIA Este elemento infinitesimal de área (dA) tiene un elemento infinitesimal de masa (dm); la distribución superficial de masa se define: s = dm/dA = dm/(b da) s = dm/dA= dm/(b da) b da Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Si la masa (M) se distribuye en masa una longitud (L) de Densidad lineal de l manera uniforme se define la densidad lineal de masa: l = M/L l=M/L M L Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA La distribución lineal de masa se define como la relación de un elemento infinitesimal de masa (dm) en un elemento infinitesimal de longitud (dl) \ l = dm/dl l = dm/dl dm dl Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Por analogíaDistribución cualquier lineal la podemos de carga representar 2.12 Distribución continuacarga de carga como la suma de un numero infinito de cargas infinitesimales que se pueden considerar puntuales Q = qi ++++ +++++ ++++++ L l=Q/L Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA dQ dl l = dQ / dl Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Distribución superficial de carga +++++++++++ +++++++++++ +++++++++++ +++++++++++ b + + +s+=+Q+ /+A+ + + + +++++++++++ +++++++++++ Luis Felipe Millán B. a U. AUTONOMA DE COLOMBIA s = dQ /dA = dQ / (b*da) b Luis Felipe Millán B. ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ da U. AUTONOMA DE COLOMBIA Densidad volumétrica de carga (r) r r= =dQ Q // dV V Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una Este SeSumando Seescoge colección elemento deseaarbitrariamente encontrar todas de dq forma las produce contribuciones el campo regular un elemento eléctrico o irregular de los infinitesimal en elementos de unpartículas puntode puntuales carga producido (dq)cargadas que por infinitesimales campo esta una representa a dE distribución unaadistancia una deuna distancia campo distribución continua r deldE r. punto de donde carga. continua se va a evaluar el campo de carga Q = qeléctrico. i. Q =dqqi Q = qi El campo eléctrico dE producido por un dq es: E == (K (Kdq dq/ /r2r)2^ )r^ dE r r dE Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Dividimos Se desea2.11 encontrar el Campo hilo enlaeléctrico pequeños intensidad elementos del campo eléctrico a lo Ejemplo debido a unainfinitesimales hilo cargado Y largo dq delcada eje de uno unde hilo longitud (delgado dl (dx), aislante) y escogemos a una distancia (d) de uno de arbitrariamente sus extremos y con un elemento una densidad lineal de carga uniforme l. d + + + + + + + + + + + +++++++++ L Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA X Este elemento infinitesimal tiene carga dq, longitud dl, se Y encuentra a una distancia r del punto donde se va a encontrar el campo y genera un campo eléctrico dE. dEx = K l dx / x2 r Este es el campo eléctrico dE producido por un elemento dE = K dqsumamos / r2; dq = l dl los = ldE. dx dq,x ahora, todos r 22 ++ dl Luis Felipe Millán B. r=x EZ = 0 ; EY = 0 dq U. AUTONOMA DE COLOMBIA dEx X Y Ex = K l dx / r2 x varia entre d y d + l / (d (l + d)) EEx x ==KK lQ (1/(d l) – (1/d) + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + d L Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ex X Y Ejemplo 2.12 Campo sobredel la campo mediatriz debido a Determinar cual es eléctrico la intensidad eléctrico + unaunbarra sobre+ la mediatriz de hilo cargada delgado, aislante con una densidad lineal de carga uniformemente distribuida. + Z + + Se desea encontrar el campo eléctrico a una + distancia x sobre la mediatriz de la barra + + X + + + + + + + + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Y Y dq dy + Estos elementos infinitesimales, simétricos tienen longitud dy, carga dq, están a una distancia r del punto donde ser va a evaluar el campo eléctrico y EY = 0generan ; EZ = un 0 campo eléctrico dE. q X q dE ^ dEx = dE Cosq i dEy dEx + Z Luis Felipe Millán B. Z U. AUTONOMA DE COLOMBIA Y dEx = (K dq / r2) Cosq dq = l dl = l dy r = (x2+y2)1/2 ; Cosq = x / r dEx = K (l dy) x / (x2+y2)3/2 + r q dEx X Este es el E campo eléctrico x = (K l / x) producido Cosq dq por un dq, Sea qy =varia x Tanq entre dy p/2= xy (Secq) -p/2 2 dq, reemplazamos, resolvemos, sumamos la contribución de todos los dE y obtenemos:. Z Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA + + + + + + + + + + + + + + + + Luis Felipe Millán B. Ex = l / (2p e x) Ex U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejemplo deradio un anillo carga Se desea2.13 encontrar es la intensidad delde campo SeCampo tienecual uneléctrico anillo de eléctrico en el eje central de un sanillo que tiene una carga Runiforme carga l uniformemente distribuida. R Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Y Y dq + r Sea Se desea un elemento encontrar dq,elque campo se encuentra eléctrico aenuna un distancia punto a una r del puntodistancia donde se xvadel a evaluar eje central el campo del anillo. eléctrico y eléctrico dE. Eque Z = genera 0 ; EYun= campo 0 x X dEx = dE Cosq^ i q q dEy Z Luis+Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Z dEx dE Y + dEx =El(Kcampo dq / r2eléctrico ) Cosq ;dedq l dl = l dq (R es. da) un=elemento r =x (x R2)R½ ;da) Cosq = 2x+/ Rr 2)3/2 dE = 2K+ (l x / (x dl r da Z Luis+Felipe Millán B. q x Ex El campo de2R+la contribución 2) 3/2 2)R 3/2 ExE RQxx/ (x + da x= K = lKeléctrico / 2(x de atodos elementos varialos entre 2p y 0 dq es. 2+ R 3/2 da) (K Exx = K * Ql*Rxx/ /(x(x2+ R2)2)3/2 U. AUTONOMA DE COLOMBIA X Z Tenemos ellacampo eléctrico de un de hilo a una z. Encontrar intensidad del campo eléctrico dedistancia una placa Ejemplo 2.14 Campo eléctrico una placa carga no conductora el eje central en unenpunto la placa uniformemente Ez = l/(2pesobre z). Dividimos la placa hilosz,luego tienesumamos una densidad carga s uniformemente todos superficial los hilos y de encontramos el campo distribuida. eléctrico de la placa. Y y Luis Felipe Millán B. X x U. AUTONOMA DE COLOMBIA Z La tira tiene un área dA, el elemento de carga dq genera un elemento de campo dE, y se encuentra a una distancia r del punto donde se va a encontrar el campo dE eléctrico. dEz a q qq Ey = 0 ; Ex = 0 r dq a a dx Luis Felipe Millán B. Y U. AUTONOMA DE COLOMBIA X Vista en dos dimensiones Z dE dEz q q dEx q q r Ey a =0 ; Ex = 0 Y dx Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA a X La distribución superficial de carga para la placa s=Q/A para un elemento infinitesimal s = dq / dA = dq / (y dx) Este dA tiene un elemento infinitesimal de carga dq, entonces, la densidad s dxlineal = dq /de y =carga l es: l = dq / y dq y Luis Felipe Millán B. l = dq / y U. AUTONOMA DE COLOMBIA Z dEz = dE Cosq ^ k dEz = (sz/(2pe))(dx/(x2+ z2)) Ez dEz = (l /(2pe r)) Cosq l = sdx ; Cosq = z / r r = (x2+z2)1/2 dEz = (sz /(2pe)) (dx/r2) Tenemos el campo eléctrico de una tira, ahora, sumamos la contribución de todos los elementos para encontrar el campo eléctrico X Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA dEz = (sz /(2pe)) (dx / (x2+z2)) Ez = (sz/(2pe)) (dx/(x2+z2)) Ez = (sz/(2pe)) (dx/(x2+z2)) Ez = (sz/(2pe))(1/z Artan(x/z)) Ez = s / (2e) Z Y X Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA El Se Encontrar elemento divide ella2.15 infinitesimal disco intensidad en elementos del decampo áreadedA eléctrico estadisco dA, a una cada sobre distancia uno el eje de Ejemplo Campo eléctrico deárea un cargado central estos dedA un tiene disco aun de delelemento radio centro. R con de carga una densidad dq. uniformemente superficial de carga s uniformemente distribuida. Q a Q R R R da Luis Felipe Millán B. 2p a da 2pa U. AUTONOMA DE COLOMBIA Y a++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ dq Escogemos un elemento de áreaeléctrico dA, de radio a, Se desea encontrar el campo en un que aseuna encuentra a una distancia r deldel punto punto x del eje central disco r distancia donde se va a evaluar el campo eléctrico y que genera un elemento de campo dE. Luis Felipe Millán B. Z Y Ez = 0 ; Ey = 0 x dA = 2pada q dEy X q dE dEx U. AUTONOMA DE COLOMBIA Z dEx = dE Cosq^ i a ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ Luis Felipe Millán B. 2) Cosq 2 2 2 3/2 dEx Kxs2pada / (x Ex ==(Kdq/r Kxs2pada / (x+a+ )a2)3/2 2un Campo elemento, ahora, = (x2sde +a(2pada) ) du = 2 a da dqsea =eléctrico sudA= 2)la 1/2contribución sumamos los 3/2 r = (x2+aEx x de //r utodos = KCosq xsp = du elementos. x=R;x=0 x Ex = (s /(2e))*{- x / (x2+ R2)/2} U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ex Una pequeña Ejemplo 2.16 esfera de masa (m) de 2 gr tiene una carga q de 20*10-9 C y esta sujeto al extremo de un hilo de seda de 10 cm longitud. El otro extremo del hilo esta sujeto a una gran placa conductora vertical que tiene una carga superficial s de 10*10-6 C/m2. Hállese el ángulo que a forma el hilo con la vertical. l T (qE) /W Tana = (sq) F /W a = Artan{(sq) q e(s/2 e(W /) (W /2W e2) e)} = 30° + Fe a s W Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA En Weber, su trabajo Wilhelm Eduard importante (1804-1891), determinó, físico junto alemán con Wilhelm Eduard más Weber especializado la Kohlrausch, en electrodinámica. relación entre las Weber unidades escribiódeen carga 1824 un tratado sobre electrostáticas y electromagnéticas el movimiento ondulatorio (constantejunto de Weber). con su hermano, Esta relación colaboró resultó ser conigual Gauss a la velocidad en el estudio de la luz,del y geomagnetismo, fue utilizada másdurante tarde por eseJames tiempo Clerk conectó Maxwell con para dos laboratorios defender su mediante teoría electromagnética. el telégrafo eléctrico La unidad desarrolló SI del variosmagnético flujo instrumentos se denominó para medir weber. la corriente eléctrica, en especial el electro-dinamómetro para mediciones absolutas. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA campo electrostático debido dea cualquier una distribución El es una propiedad campo 2.13flujo Flujo F eléctrico continua de vectorial, resulta cargaconveniente siempre puede considerar encontrarse el flujo usando de un la ley de vectorial campo Coulomb determinado aunque el calculo como sirequerido fuese unapueda medida ser complicado. del flujo o intensidad de penetración de los vectores de campo a través de una superficie fija imaginaria en el La ley de Gauss es una afirmación general sobre las campo. propiedades de los campos eléctricos y no esta restringida a los Gauss Carl campos expreso electrostáticos el concepto como de líneas la ley de de campo Coulomb. en Cuandocuantitativa forma una distribución e introdujo de una carga cantidad tiene llamada suficiente flujo simetría, para elaborar la leyladeimagen Gauss puede de las proporcionar líneas que “fluyen” un camino a elegante determinarcerrada. el campo electrostático en unos través de para una superficie pocos pasos simples. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA El flujo eléctrico F se representa por medio de líneas de campo eléctrico N que atraviesan algunas superficies (F = N). Cuando la superficie que se esta cruzando encierra una carga neta. el numero de líneas que traspasan la superficie es directamente proporcional a la carga dentro de la superficie F a Q El flujo proporcional al campo F aeléctrico E An =esEndirectamente A = E A Cosq = A E eléctrico y al área normal An de la superficie atravesada por las líneas de un campo eléctrico uniforme.. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Consideremos una región del espacio donde existe un campo eléctrico uniforme E. Colocamos dentro del campo una superficie plana en distintas posiciones para A el flujo eléctrico neto que atraviesa la observar cual es E superficie. q q A F= E An = En A = E A Cosq = A E El flujo eléctrico puede ser positivo, negativo o nulo. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA dAsuperficie regular de área cerrada, divididaE Se tiene una en elementos infinitesimales dA qinmersa dentro de un q uniforme E. Se desea encontrar el flujo campo eléctrico neto que atraviesa la superficie. Área q q Fe SFi = SEn dA = SEn dA= SE dA Cosq El flujo eléctrico Fe que la superficie cerrada A es : Featraviesa = SE dA Fe = E dA Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Considere una superficie irregular de área cerrada, dividida en elementos infinitesimales dA colocada en un campo eléctrico uniforme E. Se desea encontrar el flujo neto que atraviesa la superficie. E A q dA Fe eléctrico SFi = SEFne dA SEn dA= dA Cosq El flujo que=atraviesa la SE superficie cerrada es: Firregular e = SE AdA Fe = E dA Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Supongamos que tenemos una carga cualquier positiva Qsuperficie con sus El flujo eléctrico Fe que atraviesa cerrada de líneas es independiente campo. Cerramos de la superficie la cargaqueenencierra diferentes a la carga. superficies cerradas. + Fe = E dA Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Consideremos Ejemplo 2.17 un cilindro cerradoA hipotético de radio R inmerso en un campo eléctrico uniforme E, siendo el eje del cilindro paralelo al campo. ¿cuál es el valor del en esta superficie cerrada? E E A A F = E An + E An + E A^ F = E A Cos 180° + E A Cos 0° + E A Cos 90° F = -E A + E A + 0 = 0 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una superficie Ejemplo 2.18 cerrada tiene dimensiones a = b = 0.4 m y c = 0.6 m el campo eléctrico por toda la región no es uniforme y esta dado por E = (3 + 2x2)i N/C donde x esta metros. ¿cuál es la carga neta encerrada por la superficie? Y a c a X b Z Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Y Flujo eléctrico que entra F = s E dA = E A Fe = (3.0 + 2.0x2) (ab) Fe = {3.0 + 2.0 (0.4)2} (0.4*0.4) Fe = 0.5312 (N/C)m2 a a X b Z Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Flujo eléctrico que sale F = s E dA = E A Fs = (3.0 + 2.0x2) (ab) Fs = {3.0 + 2.0(0.4 + 0.6)2} (0.4*0.4) Fs = 0.8 (N/C) m2 Y a c a X b Z Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Fn = Fs - Fe = 0.2688 (N/C)m2 Fn = Q / eo Q = eo Fn = 2.38 PC Y a c a X b Z Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una carga2.19 puntualE Q se localiza en el eje de un disco de Ejemplo radio R a una distancia b del plano del disco. Muestre a que si un cuarto del flujo eléctrico (F/4) de la carga pasa por el disco entonces R = 3b.Seleccionamos un elemento a de área dA = 2pada R R dA = 2pada Cos a = b/r r b a Fe = E dA = Q/eo + Luis Felipe Millán B. r = (b2+a2)1/2 U. AUTONOMA DE COLOMBIA Fe = (KQ / r2) (2pa da) ; r = (b2+a2)1/2 Fe = (KQ / (b2+a2)) (2pa da) Cosa; Cosa = b / r = b / (b2+a2)1/2 Fe = (KQ / (b2+a2)) (2pada) (b / (b2+a2)1/2) Fe = (KQp b) (2a da) / (b2+a2)3/2 sea u = a2+b2 du = 2ada = (KQp b) (du/u3/2)) ; a = R y a = 0 Fe = (2KQp b) {1 / b – 1 / (R2+b2)1/2} Como (Fe / 4) = (Q / eo) (1/4) 4Q / eo = (2KQpb)(1 / b – 1 / (R2+b2)1/2) (1 / 4eo) = (2Kp){1- b / (R2+b2)1/2} {1- b / (R2+b2)1/2} = 1/2 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Fe b /(R2+b2)½ = ½ 4b2 = R2+b2 Luis Felipe Millán B. : ; b2 /(R2+b2) = 1/4 R = 3b U. AUTONOMA DE COLOMBIA Descubrió Gauss, CarlelFriederich Friedrich método de(1777-1855), los mínimos cuadrados, matemáticoloalemán que le Johann Karl Gauss conocidocalcular permitió por sus la muy órbita diversas de Ceres; contribuciones formulo métodos al campo de de la física, calculo que sirvieron especialmente a Leverrier por sus y Adams estudiosen del el electromagnetismo. descubrimiento de Neptuno. Junto conTrabajo el físicoenalemán el magnetismo Wilhelm Eduard Weber, terrestre; calculoGauss la ubicación realizó de unalosintensa polos magnéticos investigacióny sobre eluna diseño magnetismo. escala de unidades para medir esta clase de fenómenos y contribuyo al progreso de la los telegrafía Entre sus más importantes trabajos están de la electromagnética. aplicación de las matemáticas al magnetismo y a la electricidad; una unidad de inducción magnética recibe su nombre. También llevó a cabo investigaciones en el campo de la óptica, especialmente en los sistemas de lentes. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Sea Encerramos una carga carga Q que engenera una esfera un campo (superficie eléctrico 2.14 Ley GaussQlapositiva hipotética cerrada) deE.radio r y de elementos infinitesimales dA dA dA + Fe = E dA = E(r) A 2)*(4p Fe =F(1/(4p e= e Eo))(Q dA /=rQ / eo r2) Luis Felipe Millán B. Fe = Q / e o U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ley de Gauss E dA = Q / eo. SeEl selecciona El campo eléctrico elE elemento partícula de puntual área es (dA) producto A =(E) Q de / infinitesimal euna o, es independiente de la paralelo inversamente al campo eléctrico la distancia paraneta, queentonces (r) la magnitud al cuadrado. de superficie queproporcional encierra a laa(E) carga el flujo este sea constante parte superficie. depende únicamente deesa la (1 carga neta E /sobre r2 E = / 4pde eola) encerrada. (Q / r2) El área (A) de una esfera es directamente proporcional a su radio r al cuadrado. A r2 A = 4p r22 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA ley de de Gauss Ejemplo 2.20 Campo La eléctrico una es: partícula puntual E dA = Q / eo El campo eléctrico E esta dirigido en todas direcciones, encerramos la carga (Q) en una superficie hipotética cerrada de tal manera que el +campo eléctrico sea el mismo en cualquier punto de la superficie. 2^ E eldA = E E Cosq A = QQ/ euoobjeto DondeE es campo debido a la puntual (r) = KQ /dA rcarga r= E(r) cargado, dA es un Eelemento la /superficie hipotética y (r) (4p r2)de =Q eo Q es la carga neta encerrada en la superficie. 2 E(r) = Q / (4p r eo) = KQ / r2 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Si colocamos una carga de prueba q positiva dentro del campo generado por la carga Q a una distancia r. + + E(r) = (KQ / r2)^ r E(r) q = (KQ q / r2)^ r =F Encontramos la ley de Coulomb a partir de la ley de Gauss Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejemplo 2.21 Campo eléctrico debido a una hilo cargado dA Envolvemos el hilo en una superficie (gaussiana Sea un que tiene densidad Queremos En las hilo tapasencontrar transversales elluna campo el flujo eléctrico eslineal cero, dede puesto uncarga hilo E = / (2p e o r) hipotética) + + + + + +cilíndrica + + + + + +de + +radio + + + +r,+ longitud + + + + +L,+ +de+ +tal l,que, quetiene un campo eléctrico que Eproduce ^ una A, únicamente densidad lineal hay flujo de+perpendicular carga eléctrico l por a una elal manera que eje dellateral. hilo. distancia área r. el área transversal sea perpendicular a las líneas de campo. E dA = Q / eo E A = Q/eo E(2p r L) = l L / Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA eo Ejemplo 2.22superficies Campo eléctrico una placaa lado cargada Construimos (cilindrosde hipotéticos) y uniformemente lado de la placa, de tal manera que el área transversal sea paralelo a las líneas de campo. Se desea encontrar campo eléctrico producido por una Consideremos una elplaca plana con una distribución placa planadenocarga conductora que tieneununa densidad superficial uniforme s que engendra campo eléctrico Ey de carga s. 2 perpendiculares unas líneas de campo a la superficie. S. hipotética 1 S.uniforme Gaussiana E dA = Q / eo. = E 2 A = s A / s E = s / 2eo Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA eo Prueba experimental de la ley de Gauss Supongamos que tenemos un balón de cobre eléctricamente neutro con un orificio en la parte superior y aislado + + de + tierra. Colocamos cerca de la superficie del balón dos esferas conductoras descargadas e introducimos una tercera esfera conductora cargada positivamente. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA A medida que la esfera cargada se introduce en el balón. las esferas conductoras y el balón permanecen eléctricamente neutros. +++ Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Cuando la esfera cargada hace contacto con el balón, se transfieren electrones del balón hacia la esfera quedando este con defecto de electrones y la esfera eléctricamente neutra, en tanto que, en las esferas conductoras se produce una inducción de carga. + + + + + -- + + + + + + + Esto muestra que cualquier carga transferida a un conductor reside en + + su superficie en equilibrio electroestático. + + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA + + + + + + + + + Retiramos la esfera, la carga en el balón se distribuyo inmediatamente en su superficie y las esferas permanecen con + carga inducida. + + -- + + + Luis Felipe Millán B. + + U. AUTONOMA DE COLOMBIA + + + + + + -- + + + + + + + + + + Luis Felipe Millán B. + U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ahora podemos llevar el balón y cada una de las esferas por separado a un electroscopio para constatar efectivamente la presencia de carga eléctrica. + + + + + + + + + + + + + + Luis Felipe Millán B. -- + U. AUTONOMA DE COLOMBIA ++ A hora con el balón cargado y aislado de tierra, vamos a introducir dos pequeñas esferas conductoras descargadas Colocamos las esferas en el interior del balón y luego las retiramos Si llevamos las esferas a un + + electroscopio podemos observar que + + + + + estas permanecen descargadas, es decir, en el interior del balón + + + + conductor no hay carga neta para + inducir carga en las esferas + + conductoras. + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA CONCLUSION Cuando una carga neta se coloca sobre un conductor, esta se distribuye por si sola sobre la superficie de una manera tal, que el campo eléctrico interior es cero, entonces dentro de un conductor en equilibrio electrostático la ley de Gauss indica que no puede haber carga neta dentro del conductor. Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejemplo 2.23 Se tienen dos laminas conductoras con densidad - de diferente signo. superficial s de cargas iguales pero + Calcule el campo eléctrico a) a la derecha de las placas b) + en el centro de las placas c) a la izquierda de las placas. - E=0 + + E = s /eo E=0 + b) c) a) E =EEs==/ss(2//e(2 (2 o)e e+oo))s-–/ss(2// (2 e(2oe) oo=)) =s= /0eo Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2.15 Auto-evaluación Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Dibuje la2.1suma vectorial de la intensidad del campo Ejercicio eléctrico en el punto + - + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Dos cargas Ejercicio 2.2 positivas de igual magnitud están en los puntos (-a,0) y (a,0). Encuentre la magnitud y la dirección del campo en el punto (0,a ). Si las cargas son de +5 mC, y a es 50 cm. Cual es la magnitud y la dirección del campo R) 63639.6 N/C y 90° Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se tienen 2.3 tres cargas de igual magnitud Q que forman un Ejercicio triángulo equilátero de lado L. Si Q1 es negativa y esta en el punto (0,0), Q2 es positiva y se encuentra en (L,0) m y Q3 es negativa y esta en (L/2,L3/2) m. Encuentre a) La magnitud y la dirección del campo eléctrico en el centro del triángulo. b) Si Q = 2 mC y L = 50 cm Cual es la magnitud y la dirección del campo eléctrico en el centro del triángulo. R) 4.32*105 N/C y – 30° Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se tienen 2.4 tres cargas Q1 es positiva y esta en el origen, Q2 Ejercicio es negativa y esta en el punto (0,a). Q3 es negativa y esta en el punto (a,0) a) ¿cuál es la magnitud y la dirección del campo en el punto (a,a)? b) Si Q1 es +1 nC, Q2 es -2 nC y Q3 es -3 nC si a es 2 cm. ¿cuál es la magnitud y la dirección del campo eléctrico en el punto (2,2) m? R) 70128.02 N/C y a = 58.11° Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una carga2.5 Q1 negativa esta en el punto (-a,0) mientras Q2 Ejercicio es positiva y esta en el punto (a,0). Encuentre a) La intensidad del campo eléctrico la dirección en el punto (2a,a) y b) Si a es 10 cm, Q1 es 20 nC, Q2 es 10 nC ¿cuál es la magnitud y la dirección del campo eléctrico en el punto (20,10) cm. R) 3000.05 N/C y a = 60.56° Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Se tienen2.6 dos cargas puntuales negativas separadas una Ejercicio distancia r. ¿En que punto diferente del infinito a lo largo de la recta que une las cargas el campo neto es cero. Si q1 = -1 nC, q2 = -16 nC y la separación de las cargas es un metro. ¿En que punto diferente del infinito a lo largo de la recta que une las cargas el campo neto es cero?¿cuál es la magnitud y la dirección del campo eléctrico? E1 =(Kq1/r12)^ i = 225^ i N/C ; E2 = (Kq2/r22)^ i = -225^ i N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una esfera2.7 conductora de masa m, carga +Q, se suspende Ejercicio de una cuerda de masa despreciable y longitud l. Se coloca dentro de un campo eléctrico uniforme dirigido en la dirección –i y forma un ángulo q con la vertical cuando esta en equilibrio. ¿Cual es la carga de la partícula? ¿Cual es la tensión en la cuerda?. Si la masa es de 10 gramos, el campo eléctrico es de 2000 N/C y el ángulo cuando esta en equilibrio es de 37° ¿Cual es la carga de la partícula? ¿Cual es la tensión en la cuerda?. R) Q = 3.69*10-6 C y T = 0.123 N Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Entre dos2.8 placas planas y paralelas con cargas iguales y Ejercicio de signo opuesto existe un campo eléctrico uniforme de 2000 N/C dirigido verticalmente hacia abajo, separadas una distancia y de 2 cm y de longitud x de 3 cm. Se lanza un protón en un punto equidistante entre las placas con una velocidad inicial de 6*104 m/s. ¿Sale de las placas, en que posición y con que velocidad o pega en la placa, en que posición y con que velocidad? Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una hilo 2.9 aislante cargado uniformemente, de longitud l Ejercicio de 50 cm se dobla en forma de semicírculo, si el hilo tiene la mitad de carga positiva de +50 nC y la mitad de carga negativa de –50 nC, encuentre la magnitud del campo en el centro del semicírculo. R) E = 11309.7 N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Una barra2.10 aislante como la figura tiene una longitud de Ejercicio 70 cm de largo, una carga negativa de –50 nC distribuida uniformemente a lo largo de su longitud. a)¿cuál es la densidad lineal de carga? b) ¿calcule el campo eléctrico en un punto a una distancia de 5 cm del extremo de la barra? - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - d L R) Ex = –12000 N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA En la figura, Ejercicio 2.11la barra aislante tiene una longitud de 70 cm de longitud, a una distancia de 20 cm del eje que pasa por el centro de la barra se genera un campo eléctrico de 12000 N/C. a) ¿cuál es la densidad superficial de carga? + b) ¿cuál es la carga? + + + + + + + + + + + Luis Felipe Millán B. + R) Q = 93.33 nC U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejercicio Un anillo2.12 tiene una densidad lineal de carga l de –25 nC/m y un radio R de 10 cm. ¿Encuentre el valor del campo a una distancia R de 10 cm del eje que pasa por el centro del anillo?. R) Ex = -4998.89 N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Un pedazo de 10 gr de estireno tiene una carga neta q de Ejercicio 2.13 –0.700 mC y flota sobre el centro de una lamina horizontal de caucho que tiene una densidad de carga uniforme en su superficie. ¿cuál es la carga en la unidad de área de la lamina de caucho?. Si la carga Q de la lamina es de 5 mC ¿cuál es el área de la lamina? R) s = -2.48 mC/m2 y A = = 2.2 m2 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Un disco2.14 cargado uniformemente tiene una densidad Ejercicio superficial de carga s de 10*10-9 C/m2 y un radio R. ¿calcule el campo eléctrico a una distancia R sobre el eje central del disco?. R) Ex = 165.63 N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejercicio 2.15 a h E q H x Considérese una caja triangular cerrada que descansa dentro de un campo eléctrico horizontal con una magnitud de 2000N/C como en la figura si h = a =10 cm, q = 60. Calcule el flujo eléctrico a través a) del cuadrado ( superficie vertical) b) la superficie inclinada c) toda la caja. R) a) Fe = -20 Nm2/C b) Fs = 20 Nm2/C c) F = = 0 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejercicio 2.16 h R Un cono de radio R = .10 cm y altura h = 50 cm, esta en un campo eléctrico uniforme E de 2000 N/C horizontal penetra el cono como en la figura. Determine el flujo eléctrico que penetra el cono. R) F = - 100 Nm2/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA Ejercicio 2.17 4Q -3Q 2Q Cuatro superficies cerradas una roja, una verde, una amarilla y una azul, como aparece en la figura si Q es 2 nC. Encuentre el flujo neto. Fv = 0 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2.16 Solucionario Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.1 + - + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.2 S Ey = 2(KQ/r2) Sena r = (a2+a2)1/2 = a2 Sena = a/r = a / (21/2 a) = 2/2 Ey SEy = 2 (KQ / 2a2) (2/2) SEy = 2 KQ / (2a2) Sey = 63639.6 N/C f = Artan (0/63939.6) = 90° Ey y a E a SEx = 0 r r a + Luis Felipe Millán B. a U. AUTONOMA DE COLOMBIA a + - Q3 S 2.3 r1 = r2 = r3 = r Cosf = (L/2) / r r = L / (2 Cosf) r = L / 3 f r3 E2 E2y E1x E2x r1 Q1 - ff E1 E3 f f SEx = – E1x – E2x Ex = –2(KQ /r2) Cos 30 Ex = –2(3KQ / L2) (3 / 2) Ex = –(33 KQ) / L2 Ex = –3.7412*105 N/C SEy = – E1y + E2y + E3 SEy = E3 = KQ/r2 SEy = 3 KQ/ L2 SEy = 2.16*105 N/C r2 E1y f L/2 L 5 N/C : a = -30° Luis Felipe Millán B. E = 4.32*10 U. AUTONOMA DE COLOMBIA + Q2 S 2.4 Cosq = 2 /2 Senq = 2 /2 E1 E1y q E2y a - E2 a + q a Luis Felipe Millán B. E3 SEx = E1x – E2 SEx = (KQ1 / r12) Cosq – KQ2 / r22 SEx = (KQ1 / 2a2)(2 /2) – KQ2 /a2 SEx = – 37045 N/C SEy = E1y – E3 SEy = KQ1 / r12 Senq – KQ3 / r22 SEy = (KQ1 / 2a2)(2 /2) – KQ3 /a2 SEy = – 59545 N/C La magnitud y la dirección del campo eléctrico son; E = 70128.02 N/C y a = 58.11° U. AUTONOMA DE COLOMBIA 2 21/2Cosa 2) Senq SE x r= –2 –= E1x =y =(KQ 22/ +a ––=(KQ 11 //cm rrcm 11^2) Cosq S 2.5 r2y ((2a-a) = a10 a2 La la(KQ dirección del campo eléctrico es; SE y1magnitud =E =2x E((2a-(-a))^2+a E 1y 2r/22^2) r)2)1/2 ) Sena = (KQ =0.14 0.32 2) (1/10) SE x Cosq (1/2) 1q (3/10) Cosa =KQ a/(a 2) ;––Sena =(10a^2) a/(a2) = 1/2) SE y== KQ E =2=/23a/(a10) 3000.05 /(2a^2) (2 a=2)1/2 (1/2) N/C = )3/10); yKQ KQf 1 //= =(10a 60.56° 18.43° SE 1474.35 = 45° N/C Senq = a/(aSE 10) yx = = 2612.77 =a1/10); N/C q =18.43° E2y E1x Luis Felipe Millán B. a q + E1y U. AUTONOMA DE COLOMBIA E2x S 2.6 q2 r2 Si rq1 r E2 < q2 r2 r1 r1 2r1= 2q ^ ^12i1)N/Cm q rqrrKq 1q q 1q rq/i2/11N/C r1=11r//21= rEr(q 12= r–= = 2q q 1r2E +=1+Kq q/21q =2= r(r 0.80 /+1/2r(r 11rr)/1q 2= rm 21r2 )20.20 Er11 ==225 ;1rq -225 Luis Felipe Millán B. E1 U. AUTONOMA DE COLOMBIA q1 S 2.7 T Senq – EQ = 0 \ T Senq = EQ T Cosq – W = 0 \ T Cosq = mg Tanq = EQ / mg, entonces, Ty Q = mg Tanq / E = 3.69 mC T = EQ / Senq = 0.123 N -E ^ i F = EQ q l T l q m,Q Tx m,Q W Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.8 ++++++++++ y vo - - - - - - - - - - (y/2) x = v= o t, ½(Eq entonces, p/mp) t2, t = x /entonces vo = 500 ns y(500ns) = ½(Eq p) pt)2 t = (2(y/2) mpp/m / Eq = 323.1 nsen; y(500ns) -2.4 cm pega ten la=placa ^i ns) pega en la placa =ya ocm t r =x(323.1 (1.94 - 1^ j )vque; x(323.1 2.4 cmns>)1.0 = 1.94 cm cm x Vamos Como a velocidad encontrar en la placa, el vamos tiempo que elelvelocidad tiempo protón que en Comopega la inicial en y (vaoy )encontrar esemplea cero la emplea el recorrer losprotón 3La vertical cm horizontalmente, en alrecorrer incidir en 1 cm la verticalmente, para es: este cony <ese 1 velocidad al pegar ensiplaca la placa estiempo 4^ tiempo cm vy(323.2 salehallamos dens) las=placas vlo oy (Eq/m avanza =horizontalmente. –(Eq/m t = – 61911.4 m/s =–que (6*10 ip)–t6.19 104 ^ j p))m/s Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.9 ++ + + + dq+ ^ 2) da ^ ^ 2 E y = -(2Kl /r) Cosa E y = ( 2K(lrda)/r Cosa j j dE dEyy= (-2(Kdq/r dE Cosa) Cosa - dE Cosa)j^ j a varia 02 ^ dqentre = l dlp/2 = ly(rda) ^ j j EdE y= y= -(2KQ/(pr -2 dE Cosa )) ^ Ey = -2K (Q/l)/r) Sena j l = p r;a varia entre N/C p/2 y 0 E = 11309.7 dEx r + + dEx + - a a - ^ dEx = (dEx - dEx) i = 0 r - -- dEy dEy - Luis Felipe Millán B. dq- U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.10 a) La densidad lineal de carga es; l = Q / L = -71.43*10-9 C/m. b) El campo eléctrico es; Ex = – K Q / (d (L+d ))^ i = –12000 N/C^ i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E d L Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.11 El campo eléctrico es; Ex = l / (2pe x)^ i + Por tanto; l = E (2pe0 x) = 133.33*10-9 C/m + + l = Q / L, entonces, Q = l L = 93.33 nC + + E + + + + + + + Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA + S 2.12 Como la densidad lineal de carga l = Q / L, r entonces, Q = l L = l (2pR) = -15.71 nC Ex La magnitud del campo a una distancia x es; :Ex = KQx / (x2 + R2)3/2, para x = R: Ex = KQR / (R2+ R2)3/2 = KQR / (2R2)3/2, Ex = KQ / (23/2)* R2) = -4998.89 N/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.13 FE = Eq El pedazo de estireno flota cuando: Fg = FE, entonces, mg = Eq mg = (s/2eo)q s = 2eo mg / q = -2.48 mC/m2 Fg = mg La densidad superficial de área es: s = Q /A, entonces, A = Q / s = 2.2 m2 +s Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.14 El campo eléctrico a una distancia x es; Ex = (s /(2e)) * {1 - x/(x2+R2)1/2} Cuando x = R , tenemos; Ex = (s /(2e))*{1 - R/(2R2)1/2} Ex = (s /(2e))*{1 - R/((2^½)(R2)1/2)} Ex = (s /(2e))*{1 - (1/2)1/2} = 165.63 N/C s R Luis Felipe Millán B. E U. AUTONOMA DE COLOMBIA A2 S 2.15 a A1 h q E q H x El flujo viene dado por; F = E A = E A Cosq x = h*tan q = 0.1732 m ; H = (x2+ h2) = 0.20 m a) El flujo que entra es; Fe = E (a*h)1 *Cos180°= -20 Nm2/C b) El flujo que sale es; Fs = E (a * H)2 *Cos60° = 20 Nm2/C c) F = Fe = Fs = 0 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.16 h R F = E An = E A= E A Cosq F = E A cos q = E (2(½ Rh)) cos 180° = - 100 Nm2/C Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA S 2.17 4Q -3Q 2Q FR = SQ/e = (4Q–3Q+2Q) / e = 3Q / e = 678.58 Nm2/C FAm = SQ/e = (–3Q+2Q) / e = –Q / e = –226.19 Nm22/C FAz = SQ/e = (–3Q+2Q) / e = –Q / e = –226.19 Nm2/C Fv = SQ/e = 0 / e = 0 Luis Felipe Millán B. U. AUTONOMA DE COLOMBIA