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FUERZAS ENTRE CARGAS EN
REPOSO:
COULOMB V/S
NEWTON
•
CAMPO
ELÉCTRICO.
El campo eléctrico es un
aspecto peculiar de la materia,
transmite la acción de cuerpos
electrizados a otros.
•
Se pueden considerar un
conjunto de cargas como una
carga puntual.
•
Según lo descubierto por
Coulomb, la interacción
eléctrica, se presenta con un
carácter de atracción cuando
las cargas son de distinto signo
y repulsión cuando las cargas
poseen igual signo.
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) :
fue un ingeniero militar francés que trabajó
para Napoleón y realizó importantes
contribuciones en el campo de la
elasticidad y la resistencia de materiales.
•
MODELO MATEMÁTICO DE
En realidad
Coulomb
LA
LEY
DE
COULOMB
realizo todos sus
ensayos en el aire. Pero
siendo más rigurosos la
ley de Coulomb que
nosotros estudiamos se
refiere al vacío.
•
La ley de Coulomb
contiene al mismo tiempo
la definición magnitud de
carga.
•
F: intensidad de la fuerza de
interacción eléctrica.
•
Q: cargas de los cuerpos.
•
d: distancia entre las cargas.
•
K: constante eléctrica.
Semejanzas y diferencias entre ley de
Coulomb y ley de Gravitación universal.
Descripción
Expresa la fuerza
Ley de
que una carga
Coulomb.
ejerce sobre otra.
Ley de
Expresa la fuerza
gravitació
que una masa
n
ejerce sobre otra.
universal.
Semejanzas
Diferencias
1. La F. Eléctrica
es repulsiva o
1. Actúan a
atractiva.
distancia.
2. La F.
2. Ambas son
Gravitatoria es
inverso al
sólo atractiva.
cuadrado de la
3. La carga
distancia.
eléctrica puede
3. Ambas son
ser positiva o
proporcionales a
negativa.
una cualidad del
4. La masa es una
cuerpo.
cantidad
positiva.
Ejercicios
•
¿Cuanto vale la fuerza que se ejerce
•
entre dos Carga ____ c y otra de ____ c,
•
que se encuentran separadas ____ cm?
Taller número 1.
Resolver en sus cuadernos el ejercicio
presente en la página 138. Libro de
-19
física.
Campo Físico
En una región del espacio existe un campo
físico si, por algún medio, se detecta en esa
región una fuerza física. El nombre del campo
está determinado por la naturaleza de la fuerza
detectada.
Concepto de campo eléctrico y campo gravitatorio.
Un cuerpo cargado se rodea, de una porción de
espacio donde se manifiestan las fuerzas
eléctricas sobre otros cuerpos
La presencia de un cuerpo cargado altera
el espacio que le rodea, produciendo una
fuerza eléctrica sobre otra cercana.
La presencia de la masa de un cuerpo
altera el espacio que le rodea de manera
tal que produce una fuerza gravitatoria
sobre otra masa cercana.
Así podemos concluir
que:
•
Existe un campo eléctrico en una región del
espacio si una carga eléctrica colocada en
un punto de esa región experimenta una
fuerza eléctrica.
A
Q: carga que
produce el campo.
Q
q+
+
F
Q
q+
-
A
F
q: carga de
prueba.
F: fuerza eléctrica.
•
Existe un campo gravitatorio en una región
del espacio si una masa colocada en un
punto experimenta una fuerza gravitatoria.
A
m
M
F
M: masa que produce el campo
gravitatorio.
m: masa afectada por el campo
gravitatorio.
F: fuerza gravitatoria.
Analogía entre el campo eléctrico y
el campo gravitatorio
•
Ambos campos son centrales
puesto que están dirigidos hacia
un punto donde se encuentra la
masa o la carga que los crea.
•
Ambos son conservativos, porque la fuerza
central solamente depende de la distancia.
•
La fuerza central que define ambos campos es
inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia:
K1:
K1
F =
R
r
2
es la constante de
proporcionalidad
que
depende de la naturaleza del
campo.
Campo eléctrico :
K1= KQq : es el campo eléctrico.
Conociendo la expresión de la ley de Coulomb
se puede obtener la energía potencial mutua(U)
de las cargas.
U=KQq
R
Entonces
la
energía
De
interacción
eléctrica
es
inversamente
proporcional a la
distancia.
La ley de Coulomb tiene escasas aplicaciones, puesto que
únicamente es válida para objetos cargados sin dimensiones,
cargas puntuales y cuerpos finitos de forma esférica que estén
alejados, es decir, cuando el radio de la esfera es despreciable
frente a la distancia de las cargas.
Campo gravitatorio:
K1= -G M m: es el campo gravitatorio.
La fuerza gravitatoria siempre es de carácter
atractiva. Ejemplo de esto es la atracción que
realiza la tierra sobre los cuerpos que se
encuentran en su superficie o cercanías, es
decir, dentro de la atmósfera terrestre.
Diferencias entre el campo eléctrico y el campo
gravitacional
•
Dado que el campo gravitatorio depende de la masa del
cuerpo, existe de modo universal, mientras que el campo
eléctrico sólo existe cuando los cuerpos están cargados.
•
El campo gravitatorio es siempre de atracción, mientras
que el campo eléctrico puede ser de atracción (cargas de
diferente signo) o de repulsión (cargas de igual signo).
•
Si comparamos la constante G con la constante K,
2
podemos decir que la constante
k es 10 veces mayor
0
que la constante G, indicio de que el campo gravitatorio
es muy débil comparado con el campo eléctrico. Como
consecuencia de esto, en los fenómenos eléctricos los
efectos gravitatorios son despreciables.
•
La masa de un cuerpo en reposo o en movimiento
siempre crea un campo gravitatorio. En cambio, una
carga eléctrica en movimiento, además del campo
eléctrico, genera un campo magnético.
Ejercicio:
Dos partículas alfa están separadas una
distancia
de 10
m. Calcular la fuerza
-13
electrostática con que se repelen y la fuerza
gravitatoria con que se atraen. Compara
ambas fuerzas entre sí.
-27
Datos: masa de la -19
partícula alfa m= 6,68 10
kg; carga q = +2 e. = 2 * 1,6 10 c.
Ejercicio:
Dos electrones están separadas una distancia de
1m. Compara las fuerzas eléctrica y
gravitacional.
-31
Datos: masa del electrón
m= 9,1 10 kg;
-19
carga q = e. = 1,6 10 c.
Resumen:
Las fuerzas o interacciones eléctricas se relacionan con una
cualidad de las partículas denominada carga eléctrica. Los
cuerpos que no la tienen o no la llevan no interactúan
eléctricamente.
El campo eléctrico es un aspecto peculiar de la materia que
transmite la acción de unos cuerpos electrizados sobre otros
cuerpos cargados.
Existe un campo eléctrico en una región del espacio si una carga
eléctrica colocada en un punto de esa región experimenta una
fuerza eléctrica.
Existe un campo gravitatorio en una región del espacio si una
masa colocada en un punto experimenta una fuerza gravitatoria.
La ley de Coulomb tiene un parecido a la ley de gravitación
universal de Newton, pero puede ser positiva o negativa .
Cargas eléctricas.
Un cuerpo cargado genera a su alrededor un
campo eléctrico.
Se dice que un cuerpo está electrizado sí uno o
varios sus átomos se han ionizado (pérdida o
ganancia de electrones).
De este modo un cuerpo está cargado
positivamente cuando el ha perdido electrones.
Conocido también como catión.
Otro cuerpo estará cargado negativamente cuando
el ha ganado electrones. Conocido como anión.
El cuerpo neutro tiene equilibrio de cargas
positivas y negativas.
Los experimentos realizados a principios del
siglo XVIII, demostraron que la electricidad
puede ser de dos tipos y solamente de dos
clases:
La que por sus cualidades coincide con la del
vidrio al frotarlo con la piel ( de carácter
positivo).
La que coincide con la de piel frotada por el
vidrio ( de carácter negativo).
Un protón tiene la misma cantidad de electricidad
que un electrón, pero tienen distinta clase
El protón es positivo y el electrón negativo.
Los cuerpos igualmente electrizados se repelen y
los electrizados de distinta clase se atraen. Al
ponerse en contacto los cuerpos, la electricidad
pasa de unos a otros.
Cambio
deelectrizado,
la electrización
de un cuerpo
Si un
cuerpo
positivamente,
se le
empieza a electrizar negativamente, su
estado de electrización disminuirá al
principio, luego desaparecerá por completo y
recién después de pasado todo esto el
cuerpo
empezara
a
electrizarse
negativamente.
De esta experiencia se concluye que las
cargas de diferente signo se compensan
mutuamente, hecho que sugirió la hipótesis
de que en los cuerpos no cargados siempre
existen cargas, pero solamente del signo
contrario y en una cantidad tal que sus
acciones se compensan completamente.
Al electrizar los cuerpos por frotamiento, se
electrizan los dos: uno positivo y uno negativo.
De esto, se llega a la conclusión de que las
cargas no se crean ni desaparecen sino que
solamente se pueden trasladar de un cuerpo a
otro o de un lugar a otro, en el interior del
cuerpo dado.
Esta deducción es conocida como:
Ley de conservación de la carga eléctrica.
Carga elemental
La carga eléctrica es una propiedad inseparable de
algunas partículas elementales.
La carga de todas las partículas elementales (si no
es nula) es igual en magnitud absoluta y puede
denominarse carga elemental.
La carga elemental positiva la designamos por
medio de la letra e.
El electrón posee carga igual a -e. El protón carga
igual a e y el neutrón carga nula.
Si por un procedimiento cualquiera se crea un
exceso de partículas de un signo, el cuerpo
resultará cargado.
También se puede, lograr un proceso de
redistribución de cargas en un cuerpo, es decir,
que en un sector existan sólo cargas de un signo y
en otro sector cargas del signo contrario. Esto
puede lograrse aproximando un objeto metálico no
cargado a otro cargado.
Como toda la carga está formada por un conjunto
de cargas elementales esta será entera y múltiplo
de e.
q = + N * e Donde N es un número entero.
El valor de la carga elemental e es de:
-19
1,6 * 10 C.
Si una magnitud física puede tomar
solamente valores discretos, se dice que esta
magnitud está cuantizada.
La magnitud de la carga es invariante relativista,
es decir, no depende de los estados de
movimiento o reposo de un cuerpo.
Resumen:
Un cuerpo que tiene cantidades distintas de
electrones y de protones se carga eléctricamente.
Si tiene más electrones que protones, tiene carga
negativa. Si tiene menos electrones que
protones, tiene carga positiva.
Cuando un cuerpo material se carga, no se crean
ni destruyen electrones, sino que se mueven de
un material a otro. Por lo tanto la carga eléctrica
se conserva.
La ley de conservación de la carga, siempre se
ha comprobado, ya sea a gran escala o a nivel
atómico y nuclear. De este modo se convierte en
uno de los pilares fundamentales de la física.
Principios de electrostática
De atracción y repulsión: cargas de igual signo se
repelen y cargas de signos opuestos se atraen.
De cargas eléctricas: si un sistema está aislado
eléctricamente, la suma algebraica de cargas positivas
y negativas es constante. Eléctricamente aislado
significa que no hay intercambio de cargas con el
exterior.
Flujo de electrones: los electrones se desplazan y se
mueven donde hay déficit de ellos, ya que todo cuerpo
tiene un equilibrio eléctrico.
Conexión a tierra
Conectar un cuerpo a tierra significa que este
puede recibir del cuerpo cargado, electrones o
enviar electrones al cuerpo donde hay déficit de
ellos. En ambos casos el cuerpo conectado a tierra
se descarga.
Relación entre Coulomb y carga elemental
S.I. Coulomb (C)
Electrón (e).
-19 C
1e = 1,6 * 10.
18
1C = 6,25 * 10.
e
Interacciones entre cargas
+
+
-
-
+
-
Tipos de materiales: conductores, dieléctricos y semicondu
La experiencia demuestra que
cuerpos se dividen en dos clases:
todos
•
Conductores: cuerpos que conducen la
electricidad.
•
No conductores: cuerpos que no conducen
electricidad; también llamados aislantes o
dieléctricos.
los
Los conductores
se dividen en:
Conductores
Conductores
electrónicos.
de
primera
clase
o
conductores
El transporte de cargas eléctricas en los conductores
de primera clase no acarrea ninguna variación en su
naturaleza química, ni es sensible en la traslación de
las sustancias.
A este grupo pertenecen todos los metales y las sales
fundidas .
En los metales, parte de los electrones se desplazan
libremente por y entre los átomos. La electrización del
conductor se reduce a la variación del número de
electrones.
Conductores de segunda clase o electrolíticos.
El transporte de las cargas eléctricas en los
conductores de segunda clase sí acarrea cambios
químicos, los cuales llevan a un desprendimiento de
las sustancias componentes en los lugares de
contacto con otros conductores.
A este grupo pertenecen soluciones salinas, ácidas y
alcalinas.
En estos no hay electrones libres, pero hay átomos o
moléculas cargados denominados iones. El
desplazamiento de las cargas en estos conductores
de debe al traslado de iones.
Semiconductores
Estos son dispositivos compuestos de un material no
sólo con propiedades aislantes y de conductor, sino
también con resistencia que cambia repentinamente
cuando cambien otras condiciones, como la
temperatura, el voltaje y los campos eléctricos y
magnéticos.
Materiales como el silicio y el germanio son ejemplos
de semiconductores.
No conductores
Los aislantes pueden ser los cristales de las sales,
los aceites, el aire, el vidrio, la porcelana, la ebonita,
el caucho, el ámbar y otras sustancias.
Los dieléctricos, están presentes en las moléculas
con igualdad cargas o de iones que no pueden
desplazarse libremente por el dieléctrico.
El dieléctrico bajo la acción de fuerzas eléctricas las
cargas del dieléctrico se desplazan un poco o varían
su orientación.
A este fenómeno se le llama polarización dieléctrica.
El dieléctrico sigue polarizado al dividirlo.
Si la fuerzas eléctricas son demasiado grandes,
las moléculas del dieléctrico pueden destruirse y
este se hace conductor. A este fenómeno se
denomina perforación del dieléctrico.
Este fenómeno también puede ocurrir en
condiciones especiales, como altas temperaturas.
En general los dieléctricos son medios materiales
en los cuales las cargas no tienen facilidad de
movimiento.
Métodos de electrización
Electrización por frotación: al frotar dos cuerpos,
inicialmente neutros, ocurre entre ellos un
intercambio de electrones y en consecuencia, ambos
terminan al final del proceso cargados.
Ejemplo de este proceso es la interacción eléctrica
producida entre el vidrio y la lana.
Trabajo de investigación
Integrantes: 4 a 5 estudiantes.
Formato del informe:
Portada.
Introducción.
Desarrollo.
Conclusión.
Evaluación: coeficiente 1.
Fecha de entrega:
Definir en forma breve los métodos de electrización
de materiales.
Electrización por efecto termoiónico.
Electrización por efecto fotoeléctrico.
Electrización por piezoeléctrico.
Electrización por contacto.
Electrización por influencia o inducción
eléctrica.
Definir y resumir en forma breve el funcionamiento
de los siguientes artefactos.
Péndulo eléctrico.
Electroscopio.
Electrómetro.