ELECTROSTATICA Y ELECTRODINAMICA

SAN JOSESanto Patrono de los Ingenieros

ORACIN DEL INGENIEROGracias Seor por permitirme ser un Ingeniero, me siento orgulloso de serlo, pero no me vanaglorio de ello; a mi profesin le debo responsabilidades y obligaciones que estoy ansioso de cumplir.Te ofrezco Seor participar solamente en organizaciones honestas, ser leal con quien contrate mis servicios, poniendo a su disposicin mis conocimientos y capacidad profesional.Permteme Seor que la preparacin especial que poseo la sepa emplear con entusiasmo, serenidad, dedicacin y generosidad; con integridad, sinceridad y honestidad en servicio de mi comunidad, de mi pas y de la humanidad entera.Por Cristo Nuestro Seor, Amn

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

DANIEL VILLEGAS CASTAEDA

CORREO ELECTRONICOdvillegas@uag.mxvillegas@ceti.mx

CRITERIOS DE EVALUACION70 % EXAMENES PARCIALES30 % TAREASLAS TAREAS DE INVESTIGACION SE ENTREGARAN EN UN CD POR SALON QUE CONTEGA TODOS LOS TRABAJOS UN DIA ANTES DEL EXAMEN PARCIALEN CASO DE QUE LA TAREA SEAN PROBLEMAS, ESTOS DEBERAN ESTAR EN SU CUADERNO Y SE REVISARAN EL DIA DEL EXAMEN PARCIALOBJETIVO DEL CURSOEl alumno analizar los conceptos, principios y leyes que rigen los fenmenos electromagnticos, con el fin de resolver problemas aplicados a la ingeniera.

TEMASCARGA ELECTRICA Y LEY DE COULOMBCAMPO ELECTRICOLEY DE GAUSSPOTENCIAL ELECTRICOCAPACITANCIA Y DIELECTRICOSCORRIENTE Y RESISTENCIA ELECTRICACIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTAEL CAMPO MAGNETICOFUENTES DEL CAMPO MAGNETICO INDUCCION ELECTROMAGNETICA

BIBLIOGRAFIAFsica Universitaria volumen II, Sears ZemanskyElectricidad y Magnetismo, Raymond Serway Fsica General volumen II, GiancoliFsica volumen 2, ResnickFsica parte II, Raymod Serway

RAMAS DEL ELECTROMAGNETISMORamaCondicinCantidades de CampoELECTROSTATICACargas estacionarias (q/t = O)Intensidad de campo elctrico EDensidad de flujo elctrico DMAGNETOSTATICACorrientes constantes(I/t = O)Intensidad de campo magntico HDensidad de flujo magntico BELECTRODINAMICACorrientes variables(I/t O)

E,D,H y B(E,D) acoplados a (H,B)ECUACIONES DE MAXWELL Eds = (1/0 ) dV

Ley de Gauss para la electrosttica B ds = OLey de Gauss para el magnetismo B dl = 0 ( i + 0 (dE /dt))

Ley de Amper-Maxwell Edl = dB /dt

Ley de FaradayDEFINICIONESFISICA: (del latn physica; que significa naturaleza),por lo tanto la fsica es la Ciencia de la Naturaleza.CIENCIA: adquisicin y organizacin de conocimientos con el fin de obtener reglas y leyes universales.NATURALEZA: conjunto y disposiciones de todo lo que compone el Universo.UNIVERSO: todo aquello que existe fsicamente; se incluye toda la materia, energa y la totalidad del espacio y del tiempo.

DEFINICIONESMATERIA: es aquello de lo que estn hechas las cosas que constituyen el mundo fsico (universo).ENERGIA: capacidad de producir trabajo, transformar o poner en movimiento algo.ESPACIO: conjunto de posiciones que pudiera ocupar un cuerpo.TIEMPO: duracin de las cosas sujetas a cambio; es una magnitud fsica que permite ordenar los sucesos en secuencias, estableciendo un presente, un pasado y un futuro.

DEFINICION DE FISICAFISICA.- ciencia que estudia los fenmenos naturales para describir las leyes que los rigen y determinar las propiedades de la materia, energa, espacio, tiempo y sus interacciones (fuerzas).

RAMAS DE LA FISICAFISICA CLASICAMecnicaTermodinmicapticaAcsticaElectricidad y Magnetismo

FISICA MODERNARelatividadGravitacinMecnica CunticaFsica NuclearFsica de PartculasFsica del estado slido

FISICA CONTEMPORANEADinmica no linealNano fsicaFsica mesoscpicaSistemas complejosTermodinmica fuera de equilibrio

CRONOGRAMA HISTORICOELECTROMAGNETISMOERA CLASICAERA MODERNADESCUBIMIENTOS Y FORMULACION DE LEYESAPLICACIONESTELECOMUNICACIONESCOMPUTACION Qu es la Electricidad ?

Qu es la Electricidad ?Luz

Qu es la Electricidad ?

Etimologa de ElectricidadELECTRICIDAD del griego Elektron = mbar

El mbar es una resina vegetal fosilizada

Etimologa de MagnetismoMAGNETISMO del griego

Magnees: piedra procedente de Magnesia ciudad de Tesalia

IMAN del latnmanes: piedra conocida como calamita, llamada vulgarmente en Europa yman o magnateDefinicin de ElectricidadEs una forma de energa que esta presente en casi todas las actividades humanas

Definicin de ElectricidadEs un medio que acta en la materia

Definicin de ElectricidadEs el movimiento o flujo de electrones a travs de un alambre conductor (corriente elctrica)

DEFINICIONESELECTRICIDAD: fenmeno fsico producido por la interaccin de las cargas elctricas en reposo o en movimiento.MAGNETISMO: fenmeno fsico producido por las interaccin de las cargas elctricas en movimiento. Se manifiesta tambin por atracciones y repulsiones de ciertos materiales sobre otros materiales.

DEFINICIONESELECTROMAGNETISMO: es una rama de la fsica que estudia y unifica los fenmenos elctricos y magnticos en una sola teora.

CARGA ELECTRICALa carga elctrica es una propiedad intrnseca de la materia, se manifiesta por atracciones y repulsiones entre ellas, se presenta en dos tipos: cargas positivas y cargas negativas

DEFINICIONESMATERIA es todo aquello que ocupa un volumen y tiene pesoMateria

Elementos

tomos

El tomoLa carga elctrica reside en el tomo

El ncleo contiene los protones con carga positiva y los neutros sin carga o carga neutraEn las rbitas los electrones con carga negativa Todos los tomos son elctricamente neutros, o sea que tienen la misma cantidad de carga positiva que negativa

electrnprotnneutrnEL ELECTRONHEROE Y AMO ABSOLUTO DE LA

ELECTRICIDAD Y EL MAGNETISMO

SUPER ELECTRONElectrizacinCuando a un cuerpo se le dota de propiedades elctricas, es decir, adquiere cargas elctricas, se dice que ha sido electrizado.

Causas de la ElectrizacinAlgunos tomos tienen ms facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es ms positivo en la serie triboelctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es ms negativo en la serie triboelctrica.Efecto TriboelctricoSe denomina triboelectricidad al fenmeno de electrificacin causado por el contacto con otro material (frotamiento).

Efecto TriboelctricoLa secuencia triboelctrica es una lista de materiales dispuestos en un orden determinado.Frotando dos materiales de la secuencia, el que est en la posicin ms alta se cargar positivamente, mientras que el que se site ms abajo se carga negativamente.

Secuencia Triboelctrica

Formas de Cargar un ObjetoPor frotamiento: se transfieren electrones de un objeto a otro por la simple friccin

Formas de Cargar un ObjetoPor contacto: es posible transferir electrones de un objeto cargado a otro por simple contacto

Formas de Cargar un ObjetoPor induccin: podemos cargar un objeto sin tocarlo, tan solo acercndole un objeto cargado

PROPIEDADES DE LA CARGA ELECTRICAPrincipio de ConservacinLa carga elctrica no se crea ni se destruye, sino que en un proceso de electrizacin, la carga se transfiere de un cuerpo a otro o se mueve de lugar en el interior de l.

PROPIEDADES DE LA CARGA ELECTRICAPrincipio de DualidadCargas de igual signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen

PROPIEDADES DE LA CARGA ELECTRICACuantizacin de la cargaLa carga elctrica aparece en la naturaleza de forma discreta, esto es, siempre es mltiplo entero de la carga elemental:q = ne

PROPIEDADES DE LA CARGA ELECTRICAInvariante RelativistaEl valor de la carga elctrica no varia, independientemente de la velocidad con la que se mueva el cuerpo que la posea.

Unidad de Medida La unidad de medida de la carga elctrica en el SI es el Coulomb (C)Un Coulomb se define como la cantidad de carga que se mueve por un alambre conductor por el que circula una corriente elctrica de un Amper en un segundo

Valor de la carga elemental1 Coulomb = 6.24 x 1018 electrones

Tipos de MaterialesLos materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de las cargas elctricas.

Material ConductorMaterial AislanteConductores y AisladoresConductoresLos materiales conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas elctricas, sus tomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad.

AislantesSon materiales que presentan cierta dificultad al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones.

Ley de CoulombLa ley experimental que rige la fuerza elctrica entre cuerpos cargados es la Ley de CoulombFue publicada en el ao de 1785 por Charles Augustin de Coulomb

Balanza de TorsinCoulomb invento la balanza de torsin con la que pudo determinar el valor de la fuerza elctrica entre cuerpos cargados

Balanza de TorsinEl aparato se compone de una base de madera sobre la que se apoya una caja cilndrica de cristal con una cinta graduada a su alrededor Cerrada en su parte superior por una cubierta que est atravesada en su centro por un cilindro hueco de cristal que se prolonga hasta el interior de la caja. Este cilindro se cierra en su extremo superior por el micrmetro

Balanza de TorsinSujeto a este se encuentra un hilo muy fino de plata que pende por el interior de este cilindro hueco y se prolonga hasta el interior de la caja de cristal. En el extremo el hilo se sostiene una varilla horizontal de goma laca.Por un orificio en la cubierta se pude introducir una bolita aislada, que podr ser electrizada convenientemente desde el exterior.

Funcionamiento El experimento consisti en aplicar carga elctrica a las dos esferas q1 y q2 Debido al acercamiento de las dos cargas elctricas se produca una fuerza de atraccin o de repulsin entre ambas cargasGenerando un movimiento de torsin o de giro en la varilla suspendida, desplazndose esta un determinado ngulo respecto a la horizontal

Funcionamiento Coulomb giraba la varilla suspendida el mismo ngulo con el micrmetro que la sostena para compensar el efecto, manteniendo las cargas otra vez a la misma distancia y repeta nuevamente el mismo proceso.Coulomb observ que el ngulo de torsin indicaba una medida relativa de la fuerza elctrica que acta sobre la carga fija q1

FuncionamientoAlgunas de las mediciones de ngulos hechas por Coulomb son las siguientes:Angulo de torsin de la esfera Torsin del micrmetroFuerza elctricaFe Ft 36036181261448.5567575.5Conclusin del ExperimentoEl proceso consista en medir los ngulos de torsin que sufra la varilla mvil unida al hilo como resultado de la fuerza de atraccin o repulsin con la esferita fija previamente electrizada.La fuerza de torsin es proporcional al ngulo de torsin. Fe Ft

Enunciado de la ley de CoulombLa fuerza de atraccin o de repulsin entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas F q1 q2e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

F 1/r2

Ley de CoulombConjuntando ambos resultados:F q1q2/r2Se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relacin anterior en una igualdad:F = k q1q2/r2

Resultados de la Ley de CoulombCoulomb concluye tambin que:1.- La fuerza elctrica esta dirigida siempre a lo largo de la lnea que une las cargas.

Resultados de la Ley de Coulomb 2.- La fuerza es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si las cargas tienen signo contrario

Cargas de igual signo se repelenCargas de signo contrario se atraen

Resultados de la Ley de Coulomb 3.- La magnitud de dicha fuerza es afectada por el medio entre las cargas, por lo que consider una constante K de proporcionalidad

A esta propiedad del medio que rodea a las cargas elctricas le llam Permitividad del medio.

La Permitividad se puede explicar como el grado de facilidad que presenta el medio o espacio en el que se encuentra la carga elctrica, para que se manifieste su interaccin

Constante electrostticaLa constante K de proporcionalidad se le llama constante electrosttica del medio, y su valor fue determinado experimentalmente, se concluye que es inversamente proporcin al producto de permitividad del medio o, y por 4.As el valor se determina mediante la siguiente ecuacin:

Constantes de la Ley de CoulombK = 9 x 109 N m2 / C2

eo= 8.85 x 10-12 C2/N m2Permitividad del vaco (eo), se define de forma:

FORMULA LEY DE COULOMB

LEY DE COULOMB VECTORIALMENTELa Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales

donde u es un vector unitario, siendo su direccin desde la cargas que produce la fuerza hacia la carga que la experimenta

LIMITACIONES DE LA LEY DE COULOMB1.- La expresin matemtica solo es aplicable a cargas puntuales ( se entiende por cargas puntales aquellas cuyas dimensiones son pequeas comparada con la distancia que las separa)2.- Es vlida slo en condiciones estacionarias3.- No est definida para r=04.- Para distancias pequeas (del orden del tamao de los tomos), la fuerza electrosttica se ve superada por otras, como la nuclear fuerte, o la nuclear dbil

Principio de Superposicin y la Ley de CoulombLa fuerza total ejercida sobre una carga elctrica q por un conjunto de cargas q1, q2, q3,,qN ser igual a la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada carga sobre la carga q

DISTRIBUCION DE CARGA CONTINUALa carga elctrica no siempre se presenta en forma puntualEn la mayora de las ocasiones se presenta distribuida en un volumen, en una superficie o en una lneaEstas distribuciones se pueden considerar como un conjunto de cargas puntuales

DENSIDAD DE CARGA VOLUMETRICASuponemos que tenemos una cierta distribucin de carga sobre un volumen V, definimos la densidad volumtrica de carga como:

= dq/dV (C/m3)

q= dV

DENSIDAD DE CARGA SUPERFICIALSuponemos que tenemos una cierta distribucin de carga sobre una superficie S, definimos la densidad superficial de carga como:

= dq/dS (C/m2)

q= dS

DENSIDAD DE CARGA LINEALSuponemos que tenemos una cierta distribucin de carga sobre una lnea L, definimos la densidad lineal de carga como:

= dq/dl (C/m)

q= dl