fisica 2 campos-electricidad

ElectricidadIntroducción

COLEGIO LA GIROUETTECOLEGIO LA GIROUETTE

Rafael Cautivo Sánchez

¿Qué es la electricidad?

● Fenómeno de la Naturaleza.● Conocido desde la antigüedad (Griegos: el

elektron)

● La materia, bajo ciertas condiciones, adquiere propiedades especiales: Atracciones y Repulsiones.

● Estudio Científico (B. Franklin)❉ Propiedad general de la materia.❉ Necesidad de una Teoría (Modelo)

El Ελεκτρον (Elektron)● Piedra color ámbar que, al frotarla con seda o lana, adquiere una

propiedad nueva: la de atraer hilachas, pelusas y cuerpecitos pequeños.

ElektronSeda

Atracción de pequeños cuerpos

Después de ser frotado

Modelo eléctrico de la materia.

● La materia estaría constituida por dos tipos de partículas, que denominaremos Cargas. (P)

● Cuando estas partículas se encuentran en igual cantidad, el cuerpo esta Neutro. (D)

● Si ellas se encuentran en distinta cantidad, el cuerpo esta electrizado. (D)

● Las cargas del mismo tipo se repelen entre si y las de distinto tipo se atraen. (L)

● Al frotar dos cuerpos neutros, pero de distinto material, pasa un tipo de carga de uno al otro, quedando ambos electrizados con diferente tipo de carga. (P)

● Al frotar VIDRIO con SEDA, el vidrio adquiere electricidad POSITIVA y la SEDA, electricidad NEGATIVA. (D)

● Las fuerzas eléctricas (de atracción o repulsión dependen de la distancia entre las cargas. A mayor distancia menor fuerza. (L)

Cualitativo

¿Qué significan la (P), la (D) y la (L)

El Modelo Atómico● Se trata de un Modelo para la materia que da cuenta de

muchas de sus propiedades, incluida las eléctricas; pero es más reciente, más compleja y, la idea es, en lo posible llegar a entender, por lo menos, sus orígenes.

Nube de electrones (-)

Núcleo (+)

...De momento podemos olvidarlo.

Modelo en imágenes.

Cuerpo neutro

Cuerpo positivo

Cuerpo negativo

Cargas Representación

Cuerpo NEUTRO y Cuerpo ELECTRIZADO

Benjamín Franklin

Para rayos

Repulsiones y atracciones

Electrización por frotación

Cuerpos Neutros

Frotación

Cuerpos Electrizados

Electrización por frotación

Frotación con los dedos

Experimento con teflón

Cargas Positivas y Negativas

Cuerpos Neutros

Frotación

Cuerpos Electrizados

VIDRIO SEDA

Definición

VIDRIO SEDA

Fuerza eléctrica y la distancia.

r

F F

F

r

Conductores y Aisladores

Cuerpo al cual se le colocan cargas en la zona que se indica

+ + + + +

Posibles comporta-miento + + + + + +

+ + +

+ +

Las cargas permanecen en el lugar en que se las coloco

Las cargas se distribuyen en la periferia de todo el cuerpo.

Nombre: AISLADORAISLADOR CONDUCTORCONDUCTOR

Conductor electrizado

● Note que en los conductores, el exceso de carga eléctrica se distribuye en los límites del cuerpo.

+++++++

+ + + + + +

+ + + + + ++ + + +

+ + +

++

++ + + +

+

● En general, podemos decir que, bajo determinadas condiciones, todos los materiales son, en alguna medida, CONDUCTORES.

● Cuando veamos esto desde el punto de vista cuantitativo, podremos asignarle a cada material un número que exprese su capacidad de conducción.

● De momento digamos que los materiales, desde este punto de vista, se distribuyen del modo siguiente:

Conductores y Aisladores(Conceptos Relativos)

Aisladores o malos conductores

ConductoresSemi conductores

Gomas Al, Cu, AuCerámica, H2OSilicio, Selenio, Germanio

● Ciertos objetos que comúnmente consideramos aisladores, en ciertas condiciones son conductores.



+

H2O


+

H2O

NaCl

Electrización por contacto.

Cuerpos Conductores:

A, electrizado y B Neutro.

+ + + + + + + + + + + + A B

Contacto y separación

+ + + + + + + + + + + +

A B

Parte de las cargas que posee inicialmente A, pasan al cuerpo B durante el contacto.

● ¿Qué ocurre si el cuerpo B es más grande que A?



+ + + + + + + + + + + +

A

B

● ¿Qué ocurre si el cuerpo B es más grande que A?

● ¿Qué ocurrirá si B es infinitamente grande en relación a A?



+ + + + + + + + + + + +

A

B

+ + + A

B

+ + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + +

Conexión a Tierra

Sea un cuerpo A electrizado y B neutro e infinitamente grande en relación al primero. Ambos conductores.

Antes del contacto

Después del contacto

+ + + + + +

A

A

B

B

Conexión a Tierra (Importancia)

Enchufe domiciliario La “Dirección General de Servicios Eléctricos” fiscaliza la conexión a Tierra. (Es una Ley)

Seguridad para las personas

Rojo (Fase)

Verde

Blanco o negro

Conexión a Tierra (Propósito)

En los artefactos con caja metálica, la conexión a tierra debe estar conectada a la caja.

● Necesidad en computadores e impresoras


Inducción y Polarización

1º Escena: Un cuerpo conductor Neutro

2º Escena: Se aproxima un cuerpo electrizado:

+ + +

(Inductor) (Inducido)

(Acción a distancia) (Separación de las cargas)

Sin llegar a tocarlo.

Atracción entre un cuerpo electrizado y uno neutro.

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - -+ + + + + +

Cuerpo electrizado (Inductor)

Cuerpo Neutro (polarizado)

A

Fuerza que A aplica sobre las cargas negativas.

Fuerza que A aplica sobre las cargan positivas,

Fuerza total sobre el cuerpo neutro

Electrifican por Inducción.

1º Escena. Hay un cuerpo conductor neutro.

2º Escena. Se aproxima por la izquierda un cuerpo electrizado (inductor).El cuerpo se polariza

3º Escena. Se conecta y desconecta a Tierra el cuerpo (por la derecha)

4º Escena. Se retira el cuerpo inductor. El cuerpo inicial queda electrizado.

Algunos Experimentos● Balanza de torsión

Vidrio, plástico PVC, aluminio, etc

Hilo de seda

Al acercar un objeto electrizado se produce una notoria torsión en la varilla que cuelga.

++++

+ +

++

++ +

+

El Electroscopio(En estado neutro)

Eje de Giro

Soporte

(metal)

AislanteTambor (metal)

El Electroscopio(En estado electrizado)

Soporte

Aislante

El Electroscopio(Inducción)

El Electroscopio(Contacto)

Estudio cuantitativo de la Electricidad

● Esto implica:» Definir carga eléctrica.» Determinar los factores de los cuales

depende la fuerza eléctrica.

● Lo que, a su vez, significa:» Algunas abstracciones matemáticas.» Algunas observaciones experimentales.

1 Carga eléctrica (q, Q)● Carga eléctrica puntual:

» es un cuerpo electrizado cuyas dimensiones resultan insignificantes en relación as la situación en que es considerado (es un concepto equivalente al de partícula)

» Las designaremos con las letras “q” o “Q”» Pueden ser positivas o negativas.

2 Igualdad de carga eléctrica

● Diremos que dos cargas qA y qB son iguales; es decir:

q

q

qA

qB

FA

FB

Si FA = FB, entonces qA = qB. En general, Si FA = n FB,

entonces, qA = n qB.

qA = qB

Si ambas producen, en igualdad de condiciones, los mismos efectos sobre una tercera carga q.

2 ¿De qué factores depende la fuerza entre dos cuerpos electrizados?

● De la cantidad de carga “q”● De la distancia “r” entre ellas● Del medio en que se encuentran

inmersas.● Fue el Físico Charles Agustín Coulomb,

basado en los trabajos de Newton, quien aclarara los puntos anteriores.

a) ¿Cómo depende de la cantidad de carga?

qA qB

2qA

3qA

mqA

qB

2qB

nqB

F

2F

6F

mnF

Es decir, lógicamente se deduce que, las fuerzas eléctricas son directamente proporcionales al producto de las cargas; es decir

Fe = K1qAqB (K1 es una constante de proporcionalidad)

b) ¿Cómo depende de la distancia?

Para responder a esto la lógica no es suficiente: se requiere de un experimento. Coulomb realizó algo como:

Fe

ángulo α

Fg

tg α =Fe

Fg

r

Como podemos conocer

Fg = mg y medir α ,

conocemos Fe

α

El Experimento de Coulomb

Al medir La fuerza eléctrica (Fe) entre las cargas cuando se encuentran a distintas distancias (r), encontramos que ella es inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia; es decir:

Fe = K2 r2

1

K2 es una constante de proporcionalidad.

Nótese que, si la distancia entre dos cargas aumenta al doble o al triple, entonces la fuerza eléctrica entre ellas se reduce a la cuarta y a la novena parte respectivamente.

La Ley de Coulomb● Considerando lo que tenemos:

Fe = K1 qAqB Fe = K2 r2

1

Se puede resumir en una sola expresión:

Fe = Ke

qAqB

r2

La cual es conocida como ley de Coulomb.

Ke es una constante (constante eléctrica) cuyo valor

depende del medio en que se encuentren las cargas qA y qB

Comparación entre las Fuerzas Eléctricas y Gravitacionales.

● Las dos, junto con las fuerzas nucleares (Fuertes y débiles) son básicas en nuestro universo. Sólo rigen a distinta escala.

● Hay una gran semejanza en la estructura matemática de la Ley de Coulomb y la Ley de Gravitación Universal de Newton.

Fg = GmAmB

r2Fe = Ke

qAqB

r2

● Semejanzas en r2 semejanzas en los productos mAmB y qAqB● Diferencias en las constantes● Diferencias en los signos.

Unidad de carga eléctrica (Cb)● Diremos que una carga eléctrica es de 1

Coulomb (1 Cb), si colocada a 1 metro de otra idéntica, se repele con ella con una fuerza de 9 x109 Newton cuando el medio en que se encuentran es el vacío.

Vacío

1 metro

1 Cb 1 Cb9x109 N 9x109 N

Problema histórico

Valor de la Constante Eléctrica

● Despejando Ke de la Ley de Coulomb:

Ke = Fe r2

qA qB

Reemplazando en ella los datos anteriores (definición de Cb), tenemos que, en el vacío:

Ke = 9x109 Nm2

Cb2

Algunos datos importantes:

● El electrón:» Carga eléctrica e = - 1,6 x10-18 Cb.» Masa de electrón me = 9,1 x 10-31 Kg.

● Ke en distintos medios:

» Vacío Ke = 9x109 Nm2 /Cb2

» Aire Ke = 9x109 Nm2 /Cb2

» Agua Ke = 7,2x1011 Nm2 /Cb2

Algunos problemas:

● El alumno debe se capaz de resolver diferentes problemas en que interactuen hasta cuatro cargas eléctricas puntuales:

» Ejemplo 1. Una carga qA de 2x10-5 Cb mantiene en

equilibrio un pequeño cuerpo de 4x10-12 Kg, aquí en la superficie terrestre y en el aire ¿Qué carga posee este último cuerpo si la distancia entre sus centros es de 10 cm.?

Evidentemente la fuerza gravitacional y la eléctrica que actúan sobre el cuerpo (que designaremos por B), deben ser iguales pero con sentidos opuestos; luego:

A

B

r

mg = Ke

qA qB

r2

● El concepto de Campo es de una gran importancia en

Ciencias y, particularmente en Física.● La idea consiste en atribuirle propiedades al espacio en vez de

considerar a los verdaderos causantes de los fenómenos que ocurren en dicho espacio.

● Para comprender esto veamos un par de ejemplos:

e Un campo de temperaturas (Escalar)e Un campo de velocidades (Vectorial)c Campo gravitacional (Vectorial)

– Homogéneo– No homogéneo

Concepto de Campo Eléctrico

● Campo de Temperaturas (escalar)

Concepto de Campo

Sala de clases

Est

ufa Pue

rta

70º C60º C

50º C40º C

30º C

20º C

Líneas de Campo de temperaturas

Termómetro

P

● La intensidad del Campo de Temperaturas en el punto P corresponde a lo que mide el termómetro que está en él.

● Es una magnitud escalar puesto que no posee dirección asociada .

● La causa verdadera de que la temperatura de las isotermas sea 40º C. se debe a la estufa, la puerta, la temperatura exterior, las dimensiones de la sala, etc.

● Evidentemente no depende del instrumento con que se mide la Intensidad del Campo de Temperaturas; es decir, no depende del Termómetro.

Concepto de Campo

P

40ºC

● Campo de velocidades (vectorial)

Concepto de Campo

Río o corriente de agua

En cada punto el agua se mueve con una velocidad específica (dirección y módulo)

● Campo gravitacional homogéneo (Es, en realidad un campo de aceleraciones gravitacionales)

Concepto de Campo

Todos los puntos de la sala de clases tienen la propiedad de que masas colocadas en ellos experimentan la misma aceleración; es decir:

g = Cont.

Sala de clases

Este Campo gravitacional depende del planeta en que se encuentre la sala de clases.

● Si consideramos el planeta Tierra en su totalidad; entonces el Campo gravitacional presenta otro aspecto.

Concepto de Campo

g =G M

r2

La intensidad de campo; g, depende de M

y r.

Tierra

Concepto de Campo Eléctrico● Sea un punto P del espacio.● Para dicho punto se define la Intensidad del Campo

Eléctrico, que designaremos por E, del modo siguiente.

● Coloquemos en dicho punto una carga de prueba carga de prueba q0+.

● Si Fe es la fuerza eléctrica que actúa sobre ella (Debido a las

otras cargas eléctricas que existen en el espacio y que desconocemos), entonces:

E =Fq0

+

● Como se puede ver, el Campo Eléctrico es un campo vectorial.

● Posee, en cada punto, la dirección y sentido de

F e

● Posee la dirección en que actúa la fuerza eléctrica.

● Su unidad (M.K.S.) es el Newton / Coulomb.● No depende ni del valor de la fuerza que se mida

(F ) ni del valor de la carga de prueba que se use

(q 0+) (Del mismo modo que en el campo de

temperaturas no depende del termómetro).



● Ejemplo: Sea el punto P del espacio. ● ¿Cuál será la intensidad de Campo Eléctrico en dicho punto?

P

Concepto de Campo Eléctrico● Coloquemos en P una carga q0

+ = 0.1 Cb.

● Supongamos que sobre ella actúa una fuerza eléctrica igual a Fe = 120 N. en la dirección...

P

q0+ = 0.1 Cb


● Tenemos que E = 120 N / 0,1 Cb = 1200 N/Cb.● En la misma dirección y sentido de Fe; es decir...

PF e =

120 N

q0+ = 0.1 Cb

E = Fq0

+

Concepto de Campo Eléctrico● Hemos calculado la intensidad de Campo Eléctrico (E); pero ¿qué significa?

P

q0+ = 0.1 Cb

E = 1200 N

/Cb

● Significa que en el espacio existen otras cargas eléctricas que generan un campo Eléctrico en él.

● Puede existir, por ejemplo una carga positiva Q, o bien....


PE =

1200 N/C

b

+Q

● Una carga negativa, o una positiva y una negativa.● muchas cargas que producen el mismo efecto.


PE =

1200 N/C

b

+Q

-Q

● Una carga negativa, o una positiva y una negativa.● muchas cargas que producen el mismo efecto.


PE =

1200 N/C

b

+Q

-Q

+Q

Líneas de Campo Eléctrico

● En un espacio, en que existe un campo eléctrico, tiene sentido imaginar líneas por donde acelerarían cargas eléctricas puntuales q0

+ que fueran colocados en ellos.

● Estas cargas de pruebas son imaginarias, y su valor no interesa.

● Si en cierto experimento fueran reales, al dejarlas libres en un espacio en que existe un Campo Eléctrico, las veríamos acelerar siguiendo trayectorias que nos mostrarían la forma de dicho campo

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q+)

● Se parecen mucho a las líneas del campo gravitacional de un planeta

Q+

q0+

● Se parecen mucho a las líneas del campo gravitacional de un planeta

Q-

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q-)

q0+

● A una Distancia r de una carga eléctrica Q, la intensidad de Campo Eléctrico (E) es, según la Ley de Coulomb:

rQ

q0+

q0

Fe

q0

= Ke

Q

r2

E = Ke

Q

r2

Fe = Ke

Q q0

r2

Campo Eléctrico (para una carga puntual Q)

● Las líneas de campo son, si ambas cargas son de signo contrario:

Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2)

Campo Eléctrico (para un par de carga Q1, Q2)

● Las líneas de campo son, si ambas cargas son del mismo signo:

¿Qué puede decirse de las cargas?

Potencial Eléctrico (V)

● Sea un punto P cualquiera de un espacio en que existe un campo eléctrico

● Sea E la Energía que se requiere para trasladar una carga de prueba (q0) desde un punto definido como de potencial cero hasta el punto P; entonces,

● el potencial de P es: V = E/q0

● Como E se mide en Joules y q en Coulomb, entonces:

● V se mide en ● Joules/Coulomb = J/C = Volts = V

V = 0

P

q0

Potencial Eléctrico (V)● ¿Qué significa...

+

+

12 Volts 220 Volts 1,5 Volts

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