Bolilla 6

Electricidad

Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza  Fuerza gravitacional:Todos los cuerpos son atraídos por una fuerza que es directamente proporcional a sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Débil, un sentido y alcance infinito. g=9.8m/s2 Intensidad relativa = 1.

𝑚𝑀 𝐺𝑀 𝐹𝐺 = 𝐺 2 = 𝑚 2 𝑟 𝑟  Fuerza electromagnética:afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (atracción y repulsión) y su alcance es infinito. Intensidad relativa = 1036.

 Fuerza nuclear fuerte:es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. Intensidad relativa = 1038

 Fuerza nuclear débil. Su alcance es del orden de 0.1% de un protón Intensida relativa = 1025

Fuerzas Eléctricas

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Historia El primero en analizar y estudiar los fenómenos eléctricos fue el filósofo griego Thales de Mileto (639 a 547 a.C.). Descubrió que al frotar una barra de ámbar con un paño o piel, la misma atraía plumas y cabellos.

Ejemplo análogo:

El físico Willian Gilbert (1544−1603) fue el primero en aplicar el término Electricidad del griego "elektron" = ámbar.

Conservación y Tipos de Carga Eléctrica Benjamin Franklin definió arbitrariamente los dos tipos de carga como positivas y negativas según: • Al frotar una regla de plástico con una tela esta queda cargada negativamente. • Al frotar una varilla de vidrio con una tela esta queda cargada positivamente.

Benjamin Franklin 1706-1790

“Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen” Ley de la conservación de carga eléctrica La cantidad neta de carga eléctrica producida en un proceso es cero.

Carga Eléctrica  Toda materia esta compuesta de átomos, los cuales a su vez se componen de electrones, protones y neutrones. Electrón (carga negativa) Protón (carga Positiva) Neutrón (carga Neutra)

Que sucede cuando un átomo pierde uno o más electrones?  La unidad elemental de carga eléctrica (las mas chica posible) es el electrón, es decir, es la menor cantidad de carga eléctrica que puede existir (misma carga que el protón, pero de signo contrario).  Por lo tanto la carga eléctrica está cuantizada: Q = ne (n es un número entero) Carga de un electrón e: 1.6 x 10-19 Coulomb

Preguntas ¿Cuál de las partículas con carga del átomo podrán moverse con mayor facilidad? Los electrones tendrán la posibilidad de moverse fuera del átomo, ya que se encuentran en la periferia y están en movimiento. ¿Por qué si todos los objetos tienen cargas eléctricas no se atraen o se repelen entre si? Los objetos están formados por átomos y los átomos tienen la misma cantidad de protones (cargas +) que de electrones (cargas -), siendo su carga total cero. ¿Por qué algunos objetos neutros pueden ser atraídos por objetos cargados? Se genera en ellos una redistribución de cargas polarizándolos.

_ ___ __ __ _ _

_ _ __ _ __ +_++ + +_ ++_+ __ _+ __ _+ ++ + +

Cargado

Neutro

¿Un objeto polar será atraído por uno cargado? Sí. Por ejemplo una molécula de agua.

Aislantes y Conductores Definimos a los materiales como aislantes o conductores según su capacidad de transmitir carga eléctrica (electrones).

Supongamos que tenemos dos esferas, una cargada y otra neutra.

Aislante Madera Vidrio Cerámica Plásticos Corcho Agua Pura!!!

Conductor Metales: Fe, Al, Cu, etc. Agua Común

Electrostática y Conceptos Básicos  La Electrostática es la parte del electromagnetismo que estudia la interacción entre cargas eléctricas en reposo.  Las cargas eléctricas de la misma naturaleza (mismo signo) se repelen, y las de naturaleza distinta (signo opuesto) se atraen.

 Estas fuerzas de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas son iguales y contrarias de acuerdo al principio de acción y reacción.

Ley de Coulomb “La fuerza eléctrica entre dos cargas en reposo es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”

K

1 4 0

Charles Coulomb (1736-1806)

Ley de Coulomb (Forma Vectorial) Vectorialmente:

Módulo:

Dirección: la recta que une a las cargas. Sentido: Lo da el signo de las cargas.

Principio de Superposición “Dado un sistema de cargas puntuales, la fuerza eléctrica sobre cada una de ellas es la suma vectorial de las fuerzas debidas a cada una de las demás cargas, como si el resto de las cargas no estuvieran presentes.” +

+

+

+

Campo Vectorial • Cuando se trabaja con fuerzas que actúan a distancia, es útil aplicar el concepto de campo.

• El campo eléctrico corresponde a la región del espacio en la que interactúa la fuerza eléctrica. • Toda carga eléctrica genera un campo eléctrico a su alrededor.

Campo Eléctrico • Supongamos que tenemos una carga positiva Q y a una distancia r se ubica una segunda carga q (también positiva). De acuerdo con la 𝑄𝑞 Ley de Coulomb: 𝐹𝑞 = 𝐾 2 𝑟 𝑟 Entonces, para distintas cargas q :

Q Q Q

r

q1

F1

𝑄𝑞1 𝐹1 = 𝐾 2 𝑟 𝑟

𝐹1 𝑄 =𝐾 2𝑟 𝑞1 𝑟

r

q2

F2

𝑄𝑞2 𝐹2 = 𝐾 2 𝑟 𝑟

𝐹2 𝑄 = 𝐾 2𝑟 𝑞2 𝑟

r

q3 F 3

𝑄𝑞3 𝐹3 = 𝐾 2 𝑟 𝑟

𝐹3 𝑄 = 𝐾 2𝑟 𝑞3 𝑟

Podemos observar que la relación

𝐹𝑛 𝑞𝑛

es constante e igual 𝐾

A esta cantidad la llamaremos Campo Eléctrico.

𝑄 𝑟. 2 𝑟

Campo Eléctrico, 𝑬 El Campo Eléctrico en cualquier punto del espacio, es la fuerza ejercida sobre una pequeña carga de prueba positiva localizada en ese punto, dividida por la magnitud de dicha carga. 𝐹1 𝑄 q1 F 𝑄𝑞 1 Q 1 r 𝐸= =𝐾 2𝑟 𝐹1 = 𝐾 2 𝑟 𝑞1 𝑟 𝑟 E Q

r

Q

r

q

2

F2

q3 F 3

𝑄 𝐹 𝐸 = = 𝐾 𝑟2 𝑟 𝑞

𝑄𝑞2 𝐹2 = 𝐾 2 𝑟 𝑟 E 𝑄𝑞3 𝐹3 = 𝐾 2 𝑟 𝑟 E unidades: E =

𝐹2 𝑄 𝐸= = 𝐾 2𝑟 𝑞2 𝑟 𝐹3 𝑄 𝐸= = 𝐾 2𝑟 𝑞3 𝑟

𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏

=

𝑁 𝐶

El campo eléctrico (𝐸) queda determinado por la carga que lo genera (Q) y la distancia desde la cual se lo mide (𝑟), e independiente a la carga que lo siente.

Campo Eléctrico de una Carga Puntual Por definición se asume con respecto a una carga de prueba positiva, es decir: Carga Carga Negativa Positiva

Campo Saliente

Campo Entrante

Líneas de Campo • La dirección de las líneas indican la dirección del campo. • La densidad de las líneas indican cualitativamente la intensidad o magnitud del campo.

Principio de Superposición “Dado un sistema de cargas puntuales, el campo eléctrico en cualquier punto del espacion es la suma vectorial de los campos debidos a cada una de las cargas.”

𝐸 -

-

𝐸1

𝐸3

𝐸2

+

𝐸 = 𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + ⋯

Problemas Guía 7