FISICA IIELECTRICIDAD Y

MAGNETISMO

Unidad 1CARGA, FUERZA Y ENERGIA ELÉCTRICAS

Ing. María Elena Fiol

Un poco de historia…Los antiguos griegos descubrieron cerca del año 600 a.c. que al frotar ámbar con un trozo de lana, el ámbar podía atraer otros objetos.

Ahora sabemos que el ámbar había adquirido una “carga eléctrica”

La palabra “eléctrica” viene delgriego elektron (ἤλεκτρον) que significa ámbar.

Un poco de historia…Existen dos tipos de carga eléctrica:

Positiva y Negativa

La idea de nombrarlas así se debe a Benjamín Franklin (1706-1790) Las cargas de distinto signo se atraen y las del mismo signo se repelen.

Carga Eléctrica y Estructura de la Materia

Electrones.

Neutrones.

Núcleo.

Protones.

++-

-

-

Orbita electrónica.

La carga negativa del electrón tiene la misma magnitud que la carga positiva del protón.

Por tanto, si la cantidad de electrones es igual a la cantidad de protones, el átomo es un átomo neutro y su carga neta es cero.

Carga Eléctrica y Estructura de la Materia

++-

-

-

Si el átomo tiene más electrones que protones, adquiere carga negativa y se convierte en un ión negativo

Si el átomo tiene menos electrones que protones, adquiere carga positiva y se convierte en un ión positivo

En un cuerpo macroscópico la carga neta se determina como la diferencia entre el número total de protones y de electrones que posee.

No todos los electrones se encuentran a la misma distancia del núcleo, por tanto un modelo un poco más exacto es el que se muestra a la derecha. Los que se encuentran más alejados del núcleo tienen mayor energía.

Carga Eléctrica y Estructura de la Materia

Para saber un poquito más, haz clic aquí:Modelo atómico de

Bohr

Carga Eléctrica y Estructura de la Materia

El protón y el neutrón son combinaciones de otras entidades llamadas quarks, que tienen cargas de ±1/3 y ±2/3 veces la carga del electrón. Se piensa que los quarks no existen en forma aislada

Si un átomo tuviese unos cuantos kilómetros de diámetro, su núcleo sería del tamaño de una pelota de tennis.

Las masas del protón y del neutrón son casi iguales. La masa del electrón es unas 2000 veces menor. En el núcleo se concentra más del 99,9% de la masa del átomo.

Los protones y neutrones se mantienen unidos en el núcleo gracias a la fuerza nuclear, que vence la repulsión eléctrica de los protones. Esta es una fuerza de corto alcance cuyo efecto no llega más allá del núcleo.

Algunas cosas curiosas…

Carga Eléctrica y Estructura de la Materia

Principio de Conservación de la carga:

La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante:En cualquier proceso de carga esta ni se crea ni se destruye, solamente se transfiere.

Naturaleza cuántica de la carga:

Cada cantidad observable de carga eléctrica es siempre un múltiplo entero de la carga del electrón (o del protón puesto que son iguales)Por eso decimos que la carga está cuantizada.

Conductores, aislantes y cargas

inducidas

Conductores y Aislantes

Estos materiales permiten que la carga eléctrica se mueva fácilmente a través de ellos.

La mayoría de los metales son buenos conductores.

En ellos los electrones externos de cada átomo se separan y pueden moverse libremente.

Conductores:

Aislantes: No permiten que la carga se mueva

libremente a través del material. No hay electrones libres, o hay muy pocos. La mayoría de los no metales son aislantes.

A algunos materiales con propiedades intermedias se les llama SEMICONDUCTORES

Hay varias formas de “cargar” un cuerpo. Por ejemplo:

Carga por frotación:

Cargas Inducidas

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros ambos se cargan: uno con carga positiva y otro con carga negativa.

Cargas InducidasCarga por contacto:

Se puede cargar un conductor con solo tocarlo con otro cuerpo previamente cargado.En este caso ambos quedan con el mismo tipo de carga. Esto se debe a la transferencia de electrones libres

Cargas InducidasCarga por inducción:Si se acerca una barra cargada positivamente a una neutra, los electrones de esta última serán atraídos hacia el extremo en que se encuentra la barra, dejando al otro extremo de la barra neutra cargado positivamente.Nótese que la carga neta de la barra neutra sigue siendo cero!A este efecto se le llama polarización.

APLICACIONES

Ley de Coulomb

Ley de Coulomb

Charles-Agustín de Coulomb

(1736-1806)

Físico e ingeniero francés

Estudió en detalle las fuerzas de interacción entre partículas cargadas, estableciendo en 1785 la ley que lleva su nombre:

La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas

Ley de Coulomb

Dónde: F: Fuerza que cada carga ejerce sobre la otra q1,q2: Valor de las cargas en Coulombs r: Distancia entre las cargas k= 8,988 .109 N.m2/C2

Ley de CoulombLa constante k también se puede expresar como:

Donde

Y la Ley de Coulomb queda como:

Ley de CoulombLa ley se establece para cargas puntuales, o sea, aquellas que su tamaño es mucho menor que la distancia entre ellas.

Las direcciones de las fuerzas que las dos cargas ejercen una sobre la otra son siempre en la dirección de la línea que las une

Y el sentido de las fuerzas depende del signo de las cargas.

Ley de Coulomb

Ley de Coulomb

El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q, se mide según el número de electrones que este posea en exceso o en defecto. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb (C)

Y por tanto, la carga de un electrón es :

Ley de CoulombDos cargas puntuales q1 y q2 de 25nC y 75nC están a una distancia de 3cms entre si. Encuentre la magnitud y el sentido de las fuerzas que se establecen.

Donde k≈ 9.109 N.m2/C2

Campo Eléctrico y Fuerzas Eléctricas

Un cuerpo cargado, debido a su carga, modifica de cierta forma el espacio alrededor de él.

Campo Eléctrico

Otro cuerpo cargado percibe esa modificación del espacio a su alrededor y en respuesta experimenta una fuerza F (de atracción o repulsión)

Decimos que este cuerpo cargado genera un CAMPO ELECTRICO

La fuerza eléctrica sobre un cuerpo cargado es generada por otros cuerpos cargados.Un cuerpo no puede ejercer fuerza sobre sí mismo

Campo Eléctrico

La fuerza eléctrica por unidad de carga:

El sentido de la fuerza F0 depende del tipo de carga:Positiva: Mismo sentido que ENegativa: Sentido contrario que E

E no depende del valor de la carga sobre la cual se aplica

Campo EléctricoComparación con la gravedad

g no depende de la masa¡E no depende de la carga!

Ambas son fuerzas de “acción a distancia”

Campo EléctricoEl sentido de E depende del valor de la

carga

Como E puede variar de un punto a otro, se dice que es un campo vectorial, varía en función de las coordenadas x, y, z.

Si el campo E es constante en una región, se dice que es un campo uniforme.

Campo EléctricoMagnitud del campo eléctrico de una carga puntual: ¿Cuál es la magnitud del campo eléctrico en un punto del campo situado a 2,0m de una carga puntual q= 4nC?

Campo EléctricoPrincipio de Superposición de los Campos

Eléctricos

Si la fuerza eléctrica resultante sobre una carga producto de la acción de varias cargas es:

Entonces el campo resultante es:

Líneas de FuerzaLíneas de fuerza o líneas de campo eléctrico: Es una línea o curva imaginaria dibujada a través de una región del espacio de manera que su tangente en cualquier punto tiene la dirección del vector decampo eléctrico en ese punto.