Semana1. Ley de Coulomb

Electrostática : 

Electrostática Carga eléctrica. Ley de Coulomb. Campo eléctrico para distribuciones discretas. Cargas en movimiento dentro de un campo eléctrico uniforme. 1

Cargas y fuerzas eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 2 17/08/2010 Cargas y fuerzas eléctrica La electricidad es un fenómeno fundamental de la naturaleza. Es la base de la tecnología moderna, pero también es la explicación de la estabilidad de la materia. Estas son algunas interrogantes que serán respondidas en el presente tema.

La carga eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 3 La carga eléctrica La carga eléctrica, como la masa, es una propiedad fundamental de la materia. Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa (protones y electrones) Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas de signos contrarios se atraen. Las características y propiedades de los átomos y moléculas se deben a las interacciones eléctricas entre las partículas que los componen.

Propiedades de la carga eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 4 Propiedades de la carga eléctrica La unidad de carga en el SI es el coulomb y su símbolo es C. Los valores típicos de carga se expresan utilizando prefijos. Prefijo micro  1 C = 10 – 6 C Prefijo nano  1 C = 10 – 9 C Prefijo pico  1 pC = 10 – 12 C Donde e es la carga fundamental y su valor es: e = 1,60217733 x 10 – 19 C

Carga eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 5 Carga eléctrica La carga está cuantizada. Es decir, todas las cargas son un múltiplo de la carga fundamental e. Q = + ne Donde n es un número entero positivo La suma de todas las cargas de un sistema cerrado es siempre constante; esto se conoce como el principio de conservación de la carga. Los cuerpos son eléctricamente neutros. Esto quiere decir que poseen la misma cantidad de carga positiva y carga negativa en su interior.

Propiedades de la carga eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 6 Propiedades de la carga eléctrica Un cuerpo es eléctricamente neutro si la suma de todas las cargas es nula. Un átomo, inicialmente neutro, que pierde electrones queda cargado positivamente y se le llama ión positivo. Un átomo, inicialmente neutro, que gana electrones queda cargado negativamente y se le llama ión negativo. Carga elemental negativa Carga elemental positiva

Ejercicio 21.2 (pág. 828) : 

17/08/2010 Yuri Milachay 7 Ejercicio 21.2 (pág. 828) La proporción máxima de un flujo de carga al caer un rayo es de alrededor de 20 000 C/s; esto dura 100 ms más o menos. ¿Cuánta carga fluye entre el suelo y la nube en este tiempo? ¿Cuántos electrones fluyen durante este tiempo? 1 ms = 10-6 s e- = 1,60217733 x 10 – 19 C Solución. a) La cantidad de carga que fluye es igual a 20 000 C/s x 100 10-6 s Luego de cancelar los segundos y de multiplicar 2 x 104 x 1 x 10-4 La respuesta es: 2 C b)¿Cuántos electrones se han desplazado? Dividimos el resultado anterior entre la carga del electrón. 1,25 x 1019 electrones Cada día en el mundo se producen 8 000 000 de rayos http://www.pararrayos.info/pdf/Pararrayos%20CTS%20%20Agosto%202006.pdf

Conductores y aislantes : 

17/08/2010 Yuri Milachay 8 Conductores y aislantes A los materiales que permiten que las cargas se muevan fácilmente a través de ellos se les llama conductores de la electricidad. Los materiales en los que es muy difícil lograr que las cargas se muevan, estos se llaman aislantes. Los metales son buenos conductores de la electricidad y la madera y los plásticos son aislantes.

Aplicación tecnológica de las cargas electrostáticas : 

17/08/2010 Yuri Milachay 9 Aplicación tecnológica de las cargas electrostáticas La pintura electrostática es utilizada para el recubrimiento eficaz de superficies para protegerlos contra la corrosión. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de la pintura electrostática?

Manifestación de las cargas electrostáticas : 

17/08/2010 Yuri Milachay 10 Manifestación de las cargas electrostáticas Explique, usando conceptos de electrostática, cómo se ha podido inicial fuego en el surtidor como se aprecia en el vídeo. http://www.cdc.gov/spanish/niosh/docs/98-111sp.html

Ley de Coulomb : 

17/08/2010 Yuri Milachay 11 Coulomb halló que para dos cargas puntuales q1 y q2 (cargas de dimensiones muy pequeñas en comparación con la distancia r entre ellas), el módulo de la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Ley de Coulomb http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb

k – constante eléctrica (o de Coulomb) : 

17/08/2010 Yuri Milachay 12 k – constante eléctrica (o de Coulomb) La constante eléctrica también se expresa como: Donde e se denomina permisividad eléctrica del medio.

Ejercicio : 

17/08/2010 Yuri Milachay 13 Se tiene dos cargas eléctricas puntuales q1 y q2 separadas una distancia d inmersas en parafina líquida. ¿Qué pasa con la fuerza eléctrica entre ellas si son llevadas al aire? Considere que sus cargas y la distancia de separación no cambian. Responda la misma pregunta considerando que están sumergidas en vidrio orgánico. Ejercicio

Fuerzas gravitacional vs. Fuerza eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 14 Fuerzas gravitacional vs. Fuerza eléctrica Compara la fuerza eléctrica y gravitacional en el átomo de hidrógeno me=9,11 x 10-31 kg mp=1,67 x 10-27 kg qe=qp=1,60 x 10-19 C +

Principio de superposición : 

17/08/2010 Yuri Milachay 15 Principio de superposición Como ley básica adicional, no deducible de la ley de Coulomb, se encuentra el Principio de Superposición: "La fuerza total ejercida sobre una carga eléctrica Q por un conjunto de cargas q1, q2, q3, … , qn será igual a la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada carga qi sobre la carga Q.” q5 q4 q3 q2 q1 Q FR F5 F4 F3 F2 F1 r1

Ejercicio : 

17/08/2010 Yuri Milachay 16 Ejercicio En la figura, dos cargas positivas iguales q1 = q2 = 2,0 mC interactúan con una tercera carga puntual Q = 4,0 mC. Encuentre la magnitud y dirección de la fuerza total (neta) sobre Q.

Campo eléctrico y fuerza eléctrica : 

17/08/2010 Yuri Milachay 17 Campo eléctrico y fuerza eléctrica Es una propiedad que adquiere el espacio cuando una carga está inmersa en él. Cuando se aproxima otra carga a la que origina el campo, la primera experimenta una fuerza. La intensidad del campo eléctrico es: Unidades. La unidad del campo eléctrico es

Campo eléctrico de cargas puntuales : 

17/08/2010 Yuri Milachay 18 Campo eléctrico de cargas puntuales

Líneas del campo eléctrico : 

17/08/2010 Yuri Milachay 19 Líneas del campo eléctrico Si trazamos una línea en la que las intensidades del campo sean tangentes a la misma, éstas reciben el nombre de línea de campo eléctrico.

¿Qué signos tienen las cargas q1, q2 y q3? : 

17/08/2010 Yuri Milachay 20 ¿Qué signos tienen las cargas q1, q2 y q3? q1 q2 q3 La carga q1 es positiva por cuanto las líneas de fuerza salen de la carga. La carga q2 es negativa por cuanto las líneas de fuerza ingresan a la carga. La carga q3 es positiva por cuanto las líneas de fuerza salen de la carga. Analizar el siguiente applet

Determinación de las cargas de las placas del condensador : 

17/08/2010 Yuri Milachay 21 Determinación de las cargas de las placas del condensador Dado el movimiento de la partícula en el campo eléctrico mostrado en la figura, (a) diga los signos de las placas cargadas eléctricamente. (b) Escriba las ecuaciones de movimiento de la partícula. En el eje x la partícula realiza un MRU En el eje y la partícula realiza un MRUV

Ejercicio 21.24 Pág. 829 : 

17/08/2010 Yuri Milachay 22 Ejercicio 21.24 Pág. 829 Cierta partícula tiene una carga de -3,00 nC. a) Halle la magnitud y dirección del campo eléctrico debido a esta partícula en un punto situado 0,250 directamente arriba de ella. b) ¿A qué distancia de esta partícula tiene su campo eléctrico una magnitud de 12,0 N/C? 0,250 m Q = -3,00 x 10-9C (a) (b) (a) E =? (b) E=12,0 N/C r = ?

Ejercicio 21.26 Pág. 829 : 

17/08/2010 Yuri Milachay 23 Ejercicio 21.26 Pág. 829 Un electrón, inicialmente en reposo, se deja libre en un campo eléctrico uniforme. El electrón se acelera verticalmente hacia arriba, recorriendo 4,50 m en los primeros 3,00 ms después de ser liberado. a) ¿Cuáles son la magnitud y dirección del campo eléctrico? b) ¿Se justifica no tener en cuenta los efectos de la gravedad? Justifique su respuesta cuantitativamente. Datos iniciales: v0 = 0 m/s; Δy=4,50 m t = 3,00 x 10-6 s; me-=9,11 x 10-31 kg qe-= - 1,60 x 10-19 C