Post on 18-Dec-2015
description
CARGA ELECTRICA Y CAMPO ELECTRICO
Fenmenos de electrizacin:
- Los griegos descubrieron alrededor de ao 600 AC, que al frotar
mbar con un trozo de lana, el mbar poda atraer a otros objetos.
- Hoy podemos decir que el mbar ha adquirido una carga elctrica o
que se ha cargado.
- El efecto de frotar plstico, vidrio, etc, se traduce en una fuerza de
atraccin y repulsin sobre papel u objetos del mismo material. Este
efecto es producido por la existencia de dos tipos de carga elctrica,
llamadas positiva y negativa (Benjamn Franklin).
- Se puede comprobar que dos cargas positivas o dos negativas se
repelen entre s. Una positiva y una negativa se atraen entre s.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
ATRACCION Y REPULSION
FISICA II Esp. Ing. Hctor D.
Colavincenzo
CARGA ELECTRICA
- La carga elctrica como la masa es una de las propiedades
fundamentales de las partculas que componen la materia.
- La materia ordinaria esta constituida por tomos y molculas.
- La estructura del tomo puede describirse en trminos de tres
partculas:
El electrn, cargado negativamente.
El protn cargado positivamente.
El neutrn que no tiene carga.
- El protn y el neutrn son combinaciones de otras partculas
llamadas quarks, que tienen cargas de 1/3 2/3 de la carga del
electrn, no observados en forma aislada.
- Los protones y neutrones forman el ncleo del tomo (10-15m)
FISICA II Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
ESTRUCTURA DEL ATOMO
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
CARGA ELECTRICA
- Los electrones se encuentran alrededor del ncleo a una
distancia del orden de 10-10m.
- Los electrones, cargados negativamente se mantienen dentro
del tomo mediante fuerzas elctricas de atraccin ejercida por
el ncleo cargado positivamente.
- Los protones y neutrones se mantienen dentro del ncleo
atmico estable por medio de una interaccin atractiva,
llamada fuerza nuclear, que vence la repulsin elctrica de los
protones.
- La carga negativa del electrn, tiene exactamente la misma
magnitud que la carga positiva del protn.
- Un tomo neutro tendr la misma cantidad de protones que de
electrones y su carga neta ser cero. (Nmero atmico)
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
CARGA ELECTRICA
- Si se eliminan uno o ms electrones la estructura queda positivamente cargada y se denomina ion positivo.
- Se denominar ion negativo, al tomo que ha ganado uno o ms electrones.
- La ganancia o prdida de electrones se denomina ionizacin.
- Principio de conservacin de la carga:
LA SUMA ALGEBRAICA DE TODAS LAS CARGAS ELECTRICAS EN CUALQUIER SISTEMA AISLADO ES CONSTANTE (Qi = Qf). LA CARGA SE CONSERVA
Cuantizacin de la carga:
CUALQUIER CANTIDAD DE CARGA OBSERVABLE SER MULTIPLO ENTERO DE LA CARGA DEL ELECTRON O DEL PROTON
- Se dice entonces que la carga est cuantizada, siendo el valor de cada cuanto el de la carga del electrn o del protn.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
CARGA ELECTRICA
De lo que vimos anteriormente podemos concluir que la CARGA
ELECTRICA tiene las siguientes importantes propiedades:
1-. Hay dos tipos diferentes de carga en la naturaleza, que tienen la
propiedad de que cargas del mismo signo se repelen y de distinto
signo se atraen.
2-. La fuerza entre las cargas vara, con la inversa del cuadrado de
la distancia, como veremos al estudiar la Ley de Coulomb.
3-. La carga se conserva.
4-. La carga est cuantizada.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
VALORES DE LAS MASAS Y CARGAS
MASA
Masa del electrn: 9,109389754 . 10-31 kg
Masa del protn: 1,672623110 . 10-27 kg
Masa del neutrn: 1,674928610 . 10-27 kg
CARGA
Carga del electrn: -1,6021773349 . 10-19 C
Carga del protn: 1,6021773349 . 10-19 C
Carga del neutrn: sin carga
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
CONDUCTORES Y AISLADORES
Si clasificamos a las sustancias en trminos de su capacidad para
conducir carga elctrica tendremos:
Los conductores, que son materiales en los que las cargas elctricas
se mueven con bastante libertad.
Los aisladores, que son materiales en los que las cargas elctricas se
mueven con mucha dificultad.
Los semiconductores, son una tercera clase de material, cuyas
propiedades elctricas se encuentran entre la de los conductores y
los aisladores.
FISICA II Esp. Ing. Hctor D.
Colavincenzo
CONDUCTORES Y AISLADORES
-Los materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de cargas elctricas. Conductores
- Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus tomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la electricidad. Aisladores
- Los aisladores son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos conductores.
www.didactika.com/fisica/electricidad/conductores_aisladores.html
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
LEY DE COULOMB
Coulomb estudi la interaccin entre partculas cargadas (1784),
utilizando una balanza de torsin.
Encontr que para cargas puntuales (cuerpos pequeos cargados en
comparacin con la distancia de separacin entre ellos), la fuerza
elctrica F era proporcional al cuadrado de la inversa de la distancia
que las separa.
Tambin encontr que esa fuerza F, era proporcional al producto de
la cantidad de carga de las esferas de su balanza.
De esta forma Coulomb estableci la que ahora se conoce como la
ley que lleva su nombre.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
LEY DE COULOMB
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
2
21
0
2
21
4
1
r
qqF
r
qqKF
LEY DE COULOMB
k es una constante de proporcionalidad cuyo valor numrico depende del sistema de unidades usado.
Respecto de las cargas q, se utiliza el valor absoluto dado que estas pueden ser positivas o negativas, mientras que la magnitud de la fuerza F ser siempre positiva.
La direccin de la fuerza F que las cargas se ejercen entre s, estar siempre a lo largo de la recta de accin que une ambas cargas. Cuando las cargas tiene el mismo signo, la fuerza ser siempre de repulsin, cuando tengan signos diferentes, ser de atraccin.
Las dos fuerzas obedecen a la tercera Ley de Newton, siempre son iguales en magnitud y opuestas en direccin, aun cuando las cargas no sean iguales.
El valor de k en el sistema de unidades SI, SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (sistema mksa, metro-kilogramo-segundo-ampere)
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
LEY DE COULOMB
En este sistema de unidades el valor de la constante de
proporcionalidad K, es:
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
vacioelen ADPERMITIVID la es
10 . 9 K
valorel aremosutili problemas de resolucin la Para
10.987551787,84
1
0
2
29
2
29
0
C
mN
z
C
mNk
PERMITIVIDAD
La permitividad (o impropiamente constante dielctrica) es una constante fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vaco 0 es 8,8541878176x10-12 [F/m] [C2/N m2]
La permitividad est determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicacin de un campo elctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Est directamente relacionada con la susceptibilidad elctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga elctrica se almacene con un campo elctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.
FISICA II Esp. Ing. Hctor D.
Colavincenzo
PERMITIVIDAD
En electromagnetismo se define un campo de desplazamiento elctrico D, que representa cmo un campo elctrico E influir la organizacin de las cargas elctricas en el medio, por ejemplo, redistribucin de cargas y reorientacin de dipolos elctricos. La relacin de ambos campos (para medios lineales) con la permitividad es
donde es un escalar
La permitividad del vaco 0 es el cociente de los campos D/E en ese medio. Tambin aparece en la ley de Coulomb como parte de la constante de fuerza de Coulomb, , que expresa la atraccin entre dos cargas unitarias en el vaco.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
PERMITIVIDAD RELATIVA Y ABSOLUTA
La permitividad de un material se da normalmente en relacin con la del vaco, denominndose permitividad relativa, r
(tambin llamada constante dielctrica en algunos casos). La
permitividad absoluta se calcula multiplicando la permitividad
relativa por la del vaco:
= r0 = (1 + e)0
donde es la susceptibilidad elctrica del material.
La susceptibilidad elctrica e segn gran parte de los autores es la constante de proporcionalidad (que tambin puede ser un
tensor) que relaciona el campo elctrico aplicado E con la
polarizacin elctrica inducida P:
donde 0 es la permitividad del vaco
FISICA II Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
EP 0
CAMPO ELECTRICO
- Como vimos, dos o ms partculas cargadas interaccionan entre s. Pero Cmo se relacionan entre s sin un medio material que las vincule?, Cmo se entera cada una de la presencia de otras cargas?
- Para dar una explicacin a este fenmeno utilizaremos el concepto de CAMPO ELECTRICO.
- Un cuerpo cargado elctricamente, modifica, perturba de alguna manera las propiedades del espacio que lo rodea. Si introducimos otro cuerpo cargado, ste tambin modificar o perturbar su entorno y a la vez detectar la perturbacin anterior, como resultado de esta alteracin de las propiedades del espacio que rodea los cuerpos cargados, aparecer una FUERZA ELECTRICA.
FISICA II Esp. Ing. Hctor D.
Colavincenzo
CAMPO ELECTRICO
- Una carga puntual Q producir, segn dijimos, una alteracin del
espacio que lo rodea, esta alteracin tendr una simetra esfrica, y
se mantiene desapercibida para nosotros. Si ahora tomamos un
punto del espacio P, e introducimos en ese punto otra carga puntual
q, aparecer sobre ella una fuerza como as tambin aparecer una
fuerza igual y de sentido contrario sobre la carga Q.
- Podemos decir que la Fuerza Elctrica sobre un cuerpo cargado es
ejercida por el Campo Elctrico creado por otros cuerpos cargados.
- Para determinar en forma experimental si existe campo elctrico en
un punto del espacio originado por una carga q, introducimos en ese
punto una carga de prueba o exploradora (considerada unitaria y
positiva), si la carga experimenta una fuerza podremos afirmar que
hay un campo elctrico en ese punto.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
CAMPO ELECTRICO - Siendo la Fuerza una cantidad vectorial, el campo elctrico
tambin lo ser.
- Esa fuerza que denominaremos , tendr la siguiente expresin:
- Definiremos ahora el CAMPO ELECTRICO E en un punto, como
la fuerza experimentada por la carga , que llamamos exploradora
o de prueba y la consideramos positiva y unitaria dividida por el
valor de esa carga, es decir como la fuerza ejercida por unidad de
carga.
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
0F
Nr
qqF
2
0
0
0
.
4
1
0q
CAMPO ELECTRICO
- Tendremos entonces que
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
C
N
q
FE
0
0
C
N
rq
qqE
2
0
0
04
1
C
N
r
qE
204
1
EJERCICIO DE EJEMPLO
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
EJERCICIO DE EJEMPLO
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
LINEAS DE CAMPO ELECTRICO
Dado que no es posible percibir el campo elctrico con nuestros sentidos, se ha utilizado el concepto de lneas de
campo. Estas lneas de campo nos ayudan a visualizar campos
elctricos.
No son mas que lneas rectas o curvas trazadas en una regin del espacio de manera que su tangente en cualquier punto,
tiene la direccin del vector campo elctrico en ese punto.
Estas lneas muestran la direccin de E en cada punto y nos da una idea de la intensidad de E mediante la mayor o menor
cantidad de las mismas.
FISICA II Esp. Ing. Hctor D.
Colavincenzo
LINEAS DE CAMPO ELCTRICO
DISTINTAS DISTRIBUCIONES DE CARGAS
FISICA II
Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo
http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/EField/EField.html
FISICA II Esp. Ing. Hctor D.
Colavincenzo