Fuerza Eléctrica

La Fuerza electromagnética es una de las cuatro fuerzas

fundamentales, siendo las otras 3 la gravitacional, la fuerza de interacción débil y la fuerza

nuclear intensa.

• En realidad el electromagnetismo es la palabra que se usa para nombrar a los fenómenos eléctricos y magnéticos como consecuencia de la fuerza eléctrica.

Carga eléctrica al igual que la masa es una propiedad fundamental de

la materia asociada con partículas del átomo: el electrón y el protón.

Representando el electrón la carga negativa y el protón a la carga positiva, aunque en el núcleo del átomo existen otras partículas como el neutrón que no tiene carga.

Por lo que hablaremos de la Electrostática que es la ciencia de las cargas eléctricas en reposo.

• Ley de las Cargas o Ley de Carga-Fuerza

• CARGAS IGUALES ENTRE SÍ, SE REPELEN Y CARGAS DESIGUALES ENTRE SÍ, SE ATRAEN.

La magnitud de la carga de un electrón (se abrevia “e”) y es la unidad de carga fundamental, ya que es la carga mas pequeña que hay en la

Naturaleza.

• Sin embargo la unidad de carga en SI es el Coulomb (C) en

honor al físico francés Charles Coulomb, por lo tanto:

• e = 1.6 x 10-19 C• Para un Electrón – e = - 1.6 x 10-19 C• Para un protón + e = +1.6 x 10-19 C

Generalmente los objetos cargados tienen un carga neta o sea:

QUE TIENE EXCESO DE ELECTRONES, CARGA NEGATIVA Y EXCESO DE PROTONES CARGA

POSITIVA

• Ejemplo un objeto con carga neta de + 1.6 x 10-18 C, tiene una deficiencia de 10 electrones, ya que los que se pueden remover son los electrones, es muy difícil que se muevan los protones.

A los átomos cargados positivamente se les llama iones positivos, y los cargados negativamente, iones negativos.

Muchas veces la carga se expresa en función de la carga de un

electrón en la forma siguiente:

• q = ne donde q es carga• n = 1,2, 3…..

Al tratar un fenómeno eléctrico es necesario definir la Ley de la conservación de la carga:

• LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA CARGA

LA CARGA DE UN SISTEMA AISLADO PERMANECE

CONSTANTE

• Al arrastrar los pies sobre una alfombra en un día seco, la alfombra adquiere una carga positiva neta.

• (a) La persona que arrastra los pies tiene: – (1) Una deficiencia de electrones– (2) Un exceso de electrones.

• Respuesta. Como la alfombra tiene carga positiva neta, ella perdió electrones que pasan a la persona, por lo tanto es (2) Tiene exceso de electrones.

b) Si la carga tiene una magnitud de 2.0nC (n = nano o sea 10-9 C) ¿Cuántos electrones faltantes o en exceso

hay?

• q = + 2 nC ( 10-9 C/ 1 nC) = + 2 x 10-9 C esta sería la carga de la alfombra

• por lo que la carga del hombre (qh) sería:• qh = - 2 x 10-9 C• y la carga de un electrón (e) es: • qe = - 1.6 x 10-19 C• Despejamos n de la ecuación: qh = nqe• n = qh/qe• n = - 2 x 10-9 C/- 1.6 x 10-19 C/electrón• n = 1.3 x 1010 electrones

CARGA ELECTROSTÁTICA• Ya que hablamos de átomos resulta conveniente

clasificar las sustancias en términos de su capacidad de conducir la carga eléctrica como sigue

• Conductores de carga eléctrica: en estos materiales los electrones de valencia de los átomos o los electrones de las últimas órbitas están débilmente ligados y pueden moverse o ser removidos del átomo o dejar por completo el conductor, ejemplo los metales, los líquidos que pueden disociarse en iones (los electrolitos), la Tierra y el cuerpo humano.

• Los aislantes: en estos materiales la mayoría de los electrones están fuertemente ligados, las cargas no se mueven ni se pueden remover fácilmente de un aislante, entre los que están los plásticos, el vidrio y el vacío.

• Existen otros materiales intermedios como son los semiconductores , su capacidad es intermedia y su comportamiento es entendido solo por mecanismos cuánticos, pero puede ser ajustado agregando impurezas atómicas, y estos materiales se usan para la Electrónica como los microchips y transistores.

Para saber las característica de la carga eléctrica de un objeto se usa el electroscopio

Carga electrostática es cualquier proceso por medio del cuál un aislante o un conductor aislado recibe una carga neta

Los procesos pueden ser:

• Carga por fricción (frotación con una tela o piel). Cuando dos cuerpos se frotan hay transferencia de electrones de uno a otro.

Carga por conducción (contacto; se refiere al flujo de carga durante el corto periodo en que los

electrones son transferidos)

Carga por inducción

Carga por inducción.-.

• Ejemplo cuando un globo por fricción se carga y se pone después en contacto con la pared, se induce una carga opuesta sobre la superficie de la pared, haciendo que los globos se adhieran por las fuerzas de atracción eléctrica o como se ve en la figura:

Cuando un objeto puede tener una carga móvil dentro de él y no obstante tener una carga neta de

cero, esta inducción genera la polarización.

• Existen también cargas electrostáticas molestas como las que ocasionan que la ropa y papeles se adhieran, chispas que saltan y que pueden provocar incendios o una explosión en presencia de gas inflamable.

Como la Ley de CARGA-FUERZA nos indica solo la

dirección de las fuerzas eléctricas

• Otra ley nos indica su magnitud y es la Ley de Coulomb que nos dice:

• La fuerza eléctrica es proporcional a las cargas e inversamente

proporcional a la cuadrado de la distancia entre ellas.

Balanza de Torsión de Coulomb

Por medio de varias mediciones Coulombencontró la constante de proporcionalidad “k”

quedando expresada la ley matemáticamente así:

• Fe = ___k q1 q2_____r2

Donde r = distancia entre las cargas k = 8.988 x 109 Nm2/C2 ≈ 9 x 109 Nm2/C2

q1 y q2 son las cargas

Frecuentemente la constante k se expresa en función de la permitividad del espacio

libre εo:

Como sigue:1 εo = 8.85435 x 10-12 C2/N-m2

k =4πε0

Y la fuerza F se expresa vectorialmente:

٨ ٨Fe = ___k q1 q2 _ r Donde r es un vector

r2 a lo largo de la líneaque une q1 y q2

La Ley de Carga-Fuerza nos indica si son atractivas o repulsivas las fuerzas

• Pero si visualizamos solo sobre un carga en particular la fuerza neta es la suma vectorial de las fuerzas debidas a otras cargas

Ejemplo

• A) Dos cargas puntuales -1.0nC y +2.0 nC están separadas 0.30 m, ¿Cuál es la fuerza eléctrica sobre cada partícula? B) una configuración de 3 cargas se muestra en la siguiente figura, ¿Cuál es la fuerza electrostática sobre q3?

Solución

A) q1 = -1.0 nC (10-9C/1 nC) = -1.0 x10-9 C

q2 = +2.0 nC(10-9C/1 nC)= +2.0 x10-9 C

r = 0.3 mHallar: F12 y F21B) Los datos están en la figuraHallar: F3

a)

•F12 F21

0.3 m

q1 =-1 nCq2 = +2 nC

a)

• F12 = F21 = kq1q2

• r2

•= (9 x109 Nm2/C2)(1x10-9C)(2x10-9C)

(0.3m)2

= 0.2 x 10-6 N

b)