ELECTROSTÁTICA

EDUARDO OROZCO OTERO

TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA GRADO DECIMO

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AGENDA I. Introducción II. Objetivos III. El átomo IV. Video del átomo V. Ley de Atracción y Repulsión VI. La Ley de Coulomb VII. Fuerza eléctrica VIII. Video de la fuerza eléctrica IX. El campo Eléctrico y su Representación X. Video líneas de fuerza XI. Experimentación utilizando materiales básicos XII. Video de electricidad estática por fisión XIII. Conclusiones XIV. Cuestionario XV. Bibliografía

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INTRODUCCIÓN La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forma parte de la enseñanza moderna; como el de comprobar cómo ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotadura y atraen otros cuerpos. Por ejemplo, la atracción de pequeños trozos de papel o pelo por un globo que previamente se ha frotado con un paño seco.

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OBJETIVOS Objetivo general.

Obtener conocimientos de electrostática, reforzar el enfoque del análisis de este fenómeno físico y la solución de problemas conforme a la pauta estándar en el pensamiento científico.

Objetivos Específicos 1.Estudiar los fenómenos producidos por cargas eléctricas

en reposo partiendo de la ley de Coulomb y del concepto de campo eléctrico.

2.Comprender el fenómeno de polarización de materiales sometidos a la acción de campos eléctricos externos.

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EL ÁTOMO Está constituido por un núcleo (protones, dotados de carga eléctrica positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica) y una envoltura externa formada por electrones, de carga eléctrica negativa. La carga de un electrón es igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protón.

Las fuerzas eléctricas atractivas que experimentan los electrones respecto del núcleo hacen que éstos se muevan en torno a él en una situación que podría ser comparada, en una primera aproximación, a la de los planetas girando en torno al Sol por efecto, en este caso de la atracción gravitatoria.

Electrón Protón

Núcleo

Envoltura

Neutrón

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Ley de Atracción y Repulsión Eléctrica Atracción Eléctrica: En electricidad la atracción existe cuando las cargas eléctricas tienen signos o polaridad contraria por ejemplo una carga negativa y otra positiva. Repulsión Eléctrica: La repulsión existe cuando las cargas tienen el mismo signo o polaridad, por ejemplo dos cargas negativas se repelen, dos cargas positivas igualmente se repelen y la atracción será con la misma fuerza y magnitud de la intensidad de su campo eléctrico.

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Ley de Coulomb o principio fundamental de la electrostática: La fuerza de atracción y repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto del valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias entre ellas.

La fuerza de atracción o repulsión entre las caras actúa en la dirección de la recta que las une. Solo es válida para cargas puntuales.

𝐹 = 𝐾 ∗𝑄1∗𝑄2

𝑑2 N

Donde k es una constante que depende del medio, k= 9 ∗ 109 Nm2/C2 Q1 es la carga 1 medida en coulomb Q2 es la carga 2 medida en coulomb d es la distancia entre las cargas, medida en metros INICIO

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Ejercicios Prácticos

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Fuerzas eléctricas: Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se establece un tipo de fuerzas, llamadas electrostáticas, de tal forma que, si las partículas cargadas son suficientemente pequeñas como para que puedan considerarse puntuales, se cumple que: 1. La fuerza establecida entre ambas tiene una dirección que

coincide con una línea recta imaginaria que une las dos cargas.

2. La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva).

3. El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza repulsiva).

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EL CAMPO ELÉCTRICO Y SU REPRESENTACIÓN. Campo eléctrico: Propiedad que adquiere el espacio que rodea a una carga eléctrica. Se manifiesta por medio de las fuerzas que aparecen en dicho espacio cuando se sitúan en él otras cargas. Las fuerzas eléctricas aparecen como parejas de fuerzas acción-reacción. Intensidad del campo eléctrico: Fuerza ejercida por la carga q’ sobre la unidad de carga eléctrica positiva en un punto.

𝐸 =𝐹

𝑞′ 𝑁/𝐶

E: intensidad de campo eléctrico F: fuerza q’: carga

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Líneas de fuerza o líneas de campo: Son líneas imaginarias que, en cada punto, son tangentes al vector intensidad de campo en ese punto. Son radiales, pero su sentido depende del signo de la carga que crea el campo. Las líneas de fuerza salen de las cargas positivas (fuentes de campo eléctrico) y se dirigen a las negativas (sumideros del campo).

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EXPERIMENTACIÓN UTILIZANDO MATERIALES BÁSICOS. Materiales: 1. 2 bolas pequeñas de icopor. 2. 1 trozo de hilo fino. 3. Papel aluminio 4. Soporte para formar un péndulo. 5. Bolsa plástica. 6. Un trozo de tela de poliéster. 7. Una Pieza (lamina) de acrílico en forma rectangular.

PROCEDIMIENTO:

1. Construya un soporte con los tubos de pvc, la tabla de madera y el pegamento.

2. Realice un montaje de péndulo usando el hilo fino y las bolas de icopor forradas con aluminio.

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PROCEDIMIENTO: 3. Frotar la pieza de acrílico fuertemente con la bolsa

plástica y acerque la pieza de acrílico a la bola de icopor. 4. Continúe frotando la pieza de acrílico con la bolsa plástica

y ahora acerque la bolsa a la bola de aluminio. 5. Frote la pieza de acrílico con la tela de poliéster y acerque

la pieza de acrílico al péndulo de bolita de aluminio 6. Ahora realice otro péndulo separado uno de otro y frotar

la pieza de acrílico fuertemente con las bolsa plástica y acerque la pieza de acrílico a las bolas de icopor. Con el mismo montaje frote la pieza de acrílico con la tela de poliéster y acérquelo a los péndulos armados.

A continuación se mostrara el fenómeno de atracción y

repulsión de cuerpos cargados eléctricamente

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CONCLUSIONES Con esta serie de experimentos, se pudo apreciar claramente el comportamiento de los cuerpos a partir de las interacciones con cargas eléctricas, ya sean inducción, conducción o frotamiento. Se pudo ver que dichas interacciones varían según los cuerpos, lo que nos dice que existen cuerpos con mayor facilidad de carga (conductores) y otros con impedimentos para cargarse (Dieléctricos), aclarando mucho la naturaleza de la fuerza eléctrica.

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Cuestionario de Repaso A continuación se presentan una serie de preguntas para ser contestadas entre el grupo y corregir conceptos. 1. La carga del electrón es de signo:

A. Negativa B. Positiva C. Neutra

2. La carga del protón es de signo:

A. Negativa B. Positiva C. Neutra

3. En electricidad la atracción existe cuando las cargas eléctricas tienen signos

A. Neutros B. Iguales C. Contrarios

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Cuestionario de Repaso 4. La ley de Coulomb esta dada por:

A. 𝐹 = 𝐾 ∗𝑄1∗𝐿2

𝑑3 N B. 𝐹 = 𝐾 ∗𝑀∗𝑄2

𝑑2 C C. 𝐹 = 𝐾 ∗𝑄1∗𝑄2

𝑑2 N

5. La carga del Neutrón es de signo:

A. Negativa B. Positiva C. Neutra

6. La repulsión existe cuando las cargas tienen

A. Igual polaridad B. Distinta Polaridad C. No tiene polaridad

7. A la propiedad que adquiere el espacio que rodea a una carga eléctrica se le llama:

A. Campo magnético B. Campo Eléctrico C. Campo Lineal

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Cuestionario de Repaso 8. Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se

establece un tipo de fuerzas llamadas:

A. Magnetismo B. Electrostática C. Puntual

9. En el núcleo de un átomo se encuentran dos elementos llamados:

A. Protón y electrón B. Electrón y Neutrón C. Protón y Neutrón

10. La capa que donde se encuentran los electrones se llama:

A. Envoltura B. Núcleo C. Atmosfera INICIO

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BIBLIOGRAFÍA Y ENLACES VIRTUALES

1. SearsF, et. al. FISICA UNIVERSITARIA. VOLUMEN II. Pearson Educación, México, 1999.

2. Serway R. FISICA. VOLUMEN II. Mc Graw‐Hill.1997 3. Universidad Nacional Santiago Antúnez de Mayolo

“UNASAM”/FACULTAD DE CIENCIAS/Ingeniería de Sistemas e. Informática/Semestre Académico: 2011 – 1/Curso: FISICA III/Tema: Kit Para Experimentos Electrostáticos/Docente: Eduardo Cabrera T.

4. http://es.scribd.com/search?query=FISICA+III/ visto el viernes 05 de octubre de 2013

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CORRECTO

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INCORRECTO

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Repaso de la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10

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INCORRECTO

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Repaso de la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10

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INCORRECTO

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Repaso de la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10

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EL ÁTOMO Está constituido por un núcleo (protones, dotados de carga eléctrica positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica) y una envoltura externa formada por electrones, de carga eléctrica negativa. La carga de un electrón es igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protón.

Las fuerzas eléctricas atractivas que experimentan los electrones respecto del núcleo hacen que éstos se muevan en torno a él en una situación que podría ser comparada, en una primera aproximación, a la de los planetas girando en torno al Sol por efecto, en este caso de la atracción gravitatoria.

Electrón Protón

Núcleo

Envoltura

Neutrón

Volver a la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

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Ley de Atracción y Repulsión Eléctrica Atracción Eléctrica: En electricidad la atracción existe cuando las cargas eléctricas tienen signos o polaridad contraria por ejemplo una carga negativa y otra positiva. Repulsión Eléctrica: La repulsión existe cuando las cargas tienen el mismo signo o polaridad, por ejemplo dos cargas negativas se repelen, dos cargas positivas igualmente se repelen y la atracción será con la misma fuerza y magnitud de la intensidad de su campo eléctrico.

Volver a la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

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Ley de Coulomb o principio fundamental de la electrostática: La fuerza de atracción y repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto del valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias entre ellas.

La fuerza de atracción o repulsión entre las caras actúa en la dirección de la recta que las une. Solo es válida para cargas puntuales.

𝐹 = 𝐾 ∗𝑄1∗𝑄2

𝑑2 N

Donde k es una constante que depende del medio, k= 9 ∗ 109 Nm2/C2 Q1 es la carga 1 Q2 es la carga 2 d es la distancia entre las cargas

Volver a la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

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EL CAMPO ELÉCTRICO Y SU REPRESENTACIÓN. Campo eléctrico: Propiedad que adquiere el espacio que rodea a una carga eléctrica. Se manifiesta por medio de las fuerzas que aparecen en dicho espacio cuando se sitúan en él otras cargas. Las fuerzas eléctricas aparecen como parejas de fuerzas acción-reacción. Intensidad del campo eléctrico: Fuerza ejercida por la carga q’ sobre la unidad de carga eléctrica positiva en un punto.

𝐸 =𝐹

𝑞′ 𝑁/𝐶

E: intensidad de campo eléctrico F: fuerza q’: carga

Volver a la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

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Fuerzas eléctricas: Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se establece un tipo de fuerzas, llamadas electrostáticas, de tal forma que, si las partículas cargadas son suficientemente pequeñas como para que puedan considerarse puntuales, se cumple que: 1. La fuerza establecida entre ambas tiene una dirección que

coincide con una línea recta imaginaria que une las dos cargas.

2. La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva).

3. El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza repulsiva).

Volver a la pregunta: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

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EJERCICIOS PRÁCTICOS

Tenga en cuenta que a unidad natural de la carga eléctrica radicada en el electrón y se le denomina “carga elemental.”. La carga de 6,25 x 10-18 electrones recibe el nombre de Coulomb (C). Es decir: 1C = 6,25 x 10-18 e-. Ejemplo 1 Determine la fuerza que existe entre dos cargas: Q1 = 2 · 10-4 C; Q2 = 4 · 10-6 C; r = 0,1 m. Aplicando la formula tenemos que:

F = 9 ·109 · 2 · 10-4 · 4 · 10-6

0,1² F = 720 N

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Ejemplo 2 Determine la fuerza que existe entre dos cargas: Q1 = 3 · 10-3 C; Q2 = 2 · 10-5 C; r = 10 m. Aplicando la formula tenemos que:

F = 9 ·109 · 3 · 10-3 · 2 · 10-5

10² F = 5,4 N

Ejemplo 3 ¿A cuánta distancia deberán encontrase en el vacío dos

cargas de 5 x 10-6 C y 8 x 10-4 C para que actúen entre ellas con una fuerza de 4 N? Despejando de la formula la distancia tenemos que:

F = √ (9 ·109 · 5 · 10-6 · 8 · 10-4 /4 ) d = 3 m

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Problemas: 1. Una peineta electrizada por fricción adquirió una carga

negativa de 6,4 x 10-10 C. 2. ¿Cuántos electrones en exceso tiene esta peineta? 3. Un cuerpo posee 5 x 1014 protones en exceso. Entonces: a)

¿de qué signo es la carga eléctrica que posee?, b) ¿cuánta carga posee, expresada en?

4. ¿Qué ocurre con la fuerza eléctrica que existe entre dos objetos si: a) la carga de uno de ellos se duplica b) la carga de uno de ellos se reduce a 1/3 c) la carga de uno de ellos se triplica y la del otro

disminuye a 1/3 5. Con cuanta fuerza se atraen un electrón y un protón

cuando se encuentran a una distancia de 10-9 m?

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