LECCIÓN 9 La electrostática es la parte de la física que estudia el comportamiento de cargas eléctricas en reposo.
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- Valentín Franco Sevilla
- hace 7 años
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1 LECCIÓN La electostática es la pate de la física que estudia el compotamiento de cagas elécticas en eposo. La existencia del fenómeno electostático es bien conocido desde la antigüedad. Existen numeosos ejemplos ilustativos que hoy foma pate de la enseñanza modena; como el de compoba cómo cietos mateiales se cagan de electicidad po simple fotadua y ataen, po ejemplo, pequeños tozos de papel o pelo a un globo que peviamente se ha fotado con un paño seco. Benjamin Fanklin haciendo un expeimento con un ayo, que no es ota cosa que un fenómeno electostático macoscópico. En 7 el fancés Fancois de Cistenay du Fay popuso la existencia de dos tipos de caga eléctica, positiva y negativa, constatando: los objetos fotados conta el ámba se epelen también se epelen los objetos fotados conta una baa de vidio Sin embago, los objetos fotados con el ámba ataen los objetos fotados con el vidio. Caga Eléctica: Es la popiedad de la mateia de manifesta su estado eléctico. Los cuepos mateiales están constituidos de átomos. Estos, a su vez, contienen electones, potones y neutones. Los potones y neutones constituyen el núcleo del átomo, los electones gian alededo del núcleo.
2 Cuando un cuepo posee igual númeo de electones que de potones, se dice que es elécticamente neuto. Cuando dos cuepos se fotan ente sí, una cantidad de electones de un cuepo pasa al oto. El cuepo que piede electones queda cagado positivamente, ya que queda con exceso de potones, y el que ecibe queda cagado negativamente. Conclusión: Pincipio de consevación de la caga eléctica. Las cagas no se cean ni desapaecen, sino que solamente se pueden taslada de un cuepo a oto o de un luga a oto en el inteio del cuepo dado. La electicidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cagas elécticas en un objeto. Esta acumulación puede da luga a una descaga eléctica cuando dicho objeto se pone en contacto con oto. La electicidad estática se poduce cuando cietos mateiales se fotan uno conta el oto, como lana conta plástico o las suelas de zapatos conta la alfomba, donde el poceso de fotamiento causa que se etien los electones de la supeficie de un mateial y se eubiquen en la supeficie del oto mateial que ofece niveles enegéticos más favoables, o cuando patículas ionizadas se depositan en un mateial, como po ejemplo, ocue en los satélites al ecibi el flujo del viento sola y de los cintuones de adiación de Van Allen. La electicidad estática se utiliza comúnmente en la xeogafía, en filtos de aie, y algunas pintuas de automoción. Los pequeños componentes de los cicuitos elécticos pueden dañase fácilmente con la electicidad estática. Los fabicantes usan una seie de dispositivos antiestáticos paa evita los daños. Pincipios: Todos los cuepos se electizan po fotamiento bajo deteminadas cicunstancias. Po ejemplo, vidio con seda; el vidio cede electones; a esta electicidad se le llama vítea o positiva; la seda gana electones, a esta electicidad se le denomina esinosa o negativa. Cuando se fotan dos cuepos, se electizan simultáneamente con cantidades de electicidad contaias y equivalentes.
3 Cuando la electicidad se desplaza fácilmente a tavés de la masa de un cuepo, se dice que ese cuepo es conducto (metales, el cuepo humano, el aie húmedo, etc.); cuando se electizan fácilmente, impidiendo el desplazamiento de electicidad a tavés de él, se dice que es aislado o dieléctico (pocelana, vidio, goma, madea seca, etc.). Acciones ente cagas elécticas º Cuepos cagados con electicidad del mismo signo, se epelen. º Cuepos cagados con electicidad de signo contaio, se ataen. Repulsión ente cagas del mismo signo Dos vaillas con cagas del mismo signo se epelen. Paa obsevalo pueden fotase dos vaillas del mismo mateial (po ejemplo, vidio) empleando el mismo método (po ejemplo, un paño de seda). Al se del mismo mateial y habe sido fotadas de la misma foma, las vaillas adquieen cagas del mismo signo. Si se cuelga una vailla de un hilo de foma que pueda gia y se le aceca la ota, la pimea gia alejándose de la segunda, lo que demuesta que las cagas se epelen. Si las dos vaillas tuviean cagas de signo opuesto, la pimea se acecaía a la segunda, puesto que las cagas de distinto signo se ataen. Electoscopio (esquema) El electoscopio se emplea paa detecta la pesencia de cagas elécticas, paa detemina el signo de las mismas y paa medi e indica su magnitud. Este dibujo esquemático muesta las pates básicas del dispositivo: (a) y (a_) son láminas metálicas delgadas colgadas de un sopote metálico (b); (c) es un ecipiente de vidio, y (d) es una bola que ecoge las cagas elécticas. Las cagas (positivas o negativas) se conducen hasta las láminas a tavés del sopote metálico. Como las cagas iguales se epelen, las láminas se sepaan. La cantidad de caga se calcula midiendo la distancia ente las láminas.
4 LEY DE COULOMB La acción ecípoca ente las cagas se debe a que cada uno cea en el espacio que lo odea un campo electostático, y éste actúa sobe la caga con una fueza deteminada. El físico fancés Chales Coulomb, a finales del siglo XVIII, hizo un estudio cuantitativo sobe dichas fuezas. Después de vaios expeimentos llegó al enunciado denominado Ley de Coulomb: La fueza (F) de atacción o epulsión ente dos cagas elécticas puntuales es diectamente popocional al poducto de las magnitudes de las cagas q y q e invesamente popocional al cuadado de la distancia (d) ente ellas, y diigida a lo lago de la línea que une a estas cagas. Matemáticamente: q q F k d La fueza F es mayo cuanto mayoes sean las cagas q o q y disminuye cuando la sepaación (d) ente ellas aumenta. k es una constante de popocionalidad, cuyo valo depende del medio en el cual se encuentan las cagas y del sistema de unidades escogido. k se denomina constante electostática o dieléctica de cada sustancia.
5 Unidades de Caga Eléctica: Sistema Intenacional (S.I.): Valo de k paa distintos mateiales Mateial (Nm²/C²) Vacío 0 Paafina 4,6 0 Mica,8 0 Papel paafinado 4,0 0 Poliestieno 8,56 0 Baquelita,04 0 Cibolito,5 0 Vidio ogánico,64 0 Vidio,6 0 Aie 0 Mámol,0 0 Ebonita,7 0 Pocelana,50 0 Micalex, 0 Micata A y B,0 0 Batista banizada, 0 Goma en hojas,5 0 Polietileno, 0 En el S.I., es el Coulomb (C) que se define como la caga que colocada a un meto de distancia de ota caga igual en el vacío, la epele con una fueza de x 0 N. Sistema Absoluto (c.g.s.): En el sistema cegesimal es el Statcoulomb (stc) que se define como la caga que colocada a un centímeto de distancia de ota caga igual, la epele con una fueza de d. Un cuepo cagado elécticamente tiene un númeo enteo de electones en exceso o en defecto. Po esta azón se dice que la caga está cuantizada. Millikan demostó expeimentalmente que la caga del electón es igual a,6 x 0 C.
6 q e,6 x 0 C Ejecicios esueltos: Resuelve los siguientes poblemas: (a) Detemina el valo de la fueza ente las cagas q x 0 C y q,5 x 0 C, si la distancia que las sepaa es de 0,8 cm q x 0 C q,5 x 0 C d 0,8 cm 8 x 0 m q q F K d 0 N m C ( 0 C)(,5 0 C) ( 8 0 m) F 6, x 0 8 N (b) Detemina el valo de la fueza ente las cagas q 00 stc y q 60 stc, si la distancia ente éstas es de 0 cm q 00 stc q 60 stc d 0 cm q q F K d d cm stc ( 00 stc)( 60 stc) ( 0 cm) F 40 d (c) Calcula la fueza esultante que actúa sobe la caga q y sobe la caga q del ejemplo. Ejemplo : Tes cagas se encuentan sobe una misma ecta, como indica la figua. q x 0 7 C q x 0 7 C q 4 x 0 7 C 0, m 0, m Fueza esultante sobe q : F K q q 0 0 ( + ) ( 0, + 0,) 4 0, 0 N
7 F qq K 0 0 0, 0 5,4 0 N F F F 5,4 x 0, x 0 F 0,04 N Fueza esultante sobe q : qq K 0 0 0, 0 F qq K 0 0 0, 4 0 F F F F 0,08 0,054 F 0,06 N 0,054 N 0,08 N (d) La figua muesta tes cagas colocadas en los vétices de un tiángulo ectángulo. Calcula la fueza esultante que actúa sobe q si q C, q C, q C, 0 cm, 0 cm. Se calcula mediante el teoema de Pitágoas: + 0, + 0, 0, m
8 qq 0 F K,8 0 0, qq 0 F K 6 0 0, Cálculo del ángulo que foman los lados y : N N tanθ 0 0 θ tan º4 4,4 Po lo tanto, el ángulo que deteminan los vectoes F y F es: 80 º º4 4,4 46º8 5,7 Se calcula la fueza esultante mediante el teoema del coseno: F F + F + F F cos46º8 5,7 F ( 6 0 ) + (,8 0 ) + ( 6 0 )(,8 0 ) cos46º8 5, 7 F 4, x 0 N (e) Po una lámpaa eléctica pasan,5 C cada segundo. Cuántos electones epesenta esta caga? e nº e,6 0,5 C C e,5 C/ nº e,6 0 C/ nº e,565 x 0 electones (f) El adio de otación del electón alededo del potón en un átomo de hidógeno es de 5, x 0 cm. Calcula la fueza electostática que se ejece en estas cagas. q,6 x 0 C (caga del potón) q,6 x 0 C (caga del electón) 5, x 0 cm 5, x 0 m F?
9 q q F K 0 N m C (,6 0 C)(,6 0 C) ( 5, 0 m) F 8, x 0 8 N
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