INTERACCIÓN ELÉCTRICA

Transcripción

1 INTERACCIÓN ELÉCTRICA 1. La carga eléctrica. 2. La ley de Coulomb. 3. El campo eléctrico. 4. La energía potencial. 5. El potencial electroestático. 6. El campo eléctrico uniforme. 7. El flujo de campo eléctrico. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 1

2 0. CONOCIMIENTOS PREVIOS Los conocimientos previos que son necesarios dominar y ampliar son: Los tipos de cargas. Las fuerzas eléctricas. El campo eléctrico o intensidad de campo eléctrico. La energía potencia y el potencial. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 2

3 1. LA CARGA ELÉCTRICA La carga eléctrica es la propiedad de la materia que origina la interacción electromagnética. Su unidad es el culombio (C), es la cantidad de carga que atraviesa una sección de un conductor en un segundo cuando la intensidad de corriente es un amperio C C nc C pc C Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 3

4 1. LA CARGA ELÉCTRICA Hay dos tipos de carga (positiva y negativa) por lo que las fuerzas entre los cuerpos electrizados pueden ser de atracción (distinto signo) o de repulsión (mismo signo). La carga eléctrica está cuantizada y su unidad más elemental de carga es la carga del electrón (1, C). Cualquier carga es un múltiplo entero de este valor. Un culombio equivale a la carga de 6, electrones. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 4

5 1. LA CARGA ELÉCTRICA El principio de conservación de la carga eléctrica afirma que la carga eléctrica de un sistema aislado permanece constante. La suma algebraica de cargas positivas y negativas no varía. La carga se conserva, no se crea ni se destruye, simplemente pasa de un cuerpo a otro al pasar los electrones. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 5

6 2. LA LEY DE COULOMB La ley de Coulomb dice que la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales (q 1 y q 2, son muy pequeñas frente a la distancia que las separa) es directamente proporcional al valor de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa. F F r u r r q q F K u d Las fuerzas eléctricas son magnitudes vectoriales. Si la fuerza es negativa indica atracción, y viceversa, si es positiva denota repulsión. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 6

7 2. LA LEY DE COULOMB La constante (K) depende del medio en el que se encuentran las cargas. Esta dependencia viene dada por la constante dieléctrica o permitividad (ε) del medio. En el vacio: K 910 N m 910 C K 1 4 C N m Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 7

8 2. LA LEY DE COULOMB Según el principio de superposición (o adición vectorial) cuando una carga está sometida simultáneamente a varias fuerzas independientes, la fuerza resultante se obtiene sumando vectorialmente cada una de estas fuerzas. F T n F i2 Las fuerzas no varían ante la presencia de otras cargas, se pueden tratar de manera individual e independientes. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 8 i,1

9 2. LA LEY DE COULOMB Comparación entre las leyes de Newton y de Coulomb: A N A L O G I A S D I F E R E N C I A S Su expresión matemática es análoga Describen fuerzas que son proporcionales a la magnitud física que interacciona: las masas en las fuerzas gravitatorias, las cargas en las eléctricas En ambas leyes, las fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia La fuerza gravitatoria está asociada a la masa; la fuerza eléctrica a la carga La fuerza gravitatoria es de atracción (solo hay un tipo de masa); la fuerza eléctrica puede ser de atracción o de repulsión (hay dos tipos de cargas) La constante G no depende del medio; el valor de la constante K depende del medio en el que estén las cargas Tanto las fuerzas gravitatorias como las eléctricas son fuerzas centrales, es decir, actúan en la dirección de la recta que une las El valor de G es muy pequeño frente masas o las cargas, respectivamente. a K: la interacción gravitatoria es Son fuerzas centrales. mucho más débil que la eléctrica Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 9

10 EJERCICIO-EJEMPLO Dos esferas de 25 gramos están cargadas con idéntica carga eléctrica y cuelgan de dos hilos inextensibles y sin masa de 80 cm de longitud, suspendidos del mismo punto. Los hilos forman 30º con la vertical. Calcular la carga de cada esfera y la tensión del hilo. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 10

11 RELACIÓN DE EJERCICIOS FUERZAS ELÉCTRICAS Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 11

12 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Un campo es una región del espacio cuyas propiedades son perturbadas por la presencia de una partícula. Una carga (q) crea a su alrededor un campo de fuerzas que interacciona con cualquier carga (q ) situada E dentro del campo. P + Para describir un campo tengo: Magnitudes que definen el campo: intensidad y potencial. Magnitudes inherentes a la interacción del campo con la partícula: fuerza y energía potencial. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 12 + q u r

13 3. EL CAMPO ELÉCTRICO La intensidad de campo eléctrico (E) o campo eléctrico en un punto es la fuerza eléctrica que actúa sobre una unidad de carga (positiva) de prueba positiva colocada en ese punto. Su unidad es N / C. Es una magnitud vectorial. Su dirección es la línea recta que une la carga con el punto y su sentido el de la fuerza. F q1 E K u 2 q d Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 13 2 r

14 3. EL CAMPO ELÉCTRICO La intensidad de campo eléctrico (E) o campo eléctrico en un punto sería igual a la fuerza eléctrica que actúa sobre una unidad de carga (positiva) de prueba positiva colocada en ese punto. F q E K 1 u q d 2 2 En esta fórmula q 1 es la carga que origina el campo y q 2 es la carga que sufre (padece) el campo, esta última es la carga puntual. Cargas iguales de signo opuesto crean campos del mismo módulo y dirección, pero de sentido opuesto. r Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 14

15 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Según el principio de superposición de los campos eléctricos la intensidad de campo eléctrico en un punto debido a un sistema discreto de cargas es igual a la suma vectorial de las intensidades individuales e independientes debido a los campos de cada una de ellas. E Es una suma vectorial. i1 T n Ei Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 15

16 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Los sistemas de carga pueden clasificarse en: Discretos: Es una distribución de cargas por el espacio donde cada una de ellas se considera una carga puntual aislada del resto. Continuos: Se considera que toda la carga eléctrica está distribuida uniformemente en un volumen, como un todo. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 16

17 3. EL CAMPO ELÉCTRICO S I S T E M A D I S C R E T O S I S T E M A C O N T I N U O q 1 u ri q i q 2 E i P dq d u r r P + de E q 3 E 1 E E 2 K... n i 1 q E n i u 2 r i r i E i de E de dq K 2 r K u r dq r 2 u r Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 17

18 EJERCICIO-EJEMPLO Se tienen tres cargas en los vértices de un triángulo isósceles cuyas coordenadas, expresadas en cm, son: A (0,2), B (-3, -1), C (3, -1) Se sabe que las cargas situadas en los puntos B y C son iguales a 2 mc y que el campo eléctrico en el origen de coordenadas (centro del triángulo) es nulo. Determinar el valor de la carga situada en el vértice A Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 18

19 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Los campos de fuerza se representan mediante líneas de campo o líneas de fuerza. Las líneas de campo son líneas imaginarias y tangentes en cada punto al vector intensidad de campo. Se utilizan como modelo de la trayectoria que seguiría una unidad de carga eléctrica positiva e ideal al abandonarla en reposo en un punto del campo eléctrico. El número de líneas de fuerza por unidad de superficie es proporcional al valor de intensidad de campo (a mayor densidad mayor valor). Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 19

20 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Dada un distribución de cargas eléctricas: Las líneas de campo nacen en las cargas eléctricas positivas (fuentes de campo) y terminan en las cargas eléctricas negativas (sumideros de campo). Para cargas puntuales son radiales. Si no existen cargas positivas (o negativas) las líneas de campo empiezan (terminan) en el infinito. El número de líneas de campo que entran o salen de una carga es proporcional al valor de la carga. La densidad de líneas en un punto es proporcional al módulo del campo eléctrico en ese punto. La dirección es la de la tangente a la línea de campo en el punto y el sentido es el de la fuerza que ejercería sobre una carga puntual positiva en dicho punto. Las líneas de campo no pueden cortarse (no puede existir dos valores distintos de campo eléctrico en un mismo punto). Las líneas para un campo uniforme son rectas paralelas entre sí. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 20

21 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 21

22 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Un dipolo eléctrico es una distribución discreta formada por dos cargas iguales y opuestas (+Q y Q) separadas por una distancia d (pequeña frente a la distancia de dichas cargas al punto donde se estudia su efecto). Se caracteriza por su momento dipolar, es un vector con la dirección de la recta que une las cargas, con el sentido de la carga negativa a la carga positiva y cuyo módulo es el producto de una de las cargas por la distancia entre ellas. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 22 p Qd

23 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Las superficies equipotenciales son el lugar geométrico del espacio que contiene puntos con el mismo valor de potencial electroestático. Forman planos paralelos y son perpendiculares a las líneas de fuerza. El trabajo para mover una carga eléctrica por una superficie equipotencial es cero. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 23

24 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 24

25 3. EL CAMPO ELÉCTRICO Comparación entre los campos gravitatorios y eléctricos: A N A L O G I A S Son campos conservativos. Las líneas de fuerza son abiertas. Las fuerzas son centrales. Las fuerzas tienen la dirección de la intensidad. Las líneas de fuerza son perpendiculares a las superficies equipotenciales. Su circulación solo depende de los estados inicial y final (en una línea cerrada vale cero). D I F E R E N C I A S El campo gravitatorio no tiene fuentes. Las fuerzas gravitatorias son solo de atracción. Todo cuerpo genera un campo gravitatorio, solo los cuerpos cargados generan campo eléctrico. Una masa (en reposo o en movimiento) genera un campo gravitatorio. Una carga en reposo genera un campo eléctrico y una carga en movimiento genera una campo eléctrico y un campo magnético. Un campo eléctrico se puede apantallar, uno gravitatorio no. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 25

26 EJERCICIO-EJEMPLO Relacionar los mapas de líneas de fuerza y superficies equipotenciales con las siguientes situaciones: A) Dos cargas iguales y del mismo signo. B) Dos cargas iguales y de distinto signo. C) Dos cargas distintas y del mismo signo. D) Dos cargas distintas y de distinto signo. Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 26

27 Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 27

28 RELACIÓN DE EJERCICIOS CAMPO ELÉCTRICO Física 2º bachillerato Interacción eléctrica 28