Electricidad y Magnetismo. Ley de Coulomb.

Transcripción

1 Electricidad y Magnetismo. Ley de Coulomb.

2 Electricidad y Magnetismo. 2

6 Electricidad y Magnetismo. Electrización es el efecto de ganar o perder cargas eléctricas que tiene un conductor eléctricamente neutro. Existen 3 formas de electrizar 6

7 Electricidad y Magnetismo. Si el número de electrones de un átomo es igual al número de protones podemos decir que el átomo está eléctricamente neutro. - Orbitas electrónicas. Núcleo Electrones. Protones. Neutrones. 7

8 Electricidad y Magnetismo. Si en el átomo hay un mayor número de protones en el núcleo que electrones describiendo órbitas alrededor de este se dice que dicho átomo posee carga eléctrica positiva. Orbita electrónica. Núcleo Electrones. Protones. Neutrones. 8

9 Electricidad y Magnetismo. Si en el átomo hay un menor número de protones en el núcleo que electrones describiendo órbitas alrededor de este se dice que dicho átomo posee carga eléctrica negativa. - Orbita electrónica. Núcleo Electrones. Protones. - Neutrones. 9

10 Electricidad y Magnetismo. Electrización por contacto Se puede cargar un conductor con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga. Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres. 10

11 Electricidad y Magnetismo. Electrización por frotación Al frotar 2 cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. 11

12 Electricidad y Magnetismo. Electrización por Inducción: La barra electrizada (inductora) atrae electrones libres de la conductora (inducida). Estos electrones dejan a sus átomos con carga positiva en el otro extremo de la barra. La carga neta de la barra sigue siendo neutra. 12

13 Ley de Coulomb. Ing. y Físico Francés Charles de Coulomb ( ) La intensidad de la fuerza electrica de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa 13

14 Ley de Coulomb. a.- Se aplica a cargas puntuales pequeñas que se encuentran en reposo. b.- Es exacta cuando el tamaño de las cargas es menor a la distancia que los separa. c.- Cuando existen mas de dos cargas y se desea calcular la fuerza neta entre sobre una de ellas, el tratamiento es de carácter vectorial. 14

15 Ley de Coulomb. 15

16 Ley de Coulomb. Donde: F.- Fuerza eléctrica K.- Constante Q.- Carga eléctrica puntual d.- Distancia 16

17 Ley de Coulomb. Tener en cuenta que: Cargas de igual signo generan fuerzas de repulsión. Cargas de diferente signo generan fuerzas de atracción 17

18 Ley de Coulomb. 18

19 Ley de Coulomb. K = Constante de proporcionalidad Siendo K = 9 x10 9 Nm 2 C 2 Donde K = 1/4πξ o 19

20 Ley de Coulomb. Dos cargas puntuales q 1 Y q 2 de 25 nc y -75nC están a una distancia de 3 cm entre si. Encuentre la magnitud y sentido de las fuerzas que se establecen. F= 9x10 9 Nm 2 (25 x10-9 C)(-75 x 10-9 C) C 2 (0.030m) 2 F= x 10-3 N 20

21 Ley de Coulomb. Dos cargas puntuales están situadas sobre un eje X positivo de un sistema coordenado. q 1 = 1 nc esta a 2 cm del origen q 2 = -3nC a 4 cm del origen q 3 = 5nC situada en el origen Determine la fuerza total sobre la carga en el origen Ft. Q3 = µn + 84 µn -28 µn Dirigida hacia la izq. eje Negativo de X 21

22 Ley de Coulomb. Dos cargas puntuales sobre el eje Y iguales q 1 =q 2 =2µC interactúan con una tercera q 3 = 4µC Calcule la fuerza total sobre q 3 si q 1 y q 2 están a 0.6 m y q 3 se encuentra a 0.5m De cada una de ellas 22

23 Electricidad y Magnetismos 23

24 Electricidad y Magnetismos Una carga puntual contiene 50 x e - Calcular la carga en Coulomb. Resp. 8 C 24

25 Electricidad y Magnetismo Dos cargas puntuales de -6 µc y +8 µc se encuentran separadas en el aire 100 cm Calcular la fuerza eléctrica, realizar el grafico indicando la naturaleza de la fuerza Resp. F = N El signo indica fuerza de atracción 25

26 Electricidad y Magnetismo Tres cargas puntuales de +8 µc se ubican en los vértices de un triángulo equilátero calcular la fuerza neta en cualquiera de de las tres cargas Resp. F N = N 26

27 Campo Eléctrico. El estudio de Campo Eléctrico nos permite sustituir el concepto de acción a distancia (Observadas entre las cargas puntuales según Coulomb) por la propiedad del espacio. 27

28 Campo Eléctrico El vector Campo Eléctrico E permite calcular la fuerza que se ejerce sobre una carga q. Para presentar este concepto fijémonos en la repulsión mutua de dos cuerpos cargados positivamente A y B supongamos que B tiene una carga q o y sea F o la fuerza eléctrica de A sobre B. 28

29 Campo Eléctrico Una forma de considerar esta fuerza es como una fuerza de Acción a distancia o sea una fuerza que actúa a través del espacio vacío sin necesidad de ningún medio material La gravedad también puede considerarse como una fuerza de Acción a Distancia 29

30 Campo Eléctrico La manera más conveniente de visualizar la repulsión entre A y B es tomarlo un proceso de dos etapas. 1ro. Imaginemos que el cuerpo A por la carga que lleva modifica de las propiedades que del espacio alrededor de él, 30

31 Campo Eléctrico Luego el cuerpo B por la carga que lleva percibe que el espacio cambió su posición la respuesta de B es experimentar la Fuerza Fo Para ver este proceso de dos etapas consideremos primero el cuerpo A retiramos el cuerpo B y designamos la posición que tenía como punto P 31

32 Campo Eléctrico Decimos que el cuerpo cargado A produce un campo eléctrico en el punto P y en todos los puntos esféricamente alrededor de el. Aunque no exista carga en el punto P. 32

33 Campo Eléctrico Debemos decir que una carga puntual produce un Campo eléctrico en el espacio que la rodea pero este Campo Eléctrico no puede ejercer una fuerza neta sobre la carga de lo generó, Esto es un ejemplo del principio, general de que un cuerpo no puede ejercer una fuerza neta sobre el mismo (Si este principio no fuese válido usted, podría levantarse hasta el techo tirando de su cinturón) 33

34 Campo Eléctrico Por tanto la Fuerza Eléctrica sobre un campo cargado es ejercida por el campo eléctrico creado por otros cuerpos cargados. Para determinar experimentalmente si hay un campo eléctrico en un punto particular, colocamos un cuerpo cargado que llamaremos carga de prueba en ese punto. 34

35 Campo Eléctrico Si la carga de prueba experimenta una fuerza eléctrica, habrá un campo eléctrico en ese punto entonces. Este campo es producido por otras cargas sobre la carga de prueba. 35

36 Campo Eléctrico La Intensidad de Campo Eléctrico en un punto es el cociente entre la fuerza que ejerce el campo sobre una carga de prueba situada en ese punto y el valor de dicha carga. Donde: será siempre vectorial 36

37 Campo Eléctrico Módulo: Coincide con la fuerza que efectúa sobre la carga situada en el punto de análisis cuando el valor de la carga es igual a la unidad. Dirección: Coincide con la dirección de la Fuerza que actúa sobre la carga de prueba colocada en un punto. Sentido: Coincide con el sentido de la fuera que actúa sobre la carga eléctrica positiva situada en el punto considerado. 37

38 Campo Eléctrico 38

40 Campo Eléctrico Ing. L. Emilio Martinez Lugo. 40

42 Campo Eléctrico Campo Eléctrico creado por una carga puntual Q P r P positiva = q F Qq E = = K 2 q r q Siendo E la energía potencial eléctrica 42

43 Campo Eléctrico Cuál es el aumento del campo eléctrico si una carga de 2 x 10-9 Coulomb se acerca desde 8 cm hasta 4 cm. hacia una carga de -3 x 10-8 Coulomb. F 2 F 1 q C B E 2 A E 1 43

44 Campo Eléctrico F 1 = 9 x 10 9 Nm 2 /C 2 ( 2 x 10-9 C)(-3 x10-8 C) F 1 = x 10-5 N (0.08 m) 2 F 2 = 9 x 10 9 Nm 2 /C 2 (2x10-9 C)(-3 x10-8 C) F 2 = x 10-4 N (0.04m) 2 44

46 Campo Eléctrico Una carga de 25.5 µc se encuentra en el aire generando un campo eléctrico, Calcular su intensidad a 40 cm de distancia E = KQ/d 2 Resp. E = N/C Repulsión 46

47 Campo Eléctrico Q = 25.5 x10-6 C d = 40 cm = 0.4 m K = 9 x10 9 Nm 2 /C 2 E = KQ/d 2 E = 9 x 10 9 Nm 2 (25.5 X 10-6 ) C 2 (0.40M)2 E = N/C Intensidad de repulsión 47

48 Campo Eléctrico Tres cargas puntuales de -9nC, 10nC,y 25nC se encuentran en los vértices de un cuadrado de 50 cm de lado. Calcular la intensidad eléctrica neta sobre el cuarto vértice Resp. E N N/C 48

49 Campo Eléctrico Una carga puntual positiva q ubicada en el punto b, tan cerca de la carga Q también positiva La fuerza eléctrica que crea Q tiende a mover q hacia el punto a una distancia d. 49

50 Campo Eléctrico Es evidente que entre estos puntos a y b existe una diferencia pero De que tipo es? Inferimos que existe una diferencia de energía potencial entre los puntos a y b En éste caso simbolizaremos como V Al mismo tiempo la fuerza eléctrica efectúa trabajo al mover la carga q entre los dos puntos 50

51 Campo Eléctrico La diferencia de potencial eléctrico es el trabajo que se realiza, para mover una carga q puntual positiva desde el punto b hasta el punto a dentro del mismo campo eléctrico La diferencia de potencial eléctrico es una magnitud escalar 51

52 Campo Eléctrico Recordando que: ΔTrabajo : W = F x d q ΔV = Wba/q ΔV = ΔV = F x d q 52

53 Campo Eléctrico A medida que q se aleja de Q el potencial eléctrico creado por Q es cada vez menor Si q sale de la influencia de Q el potencial eléctrico sobre q es cero V = KQ d 53

54 Campo Eléctrico Superficies equipotenciales Son aquellas que se encuentran al mismo potencial. El Trabajo necesario para llevar una carga sobre una misma superficie equipotencial es cero. 54

55 Campo Eléctrico El trabajo efectuado por el campo eléctrico para llevar una carga desde una superficie equipotencial hacia otra diferente está Dada por: W = q x ΔV Siendo V = Voltaje una magnitud escalar llamada Potencial Eléctrico 55

56 Campo Eléctrico ALEJANDRO VOLTA ( ) Físico italiano, nació el 18 de febrero de 1745 en la ciudad italiana de Como La unidad principal de la diferencia de potencial es el Voltio y mide la energía que posee el campo por unidad de carga pero en forma escalar 56

57 Campo Eléctrico Podemos definir entonces: Diferencia de Potencial ddp. La diferencia de potencial eléctrico es el trabajo que se realiza para mover una carga q puntual positiva desde el punto b hasta el punto a dentro de un mismo campo eléctrico. 57

58 Campo Eléctrico Expresado en forma matemática V = KQ d Donde: V voltaje K constante dieléctrica d distancia de la carga al punto 58

59 Campo Eléctrico Ej: Una carga eléctrica 4.5 x 10-8 C se encuentra ubicada a 50 cm de un punto. Cuál es el potencial eléctrico en dicho punto? V = KQ/d = 9 x 10 9 Nm 2 (4.5 x 10-8 C) C 2 (0.5 m) V = 810 Nm/C V = 810 J/C V = 810 v 59

60 Campo Eléctrico Una carga eléctrica crea un potencial de 220 V A 120 cm Cuál es la magnitud de la carga? V = KQ/d => Q = Vd/k Q = (220V)(1.20m) 60

61 Corriente Eléctrica Llamaremos corriente eléctrica al flujo de electrones libres a través de un conductor, impulsados por una diferencia de potencial 61

62 Corriente Eléctrica Dado que los electrones tienen carga negativa, se mueven de las zonas de menor potencial hacia las zonas de mayor potencial. Es decir del polo negativo al polo positivo siguiendo la dirección contraria al Campo E. 62

63 Corriente Eléctrica En un conductor la corriente depende de la velocidad de arrastre de las partículas cargadas en movimiento, de su concentración, y de sus cargas, la densidad de corriente es la corriente por unidad de área. 63

64 Corriente Eléctrica Intensidad de corriente Eléctrica. El Ampere Es una magnitud física escalar que mide la cantidad de carga eléctrica que pasa por la sección recta de un conductor en una unidad de tiempo 64

65 Corriente Eléctrica 65

66 Corriente Eléctrica Ampere = Coulomb Segundo = Q t Es la cantidad de carga que circula por un conductor 1 Coulomb = 6.25 x 10 x 18 e Se llama así en honor a André María Ampere ( ) 66

67 Corriente Eléctrica El Voltio Para que haya circulación de electrones debe haber una diferencia de potencial eléctrica. 67

68 Corriente Eléctrica El voltio está dado por el trabajo W desplegado por un Joule J para trasladar la carga Q de un Coulomb E = W Q Un Voltio = 1 Julio 1 Coulomb 68