Mecánica. Física 3 ECyT UNSAM 2016 clases 1 y 2. Textos. Introducción al electromagnetismo.

Transcripción

1 Física 3 ECT UNSAM 6 clases Intoucción al electomagnetismo Docentes: Diego Rubí Salvao Gil Textos R. Hallia, D. Resnick M. Kane, Física paa estuiantes e ciencias e ingenieía, 4ª e., vol. II (México, 99). Seas, F. et al., Física Univesitaia: Volumen II (Aison Wesle Longman, México D.F., 999). G. Wilson, Física, Pentice Hall, México, 997. D. Giancoli, Física: Pincipios aplicaciones, Pentice Hall, México, 997. Getts, Kelle, Skove Fisica Clásica Moena Mc Gaw-Hill México, tml Mecánica Galileo- Kepple Newton (59-65) Logos Lees e la mecánica P F ma F t F Le e la gavitación Univesal F m m G ˆ ˆ Descibi el movimiento e los cuepos en la Tiea Descibi el movimiento e planetas cometas Conoce el pesente, pasao futuo e sistema sola (Univeso conocio) 3

2 Electicia Magnetismo Cuato lees básicas Le e Coulomb Las cagas elécticas se ataen o epelen Le e Gauss Magnetismo No ha polo magnéticos aislaos Le e Ampee Las coientes genean campos Magnéticos Le e Inucción e Faaa Campos magnéticos en movimiento genean campos elécticos. Tensiones elécticas 4 Le e Coulomb Gauss Las cagas elécticas se ataen o epelen Le e Gauss Magnetismo No ha polo magnéticos aislaos Lees básicas F K e q q 5 Lees básicas Le e Ampee Las coientes genean campos Magnéticos Le e Inucción e Faaa Un campo magnético vaiables (flujos vaiable) genea un campo eléctico o tensión 6

3 Electicia Magnetismo Los antiguos giegos a conocían las popieaes el ámba (c. 6 ac- Tales) También se conocían las popieaes magnéticas e alguna pieas Coulomb Fanklin ( 75) Fenómenos elécticos Ampee ( 8) Faaa ( 83) Los fenómenos elécticos magnéticos se unifican ente si. Suge el Electomagnetismo 7 Electomagnetismo El telégafo eléctico (S. Mose, 833, peceio po Gauss Webe, 8 A. Gaham Bell: el teléfono (876) Thomas Alva Eison: lámpaa incanescente (879), coiente continua Ecuaciones e Maxwell -875 H. R. Hetz: onas electomagnéticas G.Maconi: Raio comunicaciones 899 G. Westinghouse N. Tesla: el suministo e coiente altena (886) Guea e las coientes Seguna Revolución Inustial Siglo XX 8 Clase e Ho: Electostática Cagas elécticas Consevación e la caga Cuantización caga Aislaoes conuctoes Le e Coulomb Campo Eléctico 9 3

4 Amba Ελεκτρον (Elekton) Piea colo ámba que, al fotala con sea o lana, aquiee una popiea nueva: la e atae hilachas, pelusas cuepecitos pequeños. Después e se fotao Elekton La palaba electicia poviene e la palaba giega electón, que significa ámba. Esta es una esina petificaa e un ábol. Los antiguos sabían que si fotaban una baa e ámba con un paño, el ámba ataía pequeños peazos e hojas o cenizas. Tales e Mileto c ac - Fue el iniciao e la inagación acional el univeso Demostaciones Fotamiento e una egla e plástico El Moelo Atómico Es un moelo paa la mateia que a cuenta e muchas e sus popieaes, incluia las elécticas. La mateia es e natualeza esencialmente eléctica, e hecho es la fueza eléctica la que liga los electones al núcleo Electones (-) El núcleo, cagao () atae a los electones (-) Núcleo: Potones () Neutones() 4

5 Átomo es Elécticamente Neuto Electones ( - ) Potones () Neutones En un átomo neuto el Nº e Potones Nº Electones 3 Cuáno un cuepo está elécticamente cagao? (-) - () Descagao: Si el Nº e cagas () (-) son iguales. Negativo: si tiene un exceso e electones. Positivo: si tiene un éficit e electones. 4 CÓMO SE CONSIGUE QUE UN CUERPO SE ELECTRICE? Si po algún mecanismo se loga que los electones libes e un cuepo pasen a oto, un cuepo peeá electones (se electiza positivamente) el oto ganaá electones (se electiza negativamente). 5 5

6 Iones Cuano un átomo o molécula piee o gana uno o más electones, se tansfoma en un ión. Cle - Cl - Ion negativo Na -e - Na Ion Positivo En un cistal e NaCl (sal común) los iones () (-) se ataen esto le a estabilia al cistal 6 Fuezas ente cagas Las cagas el mismo signo se epelen Las cagas e istinto signo se ataen. 7 Conuctoes Aislaoes Cuepo al cual se le colocan cagas en la zona que se inica Posibles compotamiento Las cagas pemanecen en el luga en que se las coloco Las cagas se istibuen en la peifeia e too el cuepo. Nombe: AISLADOR CONDUCTOR 8 6

7 Conucto electizao En los conuctoes la caga se istibue en la supeficie el mismo 9 Conuctoes Aislaoes (Conceptos Relativos) Mateiales que conucen la electiciaconuctoes Otos que no paecen conucila Aislaoes. Conuctoes Aislaoes (Conceptos Relativos) No cicula coiente - H O 7

8 Conuctoes Aislaoes (Conceptos Relativos) Si cicula coiente NaCl - H O Conuctoes Aislaoes El Viio a tempeatua ambiente es aislao Peo que pasa si se caliente? Las popieaes e conucción vaían epenieno e la coniciones físicas. Conuctoes Aislaoes Semiconuctoes 3 Consevación e la caga eléctica La caga eléctica satisface el pincipio e consevación que lo poemos enuncia como, la caga total e un cuepo o sistema es la suma algebaica e las cagas e sus componentes. Unia e caga eléctica antes q i q espues Hasta ho, se conoce una caga eléctica mínima negativa llamaa caga electónica. Su valo es: e * -9 C e x -9 C De manea análoga, la caga el potón, es la unia más pequeña e caga positiva su valo e.6.6 * -9 x C -9 C Mientas que el neutón, que es elécticamente neuto posee caga nula. f 4 8

9 PROPIEDADES DE LOS CUERPOS CARGADOS Un cuepo sólo puee ecibi o cee cantiaes e caga eteminaas po númeos enteos e electones (e - ). No ha cagas menoes aislaas (Los Quaks no existen en foma aislaa) 5 Cuantización e la caga Las cagas e las patículas elementales son o múltiplos enteos e ±e - A esta afimación se conoce como cuantización e caga. Q N e A pati e la consevación e la caga efinición e iguala e cagas poemos efini múltiplos ( submúltiplos) e una caga aa. 6 ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO Al fota un cuepo neuto con oto, algunos e los electones e un mateial pueen pasa al oto, epenieno a sus popieaes. 7 9

10 ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO Al pone en contacto un cuepo neuto con oto electizao, se pouce tansfeencia e electones. Ambos cuepos quean electizaos con cagas e igual signo. 8 ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN Al aceca un cuepo cagao (inucto) a uno neuto (inucio), se pouce en éste una polaización. Si se conecta el cuepo a tiea, se pouce tansfeencia e electones, queano el cuepo inucio electizao con caga e ifeente signo al inucto. 9 ELECTROSCOPIO Cagas e un mismo signo llegan a ambas hojas metálicas, po lo tanto estas se epelen. Lo mismo pasa con las cagas el pelo 3

11 Caga electostática Caga po fotamiento Caga po fotamiento Caga po inucción Geneao en Van e Gaff 3 Fueza eléctica Chales A. Coulomb ( ), físico fancés investigó las fuezas elécticas aleeo el año 78, utilizano una balanza e tosión mu simila a la CAVENDISH Meición e la fueza Chales Agustín Coulomb Balanza e tosión Desea sabe algo más e Chales Coulomb? Puee consulta a la siguiente iección en la Web : 3 a) Cómo epene e la cantia e caga? q A q B F q A 3q A mq A q B q B nq B F 6F mnf Es eci, lógicamente se euce que, las fuezas elécticas son iectamente popocionales al poucto e las cagas; es eci F e K q A q B (K es una constante e popocionalia) 33

12 b) Cómo epene e la istancia? Paa espone a esto la lógica no es suficiente: se equiee e un expeimento. Coulomb ealizó algo como: ángulo α F e F g tg α F e F g Como poemos conoce F g mg mei α, conocemos F e α 34 Le e Coulomb La magnitu e la fueza e atacción o epulsión es iectamente popocional al poucto e las cagas e invesamente popocional al cuaao e la istancia que las q sepaa. F K e q 35 Unia e caga eléctica (C) Diemos que una caga eléctica es e Coulomb ( C), si colocaa a meto e ota iéntica, se epele con ella con una fueza e 9 x 9 Newton cuano el meio en que se encuentan es el vacío. Vacío 9x 9 N C C 9x 9 N meto Poblema históico 36

13 En la páctica, se usa la pemitivia el vació ε 9 k e 9. N. m / c 4 πε one ε se llama pemitivia e vacío. 7 ε * 4 c π La magnitu e la fueza e Coulomb puee escibise como: q q F 4 πε Foma vectoial puee se escita como: q q F ˆ 4 πε one ˆ es el veso unitaio. N m C Si q q son el mismo signo la fueza es epulsiva si tienen istinto signo la fueza es atactiva. 37 Cagas en movimiento Coientes Coiente Caga que pasa po unia e tiempo. Uniaes: Ampee C q [ i ] A Ampee s i t q v i q. v 38 Natualeza vectoial e la fueza eléctica Consieemos el sistema e cagas puntuales, se esea obtene el valo e la fueza esultante e las fuezas ebio a la inteacción eléctica e las cagas: q b, q c, q,... sobe la caga q a F Supeposición e fuezas electostáticas po suma vectoial. La fueza esultante sobe q a, seá la suma vectoial e las fuezas componentes. Po ejemplo, la fueza que ejece q b sobe q a es: q q q q k k ˆ a b ab a b ab ab ab 3 ab ab en foma análoga paa las fuezas que ejecen q c, q,... sobe q a. 39 3

14 Supepoción Lineal e las Fuezas Po lo tanto, la fueza esultante sobe q a seá Fa Fab Fac Fa.. o escita e la siguiente foma: F a 4πε i kq q a ai i i ai q q a i 3 ai ai Pincipio e supeposición 4 Cálculos e fuezas a) Distibuciones iscetas Consieemos tes cagas positivas "q". Se esea etemina la magnitu iección e la fueza esultante que actúa sobe la caga en "a". F bc c F ac a F ab F ac b Es mu impotante tene en cuenta las popieaes e simetía el poblema son las fuezas e epulsión ebias a b c sobe a 4 q, Poblema Datos Incognitas q q F q 3.3 µc Ha un punto q q.5m one F k e Es mu impotante F tene en cuenta las Done? popieaes e q simetía el poblema F q, q 4 q 3 q centoie 4 4

15 Agaecimiento Algunas figuas ispositivas fueon tomaas e: Clases e E. M.e V.H. Ríos UNT Agentina Clases E. M. el Colegio Dunalastai Lta. Las Cones, Santiago, Chile Ángel López FIN 43 Campo Eléctico Clase Revisión e los visto Campo Eléctico Aplicaciones Diego Rubí Salvao Gil 44 Electicia Magnetismo Cuato lees básicas Le e Coulomb Las cagas elécticas se ataen o epelen Le e Gauss Magnetismo No ha polo magnéticos aislaos Le e Ampee Las coientes genean campos Magnéticos Le e Inucción e Faaa Campos magnéticos en movimiento genean campos elécticos. Tensiones elécticas 45 5

16 Lees básicas Le e Coulomb Gauss Las cagas elécticas se ataen o epelen Le e Gauss Magnetismo No ha polo magnéticos aislaos F k e q q 9 k e 9. N. m 4 πε / c 46 Lees básicas Le e Ampee Las coientes genean campos Magnéticos Le e Inucción e Faaa Un campo magnético vaiables (flujos vaiable) genea un campo eléctico o tensión 47 Popieaes e las cagas Consevación e la caga Cuantización e la caga Le e Coulomb Pincipio e supeposición q q F ke q q 4πε 9 k e 9. N. m 4 πε / c La mateia es e natualeza esencialmente eléctica, e hecho es la fueza eléctica la que liga los electones al núcleo 48 6

17 F Pincipio e supeposición e las fuezas elécticas Neta ( q ) F ( q ) a i a Las fuezas elécticas son muchísimas más fuetes que las fuezas gavitatoias ~ 4 k g F G m m G ˆ Fe F g 4 i F q q 4 πε 9 ε 8.85 c / N. m k e 8.98 N. m / c 6.67 N. m / kg 4 πε 49 ˆ Concepto e Campo Campo e Tempeatuas (escala) Aula Temómeto º C P 3º C Estufa 7º C 6º C 5º C 4º C Pueta Líneas e Campo e tempeatuas Isotemas 5 Concepto e Campo Escala La intensia el Campo e Tempeatuas en el punto P coespone al valo que mie el temómeto en P Es una magnitu escala puesto la tempeatua lo es 4ºC P Poemos asocias a caa punto e aula una tempeatua T ( x,, z) Campo Témico Si la tempeatua vaía con el tiempo T ( x,, z, t) Campo Témico Estático 5 7

18 Concepto e Campo Gavitatoio Si consieamos la Tiea en su totalia, DEFINIMOS Fg M g G ˆ m Fg g m Tiea Aquí g es constante La intensia e campo; g, epene e M. 5 CAMPO ELÉCTRICO E q CAMPO ELÉCTRICO e UNA CARGA PUNTUAL Q q Q, caga e pueba OJO El campo E NO epene e q, Solo e Q Lim F q Q q F 4 πε Q E ˆ 4πε Campo Eléctico; Fueza po unia e caga que se ejece en un punto P e espacio sobe una caga e pueba q E F q F q E 53 Líneas e Campo Eléctico Iea intoucia po M. Faaa. Las líneas e campo en caa punto tienen la iección el campo El númeo e líneas po unia e áea, es popocional a la intensia el campo E Dan una iea gafica e la iección e intensia el campo E 54 8

19 Campo Eléctico (paa una caga puntual Q ) Se paecen mucho a las líneas el campo gavitacional e un planeta F Q q 55 Campo Eléctico (paa una caga puntual Q - ) Se paecen mucho a las líneas el campo gavitacional e un planeta F Q - q - 56 Campo Eléctico (paa una caga puntual Q) A una Distancia e una caga eléctica Q, la intensia e Campo Eléctico (E) es, según la Le e Coulomb: E q Q F e K e Q q F e q K e Q Q Q E ke ˆ ˆ 4πε q 57 9

20 Campo Eléctico (paa un ipolo eléctico ) Las líneas e campo son, si ambas cagas son e signo contaio: Ceca e caa caga Peo e moo más geneal Dipolo Q -Q Q -Q 58 E Campo eléctico. Sistema e cagas Pincipio e supeposición e campos: El campo neto ceao po un sistema e cagas es la suma vectoial e los campos ceaos po caa una e las cagas el sistema. Distibución continua Cagas iscetas e caga Total Ei i i q k i 3 i E Total E k q i 3 59 Líneas e campo en esfeas planos Plano simetía Esfea con caga negativa Simetía esféica Plano positivo Simetía plana 6

21 Líneas e campo paa ipolos Plano simetía Dos cagas positivas Caga positiva caga negativa Dipolo eléctico 6 Campo eléctico e una vailla cagao, Q, L E -L/ -x λ. x E ke 3 k e E θ E x λ x ( x ) λq/π.a λq/l x cosθ q E ˆ 4πε λ. x E cosθ 4πε Q E πε x L/ L / λ. x L/ x E ke k 3 eλ 3/ L / 3/ ( x ) L /. L 4 6 Campo eléctico sobe el eje e un anillo cagao, Q, a λq/π.a α q E ˆ 4 πε λ a α E 4 πε θ E x λ a α E x cos θ 4 πε E Simetía E x λa cosθ 4πε ( a x ) π α E x λa cosθ ε πε Q x 3/ ( a x ) 4 ( a x63 )

22 Campo eléctico sobe el eje e un isco unifomemente cagao. Q x E x 3/ 4 πε ( a x ) σ Q/πR E x σ π a a x E x 4πε 3/ ( a x ) σ x R a a σ x Ex 3/ ε ( a x ) ε R 64x Campo eléctico sobe el eje e un isco unifomemente cagao e aios R σ x E x Lim R ε R x E x Si R>>x entonces Ex σ ε El campo es contante 65 Campo e os cagas iguales sobe el plano e simetía E E Componente x se anula ( ) E i x E x Componente NO se anula α kq q E (cosα) 4πε θ q / q / E q q. Esto no es un ipolo 4πε q. q E 3 3/ 4 πε ( ( / ) ) 4 πε El campo está en el plano e Simetías 3 3/ 4πε ( ( / ) ) Impotante tene en cuenta las Simetías 66

23 Campo e os cagas OPUESTAS - Dipolo E Componente x se anula ( ) E i E E Componente NO se anula α kq q / E x ( senα ) 4πε θ q / -q / E q q. x 3 3/ 4πε 4πε ( ( / ) ) Esto es un ipolo n n( n ) q. ( x) E x n x x /!! 4 πε ( ( / ) El campo está en el plano e Simetías ) E x 4 πε p 3 Impotante tene en cuenta las Simetías 67 po e un Dipolo θ n n( n ) Algo paa ecoa ( x) n x x...!! () q q / q / 4 E x senθ 4πε 4πε 8πε 3 θ E x - / / p q. E E x () x E () x q 4πε ( ( / ) ) El campo isminue más ápio que paa una caga puntual 68 3/ 3 3/ 3 3 ( ) x x x... x ( / ) 8 q 3... >> 3 4 πε E x E x p 3 4 πε Refeencias Física paa estuiantes e ciencias e ingenieía - R. Hallia, D. Resnick M. Kane, 4ª e., vol. II (México, 99). Física II - SERWAY R. FISICA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO E. CENGAGE LEARNING- Mexico 3 Física Univesitaia: Volumen II Seas, F. et al., (Aison Wesle Longman, México D.F., 999). G. Wilson, Física, Pentice Hall, México, 997. Física: Pincipios aplicaciones, D. Giancoli, Pentice Hall, México, 997. Física Clásica Moena Getts, Kelle, Skove -Mc Gaw-Hill México,

24 Agaecimiento Algunas figuas ispositivas fueon tomaas e: Clases e E. M.e V.H. Ríos UNT Agentina Clases E. M. el Colegio Dunalastai Lta. Las Cones, Santiago, Chile Ángel López FIN 7 4