ELECTROESTÁTICA. Física 1º bachillerato Electroestática 1

Transcripción

1 ELECTROESTÁTICA 1. Naturaleza eléctrica. 2. Interacción electroestática. 3. Campo eléctrico. 4. Energía potencial eléctrica. 5. Potencial eléctrico. 6. Corriente eléctrica continua. 7. Ley de Ohm. 8. Asociación de resistencias. Física 1º bachillerato Electroestática 1

2 1. NATURALEZA ELÉCTRICA La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos por la que se pueden atraer o repeler, aunque generalmente la materia es neutra. Hay dos tipos de fuerza: Atractiva. Repulsiva. Por lo que implica la existencia de dos tipos de carga: Positiva (+). Negativa (-). Las cargas del mismo signo se atraen y las de signo opuesto se repelen. La unidad de carga eléctrica es el culombio (1 C = carga de e-). Un cuerpo que tiene un exceso de e- (carga negativa) resulta cargado negativamente y, viceversa, al perder e- queda cargado positivamente. Física 1º bachillerato Electroestática 2

3 1. NATURALEZA ELÉCTRICA La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones y que determina las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. + Física 1º bachillerato Electroestática 3

4 1. NATURALEZA ELÉCTRICA Principio de conservación de la cantidad de carga eléctrica: Las cargas eléctricas se producen por pareja, por lo que, el total de cargas eléctricas positivas producidas es igual al de las negativas. La carga eléctrica se conserva en un sistema cerrado, la suma total de cargas positivas y negativas no varía. Cuantización de la carga eléctrica: La carga eléctrica está cuantizada, cualquier carga eléctrica debe ser múltiplo entero de la unidad de carga natural (que es el electrón, 1 e- = C). Física 1º bachillerato Electroestática 4

5 Ley de Coulomb: 2. INTERACCIÓN ELECTROESTÁTICA La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas (es una magnitud vectorial como todas las fuerzas). Ecuación de la ley de Coulomb: q1 q2 Fe K u K 1 2 r d 4 La constante dieléctrica o permitividad (ε) es una característica del medio que indica la forma de relacionarse las cargas en dicho medio. Física 1º bachillerato Electroestática 5

6 2. INTERACCIÓN ELECTROESTÁTICA F qq' F q'q q q' q q' Las dos cargas sufren la misma fuerza con el mismo módulo y la misma dirección pero con sentidos opuestos sobre cada una de ellas. Física 1º bachillerato Electroestática 6

7 2. INTERACCIÓN ELECTROESTÁTICA El culombio (C): El culombio es la carga que repele a otra igual, en el vacío, situada a una distancia de un metro y con una fuerza de N. 2 N m C K = ε o = C N m 2 Física 1º bachillerato Electroestática 7

8 EJERCICIO-EJEMPLO Tres cargas de 1, -2 y 3 C se encuentran situadas en tres vértices consecutivos, respectivamente, de un cuadrado de 3m de lado. Calcula la fuerza a la que someten a una cuarta carga de -4 C situada sobre el último vértice. Física 1º bachillerato Electroestática 8

9 RELACIÓN DE EJERCICIOS FUERZA ELÉCTRICA Física 1º bachillerato Electroestática 9

10 3. CAMPO ELÉCTRICO El campo eléctrico o intensidad de campo eléctrico es la perturbación en el espacio originada por una carga, y está definida en un punto por un vector (E) igual a la fuerza ejercida en ese punto sobre la unidad de carga positiva (+1C). Es una magnitud vectorial que tiene la misma dirección y sentido que la fuerza ejercida sobre la unidad de carga positiva. Un campo eléctrico es uniforma cuando el vector intensidad de campo es el mismo en todos los puntos del campo. Ecuación del campo eléctrico: El campo eléctrico se mide en N / C. F q d e 1 E K u 2 r q Física 1º bachillerato Electroestática 10

11 3. CAMPO ELÉCTRICO El principio de superposición de campo eléctrico indica que la intensidad de campo eléctrico en un punto debido a la presencia de un sistema discreto de cargas es igual a la suma vectorial de las intensidades de campo eléctrico creados por cada una de ellas. Física 1º bachillerato Electroestática 11

12 EJERCICIO-EJEMPLO Cuánto valdrá el campo eléctrico en el punto (2,1) si colocamos cargas de 1, -2 y 3 C en (0,0), (0,4) y (5,1) respectivamente (las distancias están tomadas en metros)? Cuál será la fuerza que moverá una carga de 4 C situada en dicho punto? Física 1º bachillerato Electroestática 12

13 3. CAMPO ELÉCTRICO Las líneas de fuerza de un campo eléctrico (representación del campo eléctrico) son líneas imaginarias tangentes en cada punto al vector campo eléctrico en ese punto. Las líneas de campo nacen en las cargas positivas (fuentes) y terminan en las cargas negativas (sumideros). La densidad de líneas de campo es el número o cantidad de líneas que de forma imaginaria atraviesan una unidad de superficie. Física 1º bachillerato Electroestática 13

14 3. CAMPO ELÉCTRICO Una carga: Son radiales a la carga. Positiva. Salen de la carga. Negativa. Van hacia la carga. Física 1º bachillerato Electroestática 14

15 3. CAMPO ELÉCTRICO Varias cargas: El campo eléctrico total es la suma de los campos eléctricos creados por cada una de las cargas. Distinto signo. Mismo signo. Física 1º bachillerato Electroestática 15

16 3. CAMPO ELÉCTRICO Física 1º bachillerato Electroestática 16

17 3. CAMPO ELÉCTRICO Física 1º bachillerato Electroestática 17

18 RELACIÓN DE EJERCICIOS CAMPO ELÉCTRICO Física 1º bachillerato Electroestática 18

19 4. ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA La energía potencial eléctrica (E) en un punto es el trabajo que realizan las fuerzas del campo eléctrico creado por una carga puntual (q 1 ) para llevar otra carga puntual (q 2 ) desde un punto hasta el infinito (donde la fuerza eléctrica es nula). Es una magnitud escalar. A B q 1 q 2 r 12 Ecuación de la energía potencial eléctrica: q q E K d p 1 2 Se mide en julios (J). Física 1º bachillerato Electroestática 19

20 4. ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA El trabajo realizado cuando una carga eléctrica cambia de posición dentro de un campo eléctrico, desde un punto A hasta otro B, es igual a la variación de energía potencial eléctrica del sistema cambiado de signo. W E E E A B p P P A B W E E E E 0 E A p P P P P A A A Física 1º bachillerato Electroestática 20

21 4. ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA Las cargas eléctricas positivas se mueven espontáneamente de energías potenciales mayores a menores y las cargas negativas lo hacen al revés (de menores a mayores energías potenciales). Física 1º bachillerato Electroestática 21

22 EJERCICIO-EJEMPLO Tres cargas de 1, -2 y 3 C se encuentran situadas en tres vértices consecutivos, respectivamente, de un cuadrado de 3m de lado. Calcula el trabajo necesario para que una cuarta carga de -4 C situada sobre el último vértice llegue hasta el centro del cuadrado. Razonar el signo del trabajo. Física 1º bachillerato Electroestática 22

23 5. POTENCIAL ELÉCTRICO El potencial eléctrico (V) en un punto del campo eléctrico es la energía potencial que posee la unidad de carga positiva en ese punto. Ecuación del potencial eléctrico: V Ep q K q d 1 Es un magnitud escalar. q B A Se mide en voltios (V). r B r A Física 1º bachillerato Electroestática 23

24 5. POTENCIAL ELÉCTRICO La diferencia de potencial (tensión o voltaje) es el trabajo necesario para desplazar cualquier carga entre dos puntos. V A W q AB VB E ( A) E ( B) p q p Física 1º bachillerato Electroestática 24

25 5. POTENCIAL ELÉCTRICO q + A Una carga eléctrica se mueve espontáneamente desde A hasta B siguiendo una línea de fuerza. El trabajo lo realizan las fuerzas del campo. Se considera positivo. B + + A B + q Ahora obligamos a la carga a moverse desde B hasta A contra las fuerzas del campo. El trabajo lo realizamos nosotros. Se considera negativo. Física 1º bachillerato Electroestática 25

26 5. POTENCIAL ELÉCTRICO Las superficies equipotenciales son el lugar geométrico del espacio donde todos los puntos tienen el mismo potencial. No se cortan y son perpendiculares a las líneas de campo. La carga que se mueve por una superficie equipotencial no realiza trabajo alguno. Física 1º bachillerato Electroestática 26

27 EJERCICIO-EJEMPLO Una carga de +3 μc está situada en el vacio en el origen de coordenadas del plano cartesiano: a)calcula el potencial en los puntos A(3,0) y B(0,6). b)determina la ddp entre A y B. c)descubre el trabajo necesario para llevar una carga de 2 ρc desde A hasta B. d)razonar el signo del trabajo. Física 1º bachillerato Electroestática 27

28 RELACIÓN DE EJERCICIOS POTENCIAL Y ENERGÍA POTENCIAL Física 1º bachillerato Electroestática 28

29 6. CORRIENTE ELÉCTRICA CONTINUA Una corriente eléctrica es un movimiento ordenado y continuo de carga eléctrica. La cantidad de carga eléctrica dentro de un circuito se conserva Física 1º bachillerato Electroestática 29

30 6. CORRIENTE ELÉCTRICA CONTINUA Las cargas se comportan de distinta manera según el tipo de material en el que se encuentren: Conductores: En los conductores en equilibrio, las cargas eléctricas están libres en la superficie. En su interior no existen cargas eléctricas y el valor del campo es nulo. Aislantes. En los aislantes o dieléctricos, las cargas pueden estar situadas en cualquier punto y no se pueden mover. Física 1º bachillerato Electroestática 30

31 6. CORRIENTE ELÉCTRICA CONTINUA La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que circula en un conductor atravesando una sección transversal por unidad de tiempo. Ecuación de la intensidad de la corriente eléctrica: q t Se mide en amperios (A). I Física 1º bachillerato Electroestática 31

32 6. CORRIENTE ELÉCTRICA CONTINUA La resistencia eléctrica es la dificultad que encuentran las cargas para moverse dentro del conductor. Es directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a la sección. Caracteriza a los materiales a través de la resistividad o coeficiente de resistividad (resistencia de un material de 1 m de longitud y 1 m 2 de sección). Ecuación de la resistencia eléctrica: Se mide en ohmios (Ω). R V I Física 1º bachillerato Electroestática 32

33 7. LEY DE OHM La ley de Ohm: La intensidad de corriente que atraviesa un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencia a la que está conectado, siendo la resistencia la constante de proporción. Ecuación de la ley de Ohm: VAB I R Física 1º bachillerato Electroestática 33

34 7. LEY DE OHM La fuerza electromotriz (fem) es la energía que suministra el generador a la unidad de carga que pasa por él. W W q I t Es una magnitud que mide la capacidad de un generador eléctrico para suministrar energía a la unidad de carga que pasa por él Física 1º bachillerato Electroestática 34

35 7. LEY DE OHM La energía disipada se conoce como el efecto térmico de la corriente eléctrica o efecto de Joule, es la energía disipada como calor de un dispositivo eléctrico: Q = R I 2 t La potencia eléctrica es la energía disipada por unidad de tiempo, es una medida de la rapidez con la que el dispositivo eléctrico transforma energía eléctrica: P = R I 2 Física 1º bachillerato Electroestática 35

36 EJERCICIO-EJEMPLO Determinar el trabajo realizado por un motor durante una hora y media de funcionamiento que genera una fem de 4,5 V entre dos puntos con una diferencia de potencial de 2,5 voltios sabiendo que existe una resistencia de 3 ohmios. Calcular la cantidad de carga eléctrica que circula. Física 1º bachillerato Electroestática 36

37 RELACIÓN DE EJERCICIOS CORRIENTE ELÉCTRICA Física 1º bachillerato Electroestática 37

38 Asociación en serie: 8. ASOCIACIÓN DE Intensidad de corriente: RESISTENCIAS La intensidad de corriente es la misma en toda la asociación. Diferencia de potencial: La diferencia de potencial es la suma algebraica de las diferencias de potencial. Resistencia equivalente: I V e e R e i 1 R 1 R 2 I I I La resistencia equivalente es la suma algebraica de las resistencias. n I i V n i 1 i R i Física 1º bachillerato Electroestática 38

39 8. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS I 1 R 1 Asociación en paralelo (derivación): Intensidad de corriente: La intensidad de corriente es la suma algebraica de las intensidades de corriente. Diferencia de potencial: La diferencia de potencial es el mismo en toda la asociación Resistencia equivalente: I e V A La inversa de la resistencia equivalente es la suma algebraica de las inversas de las resistencias. Física 1º bachillerato Electroestática 39 n I e i 1 V i n 1 1 R e i 1 i R i I I 2 R 2 B

40 8. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS V A V B V B V C V A R 1 V B R 2 V C A B C V A V C R 1 A R 2 B V A V B Física 1º bachillerato Electroestática 40

41 8. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS Física 1º bachillerato Electroestática 41

42 8. ASOCIACIÓN DE Asociaciones mixtas: RESISTENCIAS En las asociaciones mixtas se van sustituyendo las asociaciones por sus respectivas equivalentes. R 3 = 4 R 1 = 2 R 2 = 0,6 2 R 4 = 6 R 1 = 1 A C 3 4 D R 5 = 5 B Física 1º bachillerato Electroestática 42

43 8. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS Un galvanómetro es un dispositivo que detecta el paso de una corriente eléctrica. Los dos más comunes son: Amperímetro: Galvanómetro que mide la intensidad de corriente. Se conecta en serie. Voltímetro: Galvanómetro que mide la diferencia de potencial. Se conecta en paralelo. Física 1º bachillerato Electroestática 43

44 8. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS r r R R A R A Conexión de un amperímetro a un circuito V R V Conexión de un voltímetro a un circuito Física 1º bachillerato Electroestática 44

45 EJERCICIO-EJEMPLO Determinar la resistencia equivalente del siguiente circuito: Física 1º bachillerato Electroestática 45

46 RELACIÓN DE EJERCICIOS CIRCUITOS Física 1º bachillerato Electroestática 46