Electrostática. Introducción Cargas Eléctricas Conductores y Aislantes Ley de Coulomb Superposición de Fuerzas Eléctricas

Transcripción

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2 Electrostática Introducción Cargas Eléctricas Conductores y Aislantes Ley de Coulomb Superposición de Fuerzas Eléctricas

3 Introducción 600 a.c.- Griegos descubren que al frotar el ámbar rápidamente este atrae partículas pequeñas. Frotar el ámbar es un ejemplo de cómo generar una carga electrostática. La palabra griega equivalente a ámbar es electrón, y a partir de ahí surge la palabra electricidad. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. e = 1.6 x Es la fuente de la fuerza eléctrica.

4 1. Carga eléctrica Electrostática = estudio de las cargas eléctricas en reposo repulsión atracción Unidad de carga = el electrón e= x C

5 1.1 Constituyentes de la materia Partícula Masa (kg) Carga (C) electrón 9.1x x protón 1.67x x neutrón 1.67x ELECTRÓN Un átomo tiene el mismo número de electrones que de protones es neutro ; Ión positivo : le faltan electrones Ión negativo: tiene electrones añadidos

6 1.2 Conservación de la carga La carga ni se crea ni se destruye se tranfiere Entre átomos Entre moléculas Entre cuerpos La suma de todas las cargas de un sistema cerrado es constante

7 Formas de Generar Carga electrostática Por Conducción Cargas un objeto neutral cuando lo tocas con un objeto que tiene una carga neta. Por inducción Cargas un objeto neutral separando las cargas sin tocarlo.

8 Bola neutra Bola cargada negativa Carga por inducción Bola y varilla se repelen Igual carga Varilla de plástico lana Electroscopio. Al acercar una bolita cargada las láminas adquieren carga y se separan.

9 2. Conductores y aislantes Aislantes : materiales en los que la carga eléctrica no se puede mover libremente. Madera, plástico, roca Conductores: los electrones tienen libertad de movimiento. Metales,.. Semiconductores: se pueden comportar como conductores o como aislantes.

10 3.1 Ley de Coulomb. Fenomenología La fuerza entre cargas puntuales está dirigida a lo largo de la línea que las une. La fuerza varía inversamente proporcional con el cuadrado de la distancia que los separa y es proporcional al producto de las cargas. La fuerza es repulsiva si las cargas son del mismo signo y atractiva si son de signo diferente. r 1 r 2 q2 q1 F 12 r 12 F 21

11 Ley de Coulomb. Fórmula Fuerza ejercida por q1 sobre q2 k constante de Coulomb e 0 Permitividad del vacío 1 4e 0 k Nm C k e C Nm

12 Dónde: F = K. qq 1 r 2 F se mide en Newton (N). Q y q se miden en Culombios (C). r se mide en metros (m). K es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Coulomb. No se trata de una constante universal y depende del medio en el que se encuentren las cargas. En concreto para el vacío k es aproximadamente 9x10 9 N m 2.C 2

13 Superposición de Fuerzas Eléctricas Principio de superposición: Es posible determinar la fuerza neta sobre cualquiera de las cargas sumando las contribuciones individuales a la fuerza de cada una de las demás.

14 Superposición de Fuerzas Eléctricas q1 + F 32 q2 + + q3 F 3 F 31 Las fuerza F 3 sobre la carga q 3 es el vector suma de las fuerzas debidas a q 1 y q 2, consideradas independientemente.

15 Superposición de Fuerzas Eléctricas y x F 31 + q3 F 3 Cargas q 1 =+3.7μC, q 2 = -3.7μC, q 3 =+4.8 μc, Distancia 3.0 x 10-2 m F 32 q q2 -

16 Superposición de Fuerzas Eléctricas Magnitud de la fuerza F F k q N q N m r C m 2,3 2 6 C C F F k q 1 r 1,3 q 178 N N m 2 C C C m 2

17 Superposición de Fuerzas Eléctricas Dirección de la fuerza Los componentes verticales se cancelan (rojo) Componentes Horizontales son iguales en magnitud y dirección y se suman algebraicamente (azul) F F 31 sen 60 -F 32 sen 60 F F 31 cos 60 Fuerza Neta hacia la derecha 1 F 2 F3, 1 cos60 2(178 N) 178 N 2 F 32 cos 60

18 EJEMPLOS 1. Cual es la separación de dos cargas de -4nC si la fuerza de repulsión entre ellas es 200N. 2. La carga total sobre 2 esferas de metal, separadas 50 mm es de 80 μc. Si se repelen entre si con una fuerza de 800N. Cuál es la carga en cada esfera? 3. Determine la fuerza resultante con respecto a la carga q 2.

19 4. Considere tres cargas puntuales en las esquinas de un triángulo, como se muestra en la figura, donde q 1 = 6,00x10 9 C, q 2 = - 2,00x10 9 C y q 3 = 5,00x10 9 C. Encuentre la fuerza resultante sobre q3, en términos de las componentes y también en términos de magnitud y dirección.

20 5. Una pequeña esfera de masa m = 7,50 g y de carga q 1 = 32.0 nc se adjunta al final de una cuerda y cuelga verticalmente como en la figura. Una segunda carga de la misma masa y carga q 2 = -58,0 nc se encuentra por debajo de la primera a una distancia d = 2,00 cm por debajo de la primera carga como en la figura. a) Determine la tensión en la cuerda. b) Si la cuerda puede soportar una tensión máxima de 0,180 N, cuál es el valor más pequeño que d puede tener antes de que la cuerda se rompa?