C U R S O: FÍSICA MENCIÓN MATERIAL: FM-23 ELECTRICIDAD I. Cargas positivas y negativas. electricidad y carga eléctrica.

Transcripción

1 C U R S O: ÍSICA MENCIÓN MATERIAL: M23 ELECTRICIDAD I Los pimeos descubimientos de los cuales se tiene noticia en elación con los fenómenos elécticos, fueon ealizados po los giegos en la antigüedad. El filósofo y matemático Tales, que vivió en la cuidad de Mileto en el siglo V a.c., obsevó que un tozo de ámba, después de se fotado con una piel de animal, adquiía la popiedad de atae los cuepos ligeos (como tozos de paja y pequeñas semillas). Casi 2000 años después el médico inglés William Gilbet obsevó que otos mateiales se compotan como el ámba al fotalos y que la atacción que ejecen se manifiesta sobe cualquie oto cuepo, aún cuando no sea ligeo. Como la designación giega coespondiente al ámba es elekton, Gilbet comenzó a utiliza el témino "eléctico" paa efeise a todo mateial que se compotaba como aquél, lo que deivó en los téminos electicidad y caga eléctica. Sin embago, fue sólo hacia mediados del siglo XIX que estas obsevaciones fueon planteadas fomalmente, gacias a los expeimentos sobe la electólisis que ealizó aaday, hacia 1833 y que le pemitieon descubi la elación ente la electicidad y la mateia. Es posible obseva el fenómeno descito al fota un lápiz con la opa (atae pequeños tozos de papel), al fota vidio con seda, o ebonita con una piel. Cagas positivas y negativas Si se toma una vailla de vidio y se fota con seda colgándola de un hilo lago (también de seda), se obseva que al apoxima una segunda vailla (fotada con seda) se poduce una epulsión mutua. Sin embago, si se apoxima una vailla de ebonita, peviamente fotada con una piel, se obseva que atae la vailla de vidio colgada. También se veifica que dos vaillas de ebonita fotadas con piel se epelen ente sí. Estos hechos se explican diciendo que al fota una vailla se le comunica caga eléctica y que las cagas en las dos vaillas ejecen fuezas ente sí. La conclusión de tales expeiencias es que sólo hay dos tipos de caga y que cagas similaes se epelen y cagas difeentes se ataen. Benjamín anklin denominó positivas a las que apaecen en el vidio y negativas a las que apaecen en la ebonita. ig. 1

2 Pincipio de consevación de la caga En concodancia con los esultados expeimentales, el pincipio de consevación de la caga establece que no hay destucción ni ceación neta de caga eléctica, y afima que en todo poceso electomagnético la caga total de un sistema aislado se conseva, tal como pensó anklin. Cuantización de la caga La expeiencia ha demostado que la caga eléctica no es continua, o sea, no es posible que tome valoes abitaios, sino que los valoes que puede adquii son múltiplos enteos de una cieta caga eléctica mínima. Esta popiedad se conoce como cuantización de la caga y el valo fundamental coesponde al valo de caga eléctica que posee el electón y al cual se lo epesenta como e. Cualquie caga q que exista físicamente, puede escibise como N e, siendo N un númeo enteo, positivo o negativo. Vale la pena destaca que paa el electón la caga es e, paa el potón vale e y paa el neutón, 0. Medición de la caga eléctica El valo de la caga eléctica de un cuepo, epesentada como q o Q, se mide según el númeo de electones que posea en exceso o en defecto. En el Sistema Intenacional de Unidades, la unidad de caga eléctica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de caga que a la distancia de 1 meto ejece sobe ota cantidad de caga igual, la fueza de 9x10 9 N. Un culombio coesponde a 6, electones. En consecuencia, la caga del electón es 1, C. Distibución de las cagas elécticas en los conductoes Cualquiea sea el signo de las cagas en un conducto, éstas siempe estaán situadas en su supeficie extena. ig. 2 Esto tiene su justificación en el pincipio de epulsión de las cagas elécticas del mismo signo. Ejemplo: 1. Un cuepo posee un númeo total de potones mayo que el númeo total de electones. Este cuepo está A) electizado positivamente. B) elécticamente neuto. C) electizado negativamente. D) electizado positiva o negativamente, dependiendo del valo de la caga del potón y del electón. E) Ninguna de las anteioes. 2

3 Aislantes y conductoes Una vailla metálica sostenida con la mano y fotada con una piel no esulta cagada. Sin embago, es posible cagala si se la povee de un mango de vidio o de ebonita y el metal no se toca con las manos al fotalo. La explicación es que las cagas se pueden move libemente en los metales y el cuepo humano, mientas que en el vidio y la ebonita no pueden hacelo. Esto se debe a que en cietos mateiales, típicamente en los metales, los electones más alejados de los núcleos espectivos adquieen libetad de movimiento en el inteio del sólido. Estas patículas se denominan electones libes y son el vehículo mediante el cual se tanspota la caga eléctica. Estas sustancias se denominan conductoes. En contapatida a los conductoes elécticos, existen mateiales en los cuales los electones están fimemente unidos a sus espectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electones libes y no seá posible el desplazamiento de caga a tavés de ellos. Estas sustancias son denominadas aislantes o dielécticos. El vidio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos. En consecuencia, esta difeencia de compotamiento de las sustancias especto del desplazamiento de las cagas en su seno depende de la natualeza de los átomos que las componen. Ente los buenos conductoes y los dielécticos existen múltiples situaciones intemedias. Ente ellas destacan los mateiales semiconductoes po su impotancia en la fabicación de dispositivos electónicos que son la base de la actual evolución tecnológica. En condiciones odinaias se compotan como dielécticos, peo sus popiedades conductoas pueden se alteadas con cieta facilidad mejoando su conductividad en foma podigiosa ya sea mediante pequeños cambios en su composición, sometiéndolos a tempeatuas elevadas o a intensa iluminación. A tempeatuas cecanas al ceo absoluto, cietos metales adquieen una conductividad infinita, es deci, la esistencia al flujo de cagas se hace ceo. Se tata de los supeconductoes. Una vez que se establece una coiente eléctica en un supeconducto, los electones fluyen po tiempo indefinido. Nota: Es de elevancia tene en cuenta, y puede veificase expeimentalmente, que solamente la caga negativa se puede move. La caga positiva es inmóvil y únicamente los electones libes son los esponsables del tanspote de caga. Ejemplo: 2. Al apoxima dos conductoes, uno cagado elécticamente y el oto neuto, ellos A) se ataen y quedan unidos. B) se epelen. C) inicialmente se epelen y luego se ataen. D) inicialmente se ataen y luego de tocase, se epelen. E) No sucede nada, pues uno es neuto. 3

4 omas paa cambia la caga eléctica de los cuepos Se denomina electización al efecto de gana o pede cagas elécticas, nomalmente electones, poducido en un cuepo elécticamente neuto. I) Electización po contacto Se puede caga un cuepo con sólo tocalo con oto peviamente cagado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de caga, es deci, si se toca un cuepo neuto con oto con caga positiva, el pimeo también queda con caga positiva. Esto se debe a que habá tansfeencia de electones libes desde el cuepo que los posea en mayo cantidad hacia el que los contenga en meno popoción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la caga sea la misma en ambos cuepos. II) Electización po fotamiento Al fota dos cuepos elécticamente neutos (númeo de electones = númeo de potones), ambos se cagan, uno con caga positiva y el oto con caga negativa. Si se fota una baa de vidio con un paño de seda, hay un taspaso de electones del vidio a la seda. Si se fota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un taspaso de electones del paño al lápiz. ig. 3 Nota: se han odenado las sustancias en la llamada "seie tiboeléctica" en la cual al fota dos de ellas, la que está a la izquieda en la seie se caga positivamente y la que está a la deecha negativamente. () vidio mica lana piel de gato seda algodón madea ámba cobe azufe celuloide (). Ejemplo: 3. Se fotan ente sí una baa de plástico y un paño de seda, ambos neutos, inicialmente. Si el paño de seda queda finalmente con caga positiva, entonces, duante el fotamiento deben hace pasado A) potones del plástico al paño. B) potones del paño al plástico. C) neutones del plástico al paño. D) electones del plástico al paño. E) electones del paño al plástico. 4

5 III) Electización po inducción La inducción es un poceso de caga de un objeto sin contacto diecto. Un cuepo cagado elécticamente puede atae a oto cuepo que está neuto. Cuando se aceca un cuepo electizado a un cuepo neuto, se establece una inteacción eléctica ente las cagas del pimeo y las del cuepo neuto. Como esultado de esta inteacción, la distibución inicial se altea: el cuepo electizado povoca el desplazamiento de los electones libes del cuepo neuto. En este poceso de edistibución de cagas, la caga neta inicial no ha vaiado en el cuepo neuto, peo en algunas zonas se caga positivamente y en otas negativamente. Se dice que apaecen cagas elécticas inducidas. Entonces el cuepo electizado, denominado inducto, induce una caga con signo contaio en el cuepo neuto y po lo tanto lo atae. El figua 4 muesta el pocedimiento paa electifica un cuepo po inducción. Es impotante tene en cuenta que la caga obtenida po este método es de signo opuesto a la caga del inducto. 1 º 2º 3º 4º ig. 4 5

6 Electoscopio Es un instumento que pemite detemina la pesencia de cagas elécticas y su signo. Un electoscopio sencillo consiste en una vailla metálica vetical que tiene una bolita en la pate supeio y en el extemo opuesto dos láminas de oo muy delgadas. La vailla está sostenida en la pate supeio de una caja de vidio tanspaente con un amazón de metal en contacto con tiea. ig. 5 Al aceca un objeto electizado a la esfea, la vailla se electifica y las laminillas cagadas con igual signo que el objeto se epelen, siendo su divegencia una medida de la cantidad de caga que han ecibido. La fueza de epulsión electostática se equiliba con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfea, las láminas, al pede la polaización, vuelven a su posición nomal. ig. 6 Cuando un electoscopio se caga con un signo conocido, puede deteminase el tipo de caga eléctica de un objeto apoximándolo a la esfea. Si las laminillas se sepaan significa que el objeto está cagado con el mismo tipo de caga que el electoscopio. De lo contaio, si se juntan, el objeto y el electoscopio tienen signos opuestos. Ejemplo: 4. Una esfea metálica, cagada positivamente, toca la esfea de un electoscopio y enseguida es alejada. Cuál de las siguientes figuas epesenta la configuación de las hojas del electoscopio y sus cagas después del contacto? A) B) C) D) E) 6

7 Ley de Coulomb En 1785 Chales Coulomb ( ) estableció la ley fundamental de la fueza eléctica ente dos patículas estacionaias con caga. Los expeimentos muestan que: Una fueza eléctica tiene las siguientes popiedades: 1. Es invesamente popocional al cuadado de la sepaación,, ente las dos patículas y se ejece a lo lago de la línea que las une. 2. Es popocional al poducto de las magnitudes de las cagas q 1 y q 2, de las dos patículas. 3. Es de atacción si las cagas son de signos opuestos y de epulsión si las cagas tiene el mismo signo. Dos cagas puntuales Q 1 y Q 2 sepaadas a una distancia y situadas en el vacío, se ataen o epelen con una fueza de intensidad, la cual está dada po: = K 0 Q 1 Q 2 2 N m C donde K 0 = 9 x Si se sumegen estas cagas en un medio mateial, el valo de la fueza ente ellas se vuelve k veces meno, donde k es la constante dieléctica de este medio, es deci: = K K 0 Q 1 Q 2 2 Medio mateial Constante dieléctica (K) Vacío 1 Aie 1,0005 Gasolina 2,3 Ámba 2,7 Vidio 4,5 Aceite 4,6 Mica 5,4 Gliceina 43 Agua 81 7

8 La figua 7 muesta como vaía la fueza eléctica ente dos cagas sepaadas a una distancia. Q 2 1 Q 2Q1 2Q2 2 2 ig. 7 Nota: La tabla siguiente muesta la masa y la caga de algunas patículas elementales: PARTICULA MASA (kg) CARGA ELECTRICA ELECTRÓN m = 9,1 x e PROTÓN 1836 m e NEUTRÓN 1839 m 0 Ejemplo: 5. Dos esfeas, A y B, están sepaadas po 4 m sobe una supeficie hoizontal sin oce. La caga de A es 2Q y la de B es Q. A 2Q 4 cm ig. 8 Si sólo se considea la inteacción eléctica; cuál debe se la elación ente el módulo de la fueza ejecida po A sobe B, con el módulo de la fueza ejecida po B sobe A? Q B A) El módulo de la fueza en A es 4 veces el módulo de la fueza en B. B) El módulo de la fueza en A es 2 veces el módulo de la fueza en B. C) El módulo de la fueza en A es igual al módulo de la fueza en B. D) El módulo de la fueza en A es la mitad del módulo de la fueza en B. E) El módulo de la fueza en A es la cuata pate del módulo de la fueza en B. 8

9 PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE 1. La figua 9 muesta una esfea metálica cagada positivamente, sobe un pie aislado. Si se la conecta a Tiea po un hilo fino de cobe, A) se cagaá negativamente. B) se neutalizaá poque sus potones pasan a Tiea. C) se neutalizaá poque electones subián desde Tiea. D) no habá intecambio de cagas con Tiea. E) el hilo de cobe quedaá cagado y la esfea neuta. ig Una baa puede se cagada elécticamente en uno de sus extemos y pemanece neuto en el oto. Esto seía posible, cuando la baa A) sea de metal. B) sea de vidio. C) sea de metal muy compacto. D) sea de metal, peo poco cagado. E) sea de metal noble (oo, platino, plata). 3. Cuando un cuepo (A) atae a oto cuepo (B) po motivos puamente elécticos, podemos afima que A) (B) está descagado. B) ambos tienen cagas del mismo signo. C) (B) está cagado positivo (). D) (B) está cagado positivo () ó negativo (). E) (B) está descagado ó tiene caga de signo opuesto a (A). 4. Las esfeas de la figua 10 están suspendidas de hilos aislantes. La caga eléctica de A es (). La caga eléctica de la baa B y del cuepo C son espectivamente A) positiva y negativa. B) negativa y positiva. C) positiva y neuta. D) negativa y negativa. E) positiva y positiva. A B C ig. 10 9

10 5. Se dispone de cuato esfeas metálicas: P, Q, R y S. Se sabe que P epele a Q, que P atae a R, que R epele a S y que S está cagada positivamente (). Se puede afima que A) P está cagada positivamente (). B) P y R tiene cagada del mismo signo. C) P y Q están cagados positivamente. D) Q tiene caga negativa (). E) P epele a S. 6. Dos placas metálicas con cagas elécticas de signos contaios son conectados po un hilo conducto, como muesta la figua 11. A tavés del hilo se pueden desplaza A A) electones de B a A. B) potones de A a B. C) potones de A a B y electones de B a A. D) potones de B a A y electones de A a B. ig. 11 B E) iones positivos de A a B y iones negativos de B a A. 7. Se tiene cuato esfeas pequeñas de mateial aislante suspendidas de hilos aislantes. Sólo se sabe que la caga de (A) es positiva y que los demás están cagados. Sus inteacciones se muestan a continuación. De esto se puede conclui que Es (son) vedadea(s): A) Todas. B) Sólo I y II C) Sólo II y IV D) Sólo I, II y IV E) Todas son falsas. A B A D C B I) A y B tienen caga positiva. II) A y C tienen caga positiva. III) A y D tienen caga positiva. IV) Si D y C se apoximan, había atacción. 10

11 8. Dos esfeas metálicas muy livianas en contacto, cuelgan de hilos aislantes en un ambiente seco, según muesta la figua 12. Una baa metálica cagada positivamente () toca una de las esfeas y luego se aleja. Si las esfeas estaban oiginalmente neutas, cual debe se la posición de las esfeas, en el instante inmediatamente después de aleja la baa. ig. 12 A) B) C) D) E) 9. Una esfea metálica, positivamente cagada se apoxima sin hace contacto con la esfea de un electoscopio. En cuál de las siguientes figuas se epesenta la configuación de las láminas del electoscopio y sus cagas, mientas la esfea no se aleja? A) B) C) D) E) 10. Dos pequeñas esfeas conductoas (a) y (b) tienen caga de signos contaios siendo la caga de (a) el tiple de la de (b). Cuál de las siguientes configuaciones epesenta las fuezas ejecidas ente ellas? a b a b a b A) B) C) a b a b D) E) 11

12 11. Considee las siguientes expeiencias ente cuepos cagados, ealizadas en el laboatoio: tanto en I como en II las fuezas son de oigen eléctico. Entonces, cuando se apoxime B a C habá A B A C I) II) A) Los datos son insuficientes. B) una fueza de atacción. C) una fueza de epulsión. D) una fueza de atacción o una fueza de epulsión. E) Ninguna de las anteioes. 12. Dos esfeas metálicas idénticas, J y L están cagadas con igual caga (figua 13). El módulo de la fueza de L sobe J es o. Una tecea esfea M neuta, idéntica a las otas, se pone en contacto con J y luego se aleja (figua 14) La fueza eléctica que la esfea L pasa a ejece sobe la esfea J es ahoa (figua 15) A) o igua 13 B) o/2 C) o/4 igua 14 D) o/8 E) 2 o igua 15 J J M J L L L 13. Tes esfeas muy pequeñas e iguales, cagadas están alineadas sobe un plano hoizontal liso como muesta la figua 16. q q/4 q d d ig. 16 Al abandona el sistema de modo que se puedan move libemente veemos que A) las cagas () pemanecen en sus posiciones y la () se mueve a la deecha. B) las esfeas pemanecen en las posiciones en que fueon abandonadas. C) la esfea () se mueve po la pependicula a la línea que une las cagas. D) las cagas () se mueven hacia la () la cuál no se mueve. E) las cagas () se alejan po la línea que las une y la () no se mueve. 12

13 14. Se dispone de tes esfeas metálicas iguales y aisladas. Dos de ellas (A) y (B) están neutas y la tecea (C) posee caga eléctica Q. Se coloca (C) en contactos sucesivos con A y B. La caga final de (C) seá A) Q B) Q / 2 C) Q / 3 D) Q / 4 E) 2Q / En el ejecicio anteio, si juntásemos simultáneamente las tes esfeas, en su estado inicial, la caga final de (C), seía A) Q B) Q / 2 C) Q / 3 D) Q / 4 E) Q / Se dispone de 2 esfeas de cobe E 1 y E 2 con caga neta ceo cada una. De la esfea E 1 se saca una cantidad de caga q y se pone en la esfea E 2. Respecto a la caga neta final de cada una de las esfeas podemos afima coectamente que E 1 E 2 A) q q B) q q C) q q D) q q/2 E) q/2 q/2 17. Dos cagas elécticas q 1, y q 2 se encuentan en el vacío sepaadas po una distancia. En esta situación, la intensidad de la fueza eléctica ejecida sobe la caga q 1, depende A) sólo de q 1. B) sólo de q 2. C) sólo de q 1, y. D) sólo de q 2, y. E) de q 1, q 2 y. 13

14 18. Cuál es el gáfico que mejo epesenta la manea como vaía el módulo de la fueza eléctica que una caga eléctica puntifome ejece sobe ota cuando sólo la distancia ente ellas es alteada? A) B) C) D) E) 19. Dos patículas, sepaadas ente si po una distancia, están elécticamente cagadas con cagas positivas q 1 y q 2, siendo q 1 = 2q 2. Considee 1 el módulo de la fueza eléctica ejecida po q 2 sobe q 1 y 2 el módulo de la fueza eléctica de q 1 sobe q 2. En esta situación, la fueza eléctica ente las patículas es de A) atacción, siendo 1 = 2. B) atacción, siendo 1 = 2 2. C) atacción, siendo 1 = 2 / 2. D) epulsión, siendo 1 = 2. E) epulsión, siendo 1 = Tes cagas puntuales de magnitudes iguales están localizadas como indica la figua 17. ig. 17 El módulo de la fueza eléctica ejecida po R sobe Q es de N. En estas condiciones, el módulo de la fueza eléctica ejecida po P sobe Q es A) N B) N C) N D) N E) N P Q R 2 cm 1 cm 14

15 Solución ejemplo 1 Si el númeo de potones es mayo que el númeo de electones, el cuepo posee caga positiva. Si el númeo de electones es mayo que el númeo de potones, el cuepo posee caga negativa. Si el númeo de potones es igual al númeo de electones, el cuepo está neuto. La altenativa coecta es A Solución ejemplo 2 Cuando se aceca un cuepo electizado a un cuepo neuto, se establece una inteacción eléctica ente las cagas del pimeo y las del cuepo neuto, lo que implica una atacción ente ellos hasta que se tocan. Posteiomente adquiián caga del mismo signo, po lo tanto finalmente se epelen. La altenativa coecta es D Solución ejemplo 3 Al fota dos cuepos neutos aislados, siempe quedaán con caga del distinto signo. El cuepo que cede electones, es el que finalmente queda con caga positiva. La altenativa coecta es E Solución ejemplo 4 Al caga un electoscopio po contacto, con un cuepo con caga positiva, adquiiá caga del mismo signo (positiva), po lo tanto sus láminas se epelen. La altenativa coecta es B Solución ejemplo 5 El módulo de las fuezas ejecidas po dos cagas elécticas aisladas, siempe seá igual. El sentido de la fueza lo indica el signo que posee cada una de ellas. AB = BA La altenativa coecta es C DSIM23 Puedes complementa los contenidos de esta guía visitando nuesta web. 15