INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA ELECTROSTÁTICA

Transcripción

1 INTERAIÓN ELETROMAGNÉTIA ELETROSTÁTIA IES La Magdalena. Avlés. Astas alqe patícla mateal, además de tene masa (y se sensble, po tanto, a la nteaccón gavtatoa) contene cagas eléctcas postvas y negatvas (denomnacón atbda a Benjamín Fankln) qe como es sabdo son potadas po los potones y electones. La exstenca de la caga eléctca da lga a na neva nteaccón fndamental en la nataleza ya qe exste na feza de ataccón ente cagas de dstnto sgno, mentas qe la nteaccón se velve eplsva s las cagas tenen sgno déntco. La matea es eléctcamente neta, de lo qe podemos dedc algna cosas: Debe de exst na caga eléctca elemental (la caga eléctca del electón). En consecenca, la caga eléctca pedda o adqda en los pocesos de tansfeenca de caga debe se sempe n múltplo enteo de la caga eléctca elemental. Se dce qe la caga eléctca está "cantzada". El valo de la caga eléctca elemental es, La netaldad eléctca de la matea se explca po la exstenca de n númeo déntco de cagas postvas y negatvas. El mecansmo po el cal n cepo adqee caga eléctca (sea postva o negatva) mplca la tansfeenca de electones déblmente lgados al núcleo atómco (los qe ocpan las capas más extenas). S n cepo pede electones qedaá cagado postvamente debdo al exceso de caga postva y s los gana adqá la coespondente caga negatva. La nteaccón ente dos cagas (spestas pntales) vene descta po la Ley de olomb (785) qe establece qe la feza con qe dos cagas se ataen o se epelen es dectamente popoconal al podcto de las cagas e nvesamente popoconal al cadado de la dstanca qe las sepaa. Feza de ataccón o eplsón: apnta sempe haca el cento de los cepos cagados. F K = aga de lo cepos en clombos () Vecto ntao. Deccón: la de la ecta qe ne las cagas Sentdo: salendo de la caga qe se consdea qe atae o epele. Dstanca ente las cagas en metos. S son cagas gandes, la dstanca se toma ente los centos. El valo de K pede expesase en fncón de na neva constante, caacteístca de cada medo,, llamada constante deléctca del medo o pemtvdad: K = π (En físca los medos aslantes ecben el nombe de deléctcos de ahí el nombe de constante deléctca) onstante de popoconaldad. S valo depende del medo en el qe se encenten las cagas (vacío, ae, aga... ). Paa el vacío o el ae s valo es el msmo Paa el S.I: K = 0 Nm

2 Físca º Bachlleato. IES La Magdalena. Avlés. Astas Electostátca Paa el S.I. y paa el vacío o el ae la constante deléctca ( ) vale: = π..0 Po tanto el valo de K paa el vacío o el ae seá : K = π 0 π.0 =.0 En otas ocasones se emplea la constante deléctca elatva (n númeo sn dmensones) defnda como el cocente ente la constante deléctca del medo consdeado y la del vacío: = ; = 0 0 La constante deléctca está elaconada con la capacdad del medo paa tansmt la nteaccón eléctca. En n medo con n constante deléctca alta (K, peqeña) la feza ente dos cagas seá más peqeña qe en oto en el qe la constante deléctca sea baja (K, gande). El pme medo es mejo aslante y, po tanto, tansmte peo la nteaccón ente cagas (ecoda qe en físca los medos aslantes ecben el nombe de deléctcos) 0 F Vecto ntao. Sale de la caga qe atae/epele - Feza ejecda sobe na caga postva. S ambas cagas son postvas (o negatvas) la feza tene el msmo sentdo qe F Feza ejecda sobe na caga postva. omo ambas cagas tenen sgno dstnto la feza tene sentdo contao a Vecto ntao. Sale de la caga qe atae/epele En la páctca la ndad S.I (el clombo) eslta excesvamente gande po lo qe se tlzan sbmúltplos de la msma: Mcoclombo (µ). µ = 0-6 Nanoclombo (n). n = 0 - Pcoclombo (p). p = 0 - Un aspecto mpotante de la caga eléctca es qe sempe apaece asocada a patíclas con masa, las patíclas elementales. Se ha encontado qe en todos los pocesos obsevados la caga neta de n sstema aslado pemanece nvaable, lo qe consttye el enncado del Pncpo de onsevacón de la aga. Paa calcla la feza total ejecda po vaas cagas sobe ota es pecso calcla la feza ejecda po cada na de ellas y, al fnal, sma (vectoalmente) todas las fezas (Pncpo de Speposcón). La nteaccón eléctca jega n papel fndamental en la estcta de la matea ya qe es esta nteaccón la qe mantene ndos los electones a los núcleos. Tambén es la esponsable de las fezas qe actúan ente las moléclas (fezas ntemoleclaes) las cales detemnan algnas mpotantes popedades de las sstancas.

3 Físca º Bachlleato. IES La Magdalena. Avlés. Astas Electostátca Ejemplo alcla la feza ente dos cagas: a) De 5 µ y µ stadas a 0 cm. b) De 5 µ y - µ stadas a déntca dstanca. Solcón: a) S sponemos qe na de las cagas está stada en el ogen de coodenadas podemos dentfca el vecto ntao defndo en la expesón de la ley de olomb con el vecto Y F = K =.0.0 0,0 m 5.0 =,5 (N) b) Y X F F = K =.0 (.0 ) 5.0 0,0 m =,5 (N) En el pme caso el sgo es postvo, ndcando qe el vecto feza va en el msmo sentdo qe segndo caso la feza lleva sentdo apesto a. Ejemplo. En el ato cagas de µ se encentan dspestas en los vétces de n cadado de 0 cm de lado (ve fga). Tes de ellas son negatvas y la cata, stada en el ogen de coodenadas, postva. alcla la feza ejecda po las tes cagas negatvas sobe la postva. Solcón: F j F = j F F = - Vectoes ntaos (ve fga): = j = 0 0.cos (5 ).sen (5 ) j = 0,707 0,707 j = La caga está stada a na dstanca (no extaemos la aíz): X En la fga se han pntado las fezas ejecdas sobe la caga stada en el ogen de coodenadas. on el fn de dstng las cagas se han nmeado del al. De esta manea F ndca, po ejemplo, la feza ejecda po la caga sobe la. Paa defn la deccón y sentdo de las fezas se toman como efeenca los vectoes ntaos según los ejes X e Y. 5 0 = 0, 0, =. 0, m

4 Físca º Bachlleato. IES La Magdalena. Avlés. Astas Electostátca Po tanto las fezas ejecdas sobe seán: q q F = K ( j) =.0 (.0 0,0 m ).0 ( j) = 0, j (N) q q F = K =.0 Obtendemos la feza total smando (vectoalmente) las tes fezas: FRES = F F F = ( 0, ) ( 0, j ) ( 0, 0, j ) =,, j (N) F =,, j (N) RES q q F = K ( ) =.0 (.0. 0,0 m (.0 0,0 m ).0 ).0 ( 0,707 0,707 j) = 0, 0, j (N) ( ) = 0, (N) Módlo de la feza esltante: F =,, N =, 7N La feza esltante foma n ánglo de 5 0 con el eje X, ya qe ambas componentes son déntcas. La feza eléctca como feza consevatva Imagnemos ahoa la sgente stacón: S en las poxmdades de na caga postva (Q) se ntodce ota caga postva de peba (q), aplcando paa ello na feza contaa a la ejecda po el campo, y la soltamos, seá epelda y se moveá alejándose de la caga. Tenemos na stacón déntca a la descta cando elevamos n objeto (stado en n campo gavtatoo) o cando compmmos n melle. La enegía comncada al cepo se acmla como enegía potencal qe es lbeada como enegía cnétca s se deja acta a la feza. La enegía necesaa paa tae na caga de peba hasta n pnto en el qe sente la feza ejecda po la caga consdeada, se acmla como enegía potencal. El valo de la enegía potencal en n pnto (gal al tabajo ealzado conta la feza eléctca paa tae la caga hasta el pnto) se pede calcla sando la sgente expesón: = K La feza eléctca, al gal qe la gavtatoa, es na feza consevatva y, como tal, cando ealza tabajo se podce na tansfeenca de enegía cnétca a potencal o vcevesa (dependendo del sgno del tabajo). Se cmplá po tanto: E cn E pot = cte. ; E c E p = E c E p La sma de la enegía cnétca y potencal (enegía mecánca) pemanece constante (se conseva). La enegía mecánca se conseva. La enegía potencal tendá valo nlo a dstanca nfnta de la caga y pede toma valoes postvos o negatvos en fncón del sgno de las cagas consdeadas. A efectos páctcos lo ealmente mpotante son las vaacones de enegía potencal. Una caga sempe se meve espontáneamente en el sentdo en el qe la enegía potencal dsmnye. Paa conseg qe se meva en el sentdo según el cal la enegía potencal amenta es necesao comncale enegía extenamente. Esta enegía apotada se acmla en la caga como enegía potencal eléctca.

5 Físca º Bachlleato. IES La Magdalena. Avlés. Astas Electostátca = K Una caga de peba negatva es ataída haca la caga cental (). A medda qe se aceca a la caga s enegía potencal dsmnye. La caga espontáneamente se meve dsmnyendo s enegía potencal. Paa alejala de la caga cental es necesao aplca na feza extena (ealza tabajo). La enegía smnstada se acmlaá como enegía potencal. Al alejase s enegía potencal amenta. Ley de Gavtacón Unvesal mm F = G F K = Tanto la nteaccón gavtatoa como la eléctca son consecenca de la exstenca de popedades nheentes a la matea: la masa y la caga. Todo cepo qe posea masa seá sensble a la nteaccón gavtatoa. Todo objeto qe posea caga neta seá sensble a la nteaccón eléctca. anto mayo es la masa o la caga de dos cepos mayo es s nteaccón gavtatoa o eléctca. Ambas nteaccones dececen my ápdamente a medda qe nos alejamos de la masa o de la caga. La nteaccón gavtatoa es sempe atactva, mentas qe la nteaccón eléctca pede se atactva o eplsva en fncón del sgno de las cagas. El peqeño valo de la constante de gavtacón nvesal (G) hace qe la feza de ataccón gavtatoa sea despecable a no se qe las masa mplcadas sean elevadas (astos). La feza de gavedad es la nteaccón qe domna a nvel cosmológco. El valo de la constante qe apaece en la Ley de olomb (K) hace qe la feza eléctca sea apecable nclso cando consdeamos cagas eléctcas my peqeñas. La nteaccón eléctca es la domnante a nvel de átomos y moléclas, hacendo posble la exstenca de las ndades estctales báscas qe foman la matea (los átomos). La nteaccón gavtatoa no depende del medo en el qe se encenten las masas (ae, vacío, aga...), mentas qe la nataleza del medo sí nflye en el valo de la nteaccón eléctca. Unos medos tansmten mejo la nteaccón eléctca qe otos. La feza eléctca y la gavtatoa son fezas consevatvas. La nteaccón gavtatoa y eléctca pesentan analogías evdentes, y algnas dfeencas, qe se comentan a contnacón: - Feza eléctca aga cental () Ley de olomb Feza eléctca = K Una caga de peba postva es epelda po la caga cental (). A medda qe se aleja de la caga s enegía potencal dsmnye. La caga espontáneamente se meve dsmnyendo s enegía potencal. Paa acecala a la caga cental es necesao aplca na feza extena (ealza tabajo). La enegía smnstada se acmlaá como enegía potencal. Al acecase s enegía potencal amenta. 5