SESIÓN 2 ELECTROSTÁTICA II

Transcripción

1 SSIÓ LTROSTÁTIA II I. OTIDOS: 1. amp eléctric.. Ptencial eléctric. II. OBJTIOS: Al términ e la Sesión, el alumn: Definirá el camp eléctric y explicará ué factres eterminan su magnitu y su irección. alculará el camp eléctric pruci pr una carga. alculará el ptencial eléctric en cualuier punt e la vecina e ciert númer e cargas cncias. III. PROBLMATIZAIÓ: menta las preguntas cn tu asesr y seleccina las ieas más significativas. De ué manera la presencia e una masa altera el espaci ue le rea? Qué cambis puee experimentar una carga en mvimient en términs e energía? I. TXTO IORMATIO-ORMATIO: 1.1. amp eléctric Las cargas eléctricas crean una zna e influencia en sus alreeres. l camp eléctric es un cnjunt e fuerzas en el espaci alreer e una carga eléctrica, causaas pr la influencia e la carga en su entrn. ualuier carga eléctrica en mei e un camp eléctric, se ve afectaa sufrien una fuerza e atracción e repulsión según el sign e su carga. Se tiene una manera para meir el camp eléctric y es a través e la intensia e camp eléctric. sta magnitu se simbliza cn la letra, y crrespne a la fuerza e atracción repulsión ue tenría una carga e prueba, en una psición específica en un camp eléctric genera pr una carga, iviia entre la magnitu e la carga. 6 m pems apreciar en las fórmulas, la fuerza ue experimenta una carga e prueba, es irectamente prprcinal al camp eléctric ne se encuentra. De este m, si una carga eléctrica n experimenta fuerza e atracción repulsión entnces, en la psición ne se encuentra n hay camp eléctric. La intensia el camp eléctric aumenta en la prximia e la carga ue l genera ; es inversamente prprcinal cn el cuara e la istancia ese la carga hasta la carga, y es irectamente prprcinal a la magnitu e la carga. l camp eléctric también se puee calcular cn la siguiente fórmula, aemás se agregan ls espejes e ls trs parámetrs: k La irección el camp eléctric se etermina a partir el cncept e líneas e fuerza eléctricas. Las líneas e fuerza e un camp eléctric se efinen cm las líneas rectas curvas ue sn

2 tangentes a la irección el camp eléctric. Si pensams en una carga eléctrica ue cupe un lugar en el espaci muy peueñ, estams ante el cncept e carga puntual ; ahra imaginems ue se clca en iversas psicines alreer e tra carga eléctrica, llamaa carga e prueba, e menr magnitu, ésta carga será atraía rechazaa pr la carga siguien una eterminaa trayectria, la irección e esa trayectria es la rientación el camp eléctric en caa punt alreer e la carga. nteni est, pensems en un cnjunt e punts ue siguen una eterminaa trayectria ese la carga y ue en caa punt se eterminó la irección el camp eléctric pruci; tenems así una serie e líneas, si ispnems una curva ue sea tangente a esas líneas, la curva será una e las líneas e fuerza e camp eléctric genera pr la carga en interacción cn tra u tras cargas eléctricas. Las figuras anterires representan las líneas e fuerza e camp eléctric en cargas eléctricas e iferente sign, cm se puee ver en las cargas psitivas las lineas emergen e la carga, y en las cargas negativas las líneas se irigen hacia la carga. Se ice ue las cargas psitivas sn fuentes y las negativas sumiers. Una línea e fuerza e camp eléctric tienen las siguientes características: 1. La magnitu e la carga eléctrica etermina el númer e líneas e fuerza ue surgen llegan a ella, entre mayr sea la magnitu mayr será el númer e líneas.. Una carga eléctrica e prueba, seguirá la trayectria e una línea e fuerza el camp eléctric óne se encuentra. 3. Una línea e fuerza ebe ser perpenicular a la superficie e un cuerp carga en el punt e cntact, pues es la rientación ue seguiría la carga e prueba en su esplazamient acercánse alejánse e la carga ue pruce el camp eléctric. 4. Una línea e fuerza sól puee cmenzar terminar en una carga eléctrica pues ésta es la ue le a rigen. 5. Las líneas e fuerza representan la irección el camp eléctric, la magnitu el camp eléctric es irectamente prprcinal al númer e líneas e fuerza ue cruzan la unia e área perpenicular al camp eléctric. uan se lcalizan regines ue tienen la misma cantia e líneas e fuerza pr unia e área, entnces se tiene un camp eléctric unifrme. Un camp eléctric unifrme se puee generar cn s placas paralelas cn cargas eléctricas puestas, est curre prue las líneas e fuerza sn perpeniculares a las superficies e las placas, y cm las placas sn paralelas las líneas también l sn entre sí, permitien ue haya igual separación entre líneas e fuerza en cualuier punt el camp eléctric. 6. Las líneas e fuerza el camp eléctric sn curvas tangentes a ls vectres e las intensiaes e camp eléctric en caa punt alreer e una carga eléctrica, pr esta razón las líneas e fuerza sn raiales respect e una carga eléctrica; si se trata e una carga puntual entnces la irección e ls vectres e la intensia e camp eléctric será siempre perpenicular a la superficie.. uan interactúan s más cargas eléctricas se estlece un camp eléctric cnjunt, ue epene e la psición relativa e las cargas y e su magnitu. ste camp eléctric cnjunt frma un iseñ específic e líneas e fuerza, estas líneas e fuerza n se pueen crtar, pues crrespnen a un camp eléctric únic. 8. Para un cnuctr aisla, ue tenga carga eléctrica, las líneas e fuerza surgen e él se irigen a él. pueen cmenzar y terminar en el mism cnuctr prue éste tiene sól un tip e carga eléctrica, psitiva negativa.

3 jempl 1 alcula la intensia e camp eléctric en el punt ne se encuentra una carga e 8 n, ue experimenta una fuerza e repulsión hacia arriba e. Para reslver el prblema, se cnsieran ls ats y se busca una fórmula ue permita calcular la intensia e camp eléctric, la fórmula y sustitución sn: 8x jempl Un punt entr e un camp eléctric está a 3 cm. e la carga ue pruce el camp, cuya magnitu es e 5 m. alcula la intensia e camp eléctric en ese punt, aemás calcula la magnitu e la fuerza ue actuará sbre una carga e prueba e n en ich punt. Para reslver el prblema se cnsiera la carga e 5 m, y la istancia e 3 cm. para calcular la intensia e camp eléctric en esa psición: ( 10 5x10 x10 (5x10 (3x10 4.5x10 4 x Después, se etermina la magnitu e la fuerza, ue experimenta la carga e n, cn el camp eléctric calcula: ( (x jempl 3 alcula la intensia e camp eléctric en el punt P e la figura: 1 1 cm P 0 cm Para cmenzar, se calculan ls camps eléctrics 1 y ( 1 3.5x10 x10 (6x10 (1x10 x10 (x10 (0x10 5.4x x10 ( 8 4.5x10 1.8x10 4x inalmente se utiliza la fórmula antes vista para vectres n clineales: R csα Dóne el ángul entre vectres tiene una meia, según las funcines trignmétricas e: 16 arcsen 53.13º 0 α Sustituyen en la fórmula: 8 8 R (3.5x10 + (4.5x10 + ((3.5x10 (4.5x10 (cs53.13º R 6 m cm. m 8

4 .1. Ptencial eléctric l ptencial eléctric, en una psición en un camp eléctric, se puee efinir cm el traj necesari para mver una unia e carga ese la referencia hasta ese punt. Para cmprener est es necesari recrar el cncept e traj. n física I, estuiaste ue el traj es la aplicación e una fuerza para ue un bjet se esplace una eterminaa istancia; sin fuerza aplicaa sin esplazamient n hay traj realiza. Ahra bien, cnsierems una carga eléctrica e prueba ispuesta en un camp eléctric genera pr tra carga eléctrica. Si la carga e prueba se mueve a cnsecuencia e las fuerzas el camp, entnces el camp realizó un traj sbre la carga e prueba; per si una fuerza externa mueve a la carga e prueba en cntra e la influencia el camp eléctric, entnces se ha realiza un traj sbre la carga e prueba emplean una energía externa ue se almacena en la carga e prueba. La energía ue almacena se llama energía ptencial eléctrica, es la energía ue psee una partícula en virtu e su psición en un camp eléctric; esta energía es una prpiea el espaci y e la carga eléctrica e prueba en un camp eléctric, se calcula cn la fórmula: U La energía ue se ha escrit anterirmente es energía ptencial, tal cm estuiaste también en física I; esta energía se escribe usan cm referencia la superficie e la tierra. Ahra en el ámbit e la electrstática, la referencia será el ptencial e la tierra ue es una fuente inagtle e electrnes y se cnsiera cn ptencial eléctric e cer. aa psición e la carga e prueba, en un camp eléctric, tiene un etermina ptencial eléctric. l ptencial eléctric es la energía ptencial eléctrica iviia entre la magnitu e la carga e prueba. Se mie en vltis. k n un camp eléctric unifrme, cm el ue hay entre s placas paralelas, ne es la istancia entre las placas y es el camp eléctric, se cumple: Ds psicines en un camp eléctric pueen tener iferente ptencial eléctric, cncien ésts se puee calcular el traj necesari para mver una carga ese un punt hasta tr. De este m ya se puee ecir ue el ptencial eléctric es una prpiea el espaci en un camp eléctric y el camp eléctric es un cnjunt e prpieaes el espaci ue rea una carga eléctrica. La iferencia e ptencial vltaje, entre s punts en un camp eléctric, es el traj realiza para mver la unia e carga eléctrica entre esas s psicines. Se mie en vltis. Y se representa cn el símbl. De este m, si un cnuctr está en cntact cn la tierra, tiene el mism ptencial ue la tierra: cer, en estas cnicines se ice e manera cluial ue el cnuctr está hacien tierra está aterriza. es el traj necesari para mver la carga cn la energía e la iferencia e ese el punt a hasta el punt b. Dne ptencial Un cnuctr esféric aisla presenta una superficie euiptencial ebi a ue las cargas, tas el mism sign se rechazan y se ispnen en la superficie, el significa e est es ue regines cncéntricas el espaci ue rea al cnuctr tienen el mism ptencial eléctric. n el centr el cnuctr n hay camp eléctric ebi a ue las cargas euiistantes prucen fuerzas e la misma naturaleza ue se anulan entre sí, al n her camp eléctric tampc hay

5 ptencial eléctric. Tampc hay iferencia e ptencial en la superficie el cnuctr esféric carga, ebi a ue en caa punt existe el mism ptencial. n una superficie euiptencial n se realiza traj al mver cargas eléctricas ebi a ue la iferencia e ptencial es cer. Las líneas e fuerza el camp magnétic sn perpeniculares las superficies euiptenciales; cm las líneas e fuerza inican la irección en ue actúa la fuerza asciaa a un punt en el camp eléctric y en la irección perpenicular es cer su cmpnente, entnces n se realiza traj al mver una carga eléctrica en una superficie euiptencial. Pr tra parte cm la superficie es euiptencial entnces las líneas e fuerza eben ser perpeniculares a la superficie, y pr l mism las líneas e fuerza n pueen empezar y terminar en el mism cnuctr. jempl 4 uál es el ptencial eléctric a 10 cm e la superficie e una esfera metálica cn rai e ue tiene una carga e 4 n? uál es el ptencial en la superficie e la esfera? Dats órmula Sustitución Resulta 4x10 (4x10 (x10 l ptencial eléctric a 10 cm e la superficie 1x10 m 1x10 e la esfera es 300 4x10 (4x10 (x10 l ptencial eléctric en la superficie e la x10 m x10 esfera es 1800 jempl 5 uál es el traj realiza para mver una carga e - n ese una psición a 0 cm e una carga e 8 m hasta tra psición a sól 5 cm e la misma carga? Primer calculams el ptencial eléctric en caa psición: a b (8x10 (x10 0x10 (8x10 (x10 5x Lueg la iferencia e ptencial inalmente, la fórmula para el cálcul el traj, sustituyen: ( ( x10.56 J l resulta anterir significa ue el camp eléctric, pruci pr la carga e 8 m, ejerció un traj e.56 Jules sbre la carga e - n jempl 6 Una carga eléctrica e 6 n está a la izuiera e tra carga e - n, la istancia entre las cargas es e 30 cm. uál es el ptencial eléctric a 10 cm a la erecha e la primera carga? Para reslver el prblema, calculams ls ptenciales eléctrics para caa carga y lueg ls sumams, ebi a ue presentan las cargas signs iferentes: a (6x10 (x10 10x b (x10 (x10 0x inalmente sumams ls ptenciales y el resulta es 815 vltis. 10