FUERZAS ENTRE CARGAS EN REPOSO: COULOMB V/S NEWTON
CAMPO ELÉCTRICO. El campo eléctrico es un aspecto peculiar de la materia, transmite la acción de cuerpos electrizados a otros. Se pueden considerar un conjunto de cargas como una carga puntual. Según lo descubierto por Coulomb, la interacción eléctrica, se presenta con un carácter de atracción cuando las cargas son de distinto signo y repulsión cuando las cargas poseen igual signo. Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) : fue un ingeniero militar francés que trabajó para Napoleón y realizó importantes contribuciones en el campo de la elasticidad y la resistencia de materiales.
MODELO MATEMÁTICO DE LA LEY DE COULOMB En realidad Coulomb realizo todos sus ensayos en el aire. Pero siendo más rigurosos la ley de Coulomb que nosotros estudiamos se refiere al vacío. La ley de Coulomb contiene al mismo tiempo la definición magnitud de carga. F: intensidad de la fuerza de interacción eléctrica. Q: cargas de los cuerpos. d: distancia entre las cargas. K: constante eléctrica.
Semejanzas y diferencias entre ley de Coulomb y ley de Gravitación universal. Descripción Semejanzas Diferencias Ley de Coulomb. Ley de gravitación universal. Expresa la fuerza que una carga ejerce sobre otra. Expresa la fuerza que una masa ejerce sobre otra. 1. Actúan a distancia. 2. Ambas son inverso al cuadrado de la distancia. 3. Ambas son proporcionales a una cualidad del cuerpo. 1. La F. Eléctrica es repulsiva o atractiva. 2. La F. Gravitatoria es sólo atractiva. 3. La carga eléctrica puede ser positiva o negativa. 4. La masa es una cantidad positiva.
Ejercicios Cuanto vale la fuerza que se ejerce entre dos Carga c y otra de c, que se encuentran separadas cm?
2) consideremos cuatro cargas ubicadas en vértices de un cuadrado de lado a= 5cm. Si las cargas son de 2 c cada una cuanto vale la fuerza eléctrica sobre la carga superior izquierda?
Taller número 1. Resolver en sus cuadernos el ejercicio presente en la página 138. Libro de física. -19
Campo Físico En una región del espacio existe un campo físico si, por algún medio, se detecta en esa región una fuerza física. El nombre del campo está determinado por la naturaleza de la fuerza detectada.
Concepto de campo eléctrico y campo gravitatorio. Un cuerpo cargado se rodea, de una porción de espacio donde se manifiestan las fuerzas eléctricas sobre otros cuerpos La presencia de un cuerpo cargado altera el espacio que le rodea, produciendo una fuerza eléctrica sobre otra cercana. La presencia de la masa de un cuerpo altera el espacio que le rodea de manera tal que produce una fuerza gravitatoria sobre otra masa cercana.
Así podemos concluir que: Existe un campo eléctrico en una región del espacio si una carga eléctrica colocada en un punto de esa región experimenta una fuerza eléctrica. Q + Q - A q+ F q+ F A Q: carga que produce el campo. q: carga de prueba. F: fuerza eléctrica.
Existe un campo gravitatorio en una región del espacio si una masa colocada en un punto experimenta una fuerza gravitatoria. A M m F M: masa que produce el campo gravitatorio. m: masa afectada por el campo gravitatorio. F: fuerza gravitatoria. A: posición de la masa m.
Analogía entre el campo eléctrico y el campo gravitatorio Ambos campos son centrales puesto que están dirigidos hacia un punto donde se encuentra la masa o la carga que los crea.
Ambos son conservativos, porque la fuerza central solamente depende de la distancia. La fuerza central que define ambos campos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia: F = K1 R 2 r K 1 : e s l a c o n s t a n t e d e proporcionalidad que depende de la naturaleza del campo.
Campo eléctrico : K1= KQq : es el campo eléctrico. Conociendo la expresión de la ley de Coulomb se puede obtener la energía potencial mutua(u) de las cargas. U = K Q q R Entonces la energía D e i n t e r a c c i ó n e l é c t r i c a e s i n v e r s a m e n t e proporcional a la distancia. La ley de Coulomb tiene escasas aplicaciones, puesto que únicamente es válida para objetos cargados sin dimensiones, cargas puntuales y cuerpos finitos de forma esférica que estén alejados, es decir, cuando el radio de la esfera es despreciable frente a la distancia de las cargas.
Campo gravitatorio: K1= -G M m: es el campo gravitatorio. La fuerza gravitatoria siempre es de carácter atractiva. Ejemplo de esto es la atracción que realiza la tierra sobre los cuerpos que se encuentran en su superficie o cercanías, es decir, dentro de la atmósfera terrestre.
Diferencias entre el campo eléctrico y el campo gravitacional Dado que el campo gravitatorio depende de la masa del cuerpo, existe de modo universal, mientras que el campo eléctrico sólo existe cuando los cuerpos están cargados. El campo gravitatorio es siempre de atracción, mientras que el campo eléctrico puede ser de atracción (cargas de diferente signo) o de repulsión (cargas de igual signo).
Si comparamos la constante G con la constante K, podemos 20 decir que la constante k es 10 veces mayor que la constante G, indicio de que el campo gravitatorio es muy débil comparado con el campo eléctrico. Como consecuencia de esto, en los fenómenos eléctricos los efectos gravitatorios son despreciables. La masa de un cuerpo en reposo o en movimiento siempre crea un campo gravitatorio. En cambio, una carga eléctrica en movimiento, además del campo eléctrico, genera un campo magnético.
Ejercicio: Dos partículas alfa están separadas una distancia de 10 m. Calcular la fuerza electrostática con que se repelen y la fuerza gravitatoria con que se atraen. Compara ambas fuerzas entre sí. -13 Datos: masa de la partícula alfa m= 6,68 10 kg; carga -19 q = +2 e. = 2 * 1,6 10 c. -27
Ejercicio: Dos electrones están separadas una distancia de 1m. Compara las fuerzas eléctrica y gravitacional. Datos: masa del electrón m= 9,1 10 kg; -19 carga q = e. = 1,6 10 c. -31
Resumen: Las fuerzas o interacciones eléctricas se relacionan con una cualidad de las partículas denominada carga eléctrica. Los cuerpos que no la tienen o no la llevan no interactúan eléctricamente. El campo eléctrico es un aspecto peculiar de la materia que transmite la acción de unos cuerpos electrizados sobre otros cuerpos cargados. Existe un campo eléctrico en una región del espacio si una carga eléctrica colocada en un punto de esa región experimenta una fuerza eléctrica. Existe un campo gravitatorio en una región del espacio si una masa colocada en un punto experimenta una fuerza gravitatoria. La ley de Coulomb tiene un parecido a la ley de gravitación universal de Newton, pero puede ser positiva o negativa.
Cargas eléctricas. Un cuerpo cargado genera a su alrededor un campo eléctrico. Se dice que un cuerpo está electrizado sí uno o varios sus átomos se han ionizado (pérdida o ganancia de electrones). D e e s t e m o d o u n c u e r p o e s t á c a r g a d o positivamente cuando el ha perdido electrones. Conocido también como catión. Otro cuerpo estará cargado negativamente cuando el ha ganado electrones. Conocido como anión. El cuerpo neutro tiene equilibrio de cargas positivas y negativas.
Los experimentos realizados a principios del siglo XVIII, demostraron que la electricidad puede ser de dos tipos y solamente de dos clases: La que por sus cualidades coincide con la del vidrio al frotarlo con la piel ( de carácter positivo). La que coincide con la de piel frotada por el vidrio ( de carácter negativo).
Un protón tiene la misma cantidad de electricidad que un electrón, pero tienen distinta clase El protón es positivo y el electrón negativo. Los cuerpos igualmente electrizados se repelen y los electrizados de distinta clase se atraen. Al ponerse en contacto los cuerpos, la electricidad pasa de unos a otros.
Cambio de la electrización de un cuerpo Si un cuerpo electrizado, positivamente, se le empieza a electrizar negativamente, su estado de electrización disminuirá al principio, luego desaparecerá por completo y recién después de pasado todo esto el cuerpo empezara a electrizarse negativamente. De esta experiencia se concluye que las cargas de diferente signo se compensan mutuamente, hecho que sugirió la hipótesis de que en los cuerpos no cargados siempre existen cargas, pero solamente del signo contrario y en una cantidad tal que sus acciones se compensan completamente.
Al electrizar los cuerpos por frotamiento, se electrizan los dos: uno positivo y uno negativo. De esto, se llega a la conclusión de que las cargas no se crean ni desaparecen sino que solamente se pueden trasladar de un cuerpo a otro o de un lugar a otro, en el interior del cuerpo dado. Esta deducción es conocida como: Ley de conservación de la carga eléctrica.
Carga elemental La carga eléctrica es una propiedad inseparable de algunas partículas elementales. La carga de todas las partículas elementales (si no es nula) es igual en magnitud absoluta y puede denominarse carga elemental. La carga elemental positiva la designamos por medio de la letra e. El electrón posee carga igual a -e. El protón carga igual a e y el neutrón carga nula.
Si por un procedimiento cualquiera se crea un exceso de partículas de un signo, el cuerpo resultará cargado. También se puede, lograr un proceso de redistribución de cargas en un cuerpo, es decir, que en un sector existan sólo cargas de un signo y en otro sector cargas del signo contrario. Esto puede lograrse aproximando un objeto metálico no cargado a otro cargado. Como toda la carga está formada por un conjunto de cargas elementales esta será entera y múltiplo de e. q = + N * e Donde N es un número entero.
El valor de la carga elemental e es de: 1,6 * 10 C. Si una magnitud física puede tomar solamente valores discretos, se dice que esta magnitud está cuantizada. -19 La magnitud de la carga es invariante relativista, es decir, no depende de los estados de movimiento o reposo de un cuerpo.
Resumen: Un cuerpo que tiene cantidades distintas de electrones y de protones se carga eléctricamente. Si tiene más electrones que protones, tiene carga negativa. Si tiene menos electrones que protones, tiene carga positiva. Cuando un cuerpo material se carga, no se crean ni destruyen electrones, sino que se mueven de un material a otro. Por lo tanto la carga eléctrica se conserva. La ley de conservación de la carga, siempre se ha comprobado, ya sea a gran escala o a nivel atómico y nuclear. De este modo se convierte en uno de los pilares fundamentales de la física.
Principios de electrostática De atracción y repulsión: cargas de igual signo se repelen y cargas de signos opuestos se atraen. De cargas eléctricas: si un sistema está aislado eléctricamente, la suma algebraica de cargas positivas y negativas es constante. Eléctricamente aislado significa que no hay intercambio de cargas con el exterior. Flujo de electrones: los electrones se desplazan y se mueven donde hay déficit de ellos, ya que todo cuerpo tiene un equilibrio eléctrico.
Conexión a tierra Conectar un cuerpo a tierra significa que este puede recibir del cuerpo cargado, electrones o enviar electrones al cuerpo donde hay déficit de ellos. En ambos casos el cuerpo conectado a tierra se descarga. Relación entre Coulomb y carga elemental S.I. Coulomb (C) Electrón (e). 1e = 1,6 * 10. C 18-19 1C = 6,25 * 10. e
Interacciones entre cargas + + - - + -
Tipos de materiales: conductores, dieléctricos y semiconductores La experiencia demuestra que todos los cuerpos se dividen en dos clases: Conductores: cuerpos que conducen la electricidad. No conductores: cuerpos que no conducen electricidad; también llamados aislantes o dieléctricos.
Conductores Los conductores se dividen en: Conductores de primera clase o conductores electrónicos. El transporte de cargas eléctricas en los conductores de primera clase no acarrea ninguna variación en su naturaleza química, ni es sensible en la traslación de las sustancias. A este grupo pertenecen todos los metales y las sales fundidas. En los metales, parte de los electrones se desplazan libremente por y entre los átomos. La electrización del conductor se reduce a la variación del número de electrones.
Conductores de segunda clase o electrolíticos. El transporte de las cargas eléctricas en los conductores de segunda clase sí acarrea cambios químicos, los cuales llevan a un desprendimiento de las sustancias componentes en los lugares de contacto con otros conductores. A este grupo pertenecen soluciones salinas, ácidas y alcalinas. En estos no hay electrones libres, pero hay átomos o moléculas cargados denominados iones. El desplazamiento de las cargas en estos conductores de debe al traslado de iones.
Semiconductores Estos son dispositivos compuestos de un material no sólo con propiedades aislantes y de conductor, sino también con resistencia que cambia repentinamente cuando cambien otras condiciones, como la temperatura, el voltaje y los campos eléctricos y magnéticos. Materiales como el silicio y el germanio son ejemplos de semiconductores.
No conductores Los aislantes pueden ser los cristales de las sales, los aceites, el aire, el vidrio, la porcelana, la ebonita, el caucho, el ámbar y otras sustancias. Los dieléctricos, están presentes en las moléculas con igualdad cargas o de iones que no pueden desplazarse libremente por el dieléctrico. El dieléctrico bajo la acción de fuerzas eléctricas las cargas del dieléctrico se desplazan un poco o varían su orientación. A este fenómeno se le llama polarización dieléctrica. El dieléctrico sigue polarizado al dividirlo.
Si la fuerzas eléctricas son demasiado grandes, las moléculas del dieléctrico pueden destruirse y este se hace conductor. A este fenómeno se denomina perforación del dieléctrico. Este fenómeno también puede ocurrir en condiciones especiales, como altas temperaturas. En general los dieléctricos son medios materiales en los cuales las cargas no tienen facilidad de movimiento.