unidad 1 cuarto año

Ya no nos queda mucho
tiempo
UNIDAD 1:
“ELECTRICIDAD Y
MAGNETISMO”
PROFESORA: GABRIELA MATAMALA
FUERZA
ELÉCTRICA
POTENCIAL
ELECTRICO
CARGA ELECTRICA
CONDENSADORES
MOVIMIENTO DE
CARGA EN UN
ELÉCTRICO
FENÓMENOS
MAGNÉTICOS
• Uno de los fenómenos naturales más abundantes en la tierra son las
tormentas eléctricas. La descarga eléctrica o chispa eléctrica que
llega a tierra recibe el nombre de rayo y la chispa que va de una nube
a otra, se llama relámpago, aunque normalmente los dos son usados
como sinónimos del mismo fenómeno.
Carga eléctrica
• Los experimentos
demuestran que existen dos tipos de cargas
eléctricas: positiva y negativa, denominadas así por el científico
Benjamín Franklin (1706-1790)
• Hoy se sabe que el origen de la carga es el átomo. Un átomo está
constituido básicamente por protones, neutrones y electrones. Los
protones poseen carga positiva y junto con los neutrones, sin
carga eléctrica, se encuentran en el núcleo del átomo. Los
electrones poseen carga negativa y se mueven alrededor del
núcleo.
• El átomo por naturaleza es eléctricamente neutro, es decir, por
cada electrón con carga negativa hay un protón con carga positiva.
Partícula
Electrón
Protón
Neutrón
Carga (c)
- 1,60bx 10-19
1,60bx 10-19
0
Masa (kg)
9,11 x 10-31
1,67 x 10-27
1,67 x 10-27
Propiedades de la carga eléctrica
1.
La carga eléctrica se conserva. Cuando dos objetos
inicialmente neutros se cargan al frotarse entre sí, no se crea
carga en el proceso, solo se transfieren cargas negativas de un
objeto a otro, siendo la carga que cede igual a la carga que gana
el otro cuerpo.
2.
La carga eléctrica está cuantiada. Cuando un objeto se carga
eléctricamente; su carga es siempre un múltiplo de una unidad
de carga fundamental que se designa como e. por ejemplo, el
+
+
objeto puede tener una carga de +
−𝑒 o de −2𝑒 o de −3𝑒, etc.
Conductores y aislantes
• La
mayoría de los materiales se clasifican de acuerdo a si son conductores o
aislantes de las cargas eléctricas.
Si un material es conductor posee algunos electrones débilmente ligados y estos se
pueden mover con libertad dentro del material. Estos electrones reciben el nombre
de electrones libres o electrones de conducción. Ejemplo: metales.
• Un material es aislante o dieléctrico cuando en sus átomos los electrones están
fuertemente ligados y por lo tanto, la carga se mueve con gran dificultad. Ejemplo
vidrio, la goma, la porcelana, el plástico, etc.
• Los materiales que caen en una categoría intermedia se denominan
semiconductores. Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía
con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o aislantes. Para
conseguir esto, se le introducen átomos de otros elementos en el semiconductor. A
estos átomos se le llaman impurezas. Ejemplo: silicio y el germanio.
•
Métodos de electrización. FROTACIÓN
• Cuando un objeto se frota con otro, se aproximan lo suficiente para
que sus átomos interactúen. Durante esta aproximación uno de los
objetos cederá electrones y el otro las captara. Así, mediante este
procedimiento quedaran con cargas eléctricas opuestas.
• En los sólidos son los electrones los que se transfieren, debido a
que los núcleos están en posición relativamente fijas y los
electrones están fuertemente ligados al núcleo. En el caso de los
gases y líquidos, el movimiento puede ser tanto de iones positivos
como negativos.
Método de electrización. POR CONTACTO
• La electrización por contacto o conducción se produce cuando un
cuerpo inicialmente electrizado, negativa o positivamente, toca a
un cuerpo neutro, así, el contacto produce una transferencia de
electrones. En esta electrización ambos cuerpos quedan cargados
igualmente.
Método de electrización. POR
INDUCCIÓN
• En la electrización por
inducción los cuerpos
quedan con cargas
opuestas.
POLARIZACIÓN
Una propiedad de los materiales aislantes es que
pueden experimentar un proceso equivalente a la
carga por inducción .Se dice que un cuerpo tiene la
carga eléctrica polarizada cuando la carga negativa
está en un extremo y en el otro está la carga positiva.
Se produce por el desplazamiento de los electrones.
Fuente: windows.ucar.edu/earth/
PÉNDULO ELÉCTRICO
Al acercar un cuerpo cargado eléctricamente a un péndulo
cuyo estado de carga es neutro, el cuerpo polariza al péndulo,
produciendo atracción entre ambos cuerpos. Si la varilla toca
la esfera observaras en seguida una repulsión. Instrumentos
tales como el péndulo eléctrico, que permiten acusar el
estado eléctrico de los cuerpos se llaman Electroscopios.
Fuente: kalipedia.com
ELECTROSCOPIO DE HOJUELAS
• Consta fundamentalmente de una
esfera metálica unida a un extremo
de un vástago también metálico, en
cuyo extremo se adosan dos
finísimas laminillas metálicas.
• Electrizando la esfera por contacto
con un cuerpo en estado eléctrico
(cargado), éste es transmitido por el
vástago metálico a las hojuelas, las
que entonces se separan porque
adquieren estado eléctrico de la
misma clase.
Fuente: upload.wikimedia.org
EJERCICIO Nº 1
Un cuerpo está cargado negativamente cuando tiene
I. cierto número de electrones libres.
II. déficit de electrones.
III. exceso de electrones.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y II
E) Sólo I Y III
c
Conocimiento
EJERCICIO Nº 2
Se tiene un electroscopio cargado negativamente, producto de lo
cual se produce una pequeña separación de las hojas. Si ahora se
aproxima una esfera con carga negativa a la esfera metálica del
electroscopio, como muestra la figura, se espera que las hojas del
electroscopio
A) se separen aún más.
B) se acerquen.
C) permanezcan igual.
D) se carguen positivamente.
E) se neutralicen.
A
Análisis
EJERCICIO Nº 3
Una barra aislante P, electrizada positivamente, se coloca en las
proximidades de una barra metálica B (fija), no electrizada. La esfera
conductora E, también descargada, está suspendida por un hilo aislante,
próxima al otro extremo de la barra. Se puede afirmar que
I. la barra B se polariza.
II. la esfera E se polariza.
III. la barra B y la esfera E se atraen.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y II
E) I, II y III
E
Análisis
A
EJERCICIO Nº 4
Conocimiento
Al poner en contacto dos cuerpos, uno cargado
positivamente y otro neutro, se espera que
A) ambos cuerpos queden cargados positivamente.
B) un cuerpo quede positivo y el otro negativo.
C) ambos cuerpos queden cargados negativamente.
D) ambos queden neutros.
E) que los cuerpos mantengan su estado eléctrico.
3. LEY DE COULOMB
Enunciado de la Ley de Coulomb
La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está
dirigida a lo largo de la línea que las une. Es repulsiva si las
cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos
opuestos. La fuerza varía inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que separa las cargas y es
proporcional al valor de cada una de ellas.
Expresión vectorial de la Ley de Coulomb
Z
q1

r1
X
  
r21  r2  r1

r2
q2

q1q2 
F12  k
ur
2
r12
Y
k: Constante de Coulomb, cuyo valor depende del
sistema de unidades y del medio en el que
trabajemos.
En el vacío
S.I.
C.G.S.
k = 9·109 N m2/C2
k = 1 dyna cm2/u.e.e2
1 C = 3·109 u.e.e.
4. CAMPO ELÉCTRICO. PRINCIPIO DE
SUPERPOSICIÓN
La interacción entre cargas eléctricas no se produce de
manera instantánea. El intermediario de la fuerza mutua
que aparece entre dos cargas eléctricas es el Campo
Eléctrico.
Fue Michael Faraday quien introdujo la noción de
campo en la física para poder explicar la interacción
a distancia que ocurre entre cuerpos
• La forma de determinar si en una cierta región del espacio existe un
campo eléctrico, consiste en colocar en dicha región una carga de
prueba, qo (carga positiva puntual) y comprobar la fuerza que
experimenta.

F
Z

r
qo
La fuerza eléctrica entre la
carga q y la carga de prueba
qo es repulsiva, y viene dada
por
q

qqo 
Fqqo  k
ur
2
r12
Y
Se define la intensidad de campo eléctrico en
un punto como la fuerza por unidad de carga
positiva en ese punto.
X

 F
E
qo

q
E  k ur
r2
La dirección y sentido
del campo eléctrico
coincide con el de la
fuerza eléctrica.
5. LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO

Las líneas de campo se dibujan de forma que el vector E
sea tangente a ellas en cada punto. Además su sentido
debe coincidir con el de dicho vector.
Reglas para dibujar las líneas de campo
•Las líneas salen de las cargas positivas y entran en las negativas.
•El número de líneas que entran o salen es proporcional al valor
de la carga.
•Las líneas se dibujan simétricamente.
•Las líneas empiezan o terminan sólo en las cargas puntuales.
•La densidad de líneas es proporcional al valor del campo eléctrico.
•Nunca pueden cortarse dos líneas de campo.
EJEMPLOS DE LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO
Carga
puntual
Dos cargas
iguales
Dipolo
eléctrico
Más ejemplos
Q(-)=2Q(+)
Unidades de V
[V] = [U] / [q].
En el S.I.
[V] = Joules/ Coulomb = Volt.
Por lo tanto
1 Volt = 1 J/C.
• Si se conoce el Potencial en un punto P, entonces una carga q ubicada en
dicho punto tendrá una energía potencial que se obtiene despejando U de
U= (K Q q)/r
• Luego:
U=q V
Potencial en un punto P debido
a carga puntual Q.
Si dividimos ambos lados de U= (K Q q)/r por q resulta: U/q= KQ/r, por
lo tanto el potencial V en un punto P a una distancia r de Q viene dado por:
V= K Q/r
Naturaleza del Potencial.
• Dado que V corresponde a energía por unidad de
carga, el Potencial Eléctrico es de naturaleza escalar.
Principio de superposición para el
Potencial.
•Este principio se traduce en que el Potencial
neto en un punto P debido a un conjunto de
cargas se obtiene sumando los potenciales de
cada carga
El Condensador plano.
Un condensador es un dispositivo que
almacena carga eléctrica. El de tipo plano
consiste en 2 placas paralelas de la misma
área que almacena carga de distinto signo y
además están separadas una cierta
distancia. La figura bosqueja a un
condensador plano.
• Ambas placas tiene igual Área A. La placa superior de
la figura tiene distribuida una carga total positiva +Q
y la inferior una carga del mismo monto pero
negativa - Q. La separación entre ambas placas es d y
la región entre ellas la consideraremos al vacío.
Capacidad de un condensador plano
(C).
• La capacidad de un condensador es directamente
proporcional al Área e inversamente proporcional a la
distancia entre sus placas. La constante de
proporcionalidad la denominaremos ε0 la que
corresponde a cierta característica del vacío. Por lo
tanto la capacidad se expresa como:
C= ε0 (A/d)
• La constante ε0 (léase Epsilon cero) tiene un valor numérico dado por:
ε0 = 1/4πK
En esta expresión K es la constante de la Ley de Coulomb.
Unidades de Capacidad.
• Cuando A, d y K se miden en las unidades del SI, la capacidad se mide en
Faraday (F). Se suelen utilizar submúltiplos del Faraday:
•
1 mili Faraday = 1mF = 10-3 F.
•
1 micro Faraday = 1µ F = 10-6 F.
• El símbolo para un condensador de placas se indica en la figura:
C
Campo Eléctrico y Potencial
en el Condensador.
•Si la distancia entre las placas del condensador
es pequeña comparada con la raíz cuadrada del
Área, el campo eléctrico (E) que se establece es
aproximadamente uniforme y apunta en
dirección perpendicular a las placas desde la
positiva a la negativa.
• El Potencial Eléctrico entre las placas o diferencia de Potencial Eléctrico (V)
es directamente proporcional a la carga (Q) e inversamente proporcional a
la capacidad (C). Por lo tanto:
•V= Q/C
•
El Campo Eléctrico (E) es directamente proporcional a V e inversamente
proporcional a d, por lo tanto:
E= V/d
EJERCICIOS PSU
1.- La energía potencial eléctrica de una carga puntual q en un punto P del
campo generado por otra carga puntual Q posicionada en el punto A es de
mil Joules, cuyo significado es que
• A)
El trabajo que realiza un agente externo en llevar la carga Q desde el
punto P hasta el punto A es de 1000 J.
• B)
El trabajo que realiza el campo eléctrico sobre q cuando va desde el
punto P hasta el infinito es de 1000 J.
• C)
El trabajo que realiza el campo eléctrico de Q cuando q se trae desde el
infinito hasta el punto P es de 1000 J.
• D)
El trabajo que realiza un agente externo en llevar la larga q desde P
hasta el infinito es de 1000 J.
• E)
El trabajo que realiza un agente externo en traer la carga q desde el
infinito hasta el punto P es de 1000 J.
• Una esfera metálica T aislada eléctricamente, tiene distribuida
en su superficie una carga positiva Q. Otra esfera U idéntica a
T (igual radio e igual material) y descargada, se coloca en
contacto con T, luego de lo cual se separan. Después, U se
contacta con otra esfera idéntica S, también descargada, y
luego se separa de ella. Finalmente, S se contacta con T, luego
de lo cual se separan. ¿Con qué carga final queda la esfera T?
•
A) Q / 3
•
B) 3 Q / 8
•
C)
Q/2
•
D) 3 Q / 4
•
E) 2 Q / 3