CONTENIDO Introducción Justificación Objetivos

CONTENIDO
• Introducción
• Justificación
• Objetivos
• General
3.2Especifico
• Mapa conceptual
• Análisis de conceptos dados
• Desarrollo de Ejercicios
• INTRODUCCION
En fÃ-sica, la carga eléctrica es una propiedad intrÃ-nseca de algunas partÃ-culas subatómicas
(pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las
interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos
electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico
origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética.
2. JUSTIFICACION
• OBJETIVOS
• Objetivo General
−Comprender la importancia de la Ley Coulomb en la fÃ-sica moderna.
3.2 Objetivos EspecÃ-ficos
−Identificar el comportamiento de las cargas eléctricas positivas y negativas.
−Tener los conocimientos necesarios para asi poder calcular la fuerza eléctrica entre dos cuerpos cargados
eléctricamente
−identificar aplicaciones tecnológicas de la electrostática en la vida moderna.
−Poder tener la capacidad de comprender. las propiedades eléctricas de la materia
4.O MAPA CONCEPTUAL
5.0 ANALISIS DE CONCEPTOS DADOS
SITUACIÓN PROBLEMA 2: Debes leer sobre carga eléctrica, Ley de Coulomb y solucionar los
siguientes ejercicios:
Verdadero o falso: (Debes argumentar tus respuestas)
• El campo eléctrico de una carga puntual tiene un sentido siempre de alejamiento desde la carga.
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FALSO, el vector del campo eléctrico establecido por una carga puntual positiva siempre señala
alejándose, es decir, en la misma posición de r; en cada punto, el vector de campo eléctrico establecido
por una carga puntual negativa, apunta directamente hacia la carga, es decir, dirección opuesta a r.
• La carga del electrón es la menor carga posible.
VERDADERO. La carga eléctrica está cuantificada y su unidad más elemental es la carga
del electrón. Cualquier carga es múltiplo entero del la carga del electrón y su valor
es e = 1,610−19 C. Es una magnitud escalar. Por tanto un Culombio son 6,251018 e.
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. Cualquier tipo de materia consta de
átomos, y éstos a su vez, de protones, neutrones y electrones. De estas partÃ-culas, las primeras y las
últimas poseen carga positiva y negativa, respectivamente. Observando la materia macroscópicamente no
parece observarse que esté cargada, lo que sucede es que el número de partÃ-culas positivas es análogo
al de negativas, neutralizándose entre sÃ- sus efectos. Cuando hablamos de carga de un cuerpo nos
referimos a la carga neta o exceso de carga, ya sea esta positiva o negativa. Realizando mediciones precisas de
carga se observa que siempre se obtienen múltiplos de una cantidad muy pequeña y nunca fracciones de la
misma. A esta pequeña carga unidad se le llama carga elemental y coincide con la carga eléctrica que
posee un electrón. Cualquier cantidad de carga será, por tanto, un múltiplo de la carga del electrón, q =
Ne− siendo N un nº entero y e− el valor de la unidad elemental de carga.
• Las lÃ-neas eléctricas de fuerza nunca divergen desde un punto del espacio.
FALSO, el termino lÃ-neas eléctricas hace referencia a redes de transporte de corriente eléctrica.
La presencia de un campo eléctrico se puede indicar dibujando las llamadas lÃ-neas de fuerza eléctrica.
Las lÃ-neas de fuerza son lÃ-neas que representan la dirección del campo en cada punto y que representan
las trayectorias que seguirÃ-a una partÃ-cula con carga eléctrica positiva que se abandonara a la acción
del campo. Las lÃ-neas de fuerza en cada punto son tangentes al vector campo E, en dicho punto.
Las lÃ-neas de fuerza eléctrica divergen desde una caga puntual positiva, señala el sentido alejándose
de dicha carga, y convergen sobre una carga puntual negativa, el sentido señala hacia la misma: + −
DIVERGEN (Fuentes) CONVERGEN (Sumideros)
• Las lÃ-neas de fuerza eléctrica nunca pueden cortarse en un punto del espacio.
VERDADERO, las lÃ-neas de fuerza eléctrica, son lÃ-neas imaginarias y son la trayectoria que seguira la
carga positiva dejada en libertad dentro del campo eléctrico.
2
CaracterÃ-sticas de las lÃ-neas de fuerza:
• Las lÃ-neas salen de las cargas positivas ( fuentes y entran en las cargas negativas (sumidero) De lo
anterior se desprende que de cada punto de la superficie de una esfera, suponiendo forma esférica para
una carga, puede salir o entrar solo una lÃ-nea de fuerza, en consecuencia entre dos cargas que interactúan
solo puede relacionarse un punto de su superficie con solo un punto de la otra superficie, y ello es a
través de una lÃ-nea, y esa lÃ-nea es la lÃ-nea de fuerza.
2. El nº de lÃ-neas que entran en las cargas puntal es proporcional al valor de la carga.
3ºEn cada punto del campo electrico nº de lÃ-neas por unidad de superficie perpendicular a ellas es
proporcional a la intensidad de campo.
4. Las lineas de fuerzas nunca puden cortarse (unicidad del campo). En cada punto el campo tiene una
direccion y un sentido único, por lo que 2 lÃ-neas no pueden cruzarse ya que el campo tendria 2 direcciones;
Si se admitiera que dos lÃ-neas de fuerza se interceptan, entonces se podrÃ-a extender la superficie de la otra
carga hacia el lugar donde se interceptan las lÃ-neas que se mencionan y se podrÃ-a concluir que dos lÃ-neas
entran o salen de una superficie de una carga eléctrica. Con esto se está contradiciendo lo postulado
inicialmente. En consecuencia, es imposible que dos lÃ-neas de fuerza se intercepten.
Por otra parte, si las lÃ-neas de fuerza se cortaran, significarÃ-a que en dicho punto E poseerÃ-a dos
direcciones distintas, lo que contradice la definición de que a cada punto sólo le corresponde un valor
único de intensidad de campo.
Las lÃ-neas de fuerza deben ser perpendiculares a las superficies de los objetos en los lugares donde conectan
con ellas
El campo es tangente a la lÃ-nea de fuerza. Las lÃ-neas se dibujan simétricamente saliendo o entrando en
la carga puntual.
• La fuerza gravitacional es más débil que la fuerza eléctrica.
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1.− Analicemos la fuerza eléctrica entre un protón y un electrón en el núcleo de hidrógeno. La
separación promedio entre en electrón y el protón es:
Â
Sustituyendo los datos tendremos:
Â
para la fuerza gravitacional tenemos:
Â
4
Podemos comparar directamente que la fuerza gravitacional es más débil que la fuerza eléctrica
Aunque la fuerza gravitacional es más pequeña, pero es de atracción, por ello puede generar la creación
de grandes masas, tal es el caso de la formación de las estrellas y de los planetas de modo que a medida que
crecen sus masas pueden generarse grandes masas gravitatorias. Sin embargo, pese a que las fuerzas
eléctricas en el interior del átomo son grandes son de repulsión y por tanto no pueden crecer grandes
concentraciones de carga bien sean negativas como positivas
La fuerza gravitatoria es de largo alcance. Se manaifiesta en TODAS las partÃ-culas; es la más débil de
todas (las 4) fuerzas que existen.
La fuerza eléctrica es más fuerte pero de corto alcance. Llega hasta una distancia de la magnitud de un
árbol (10 a 30 metros). SÓLO se aplica a partÃ-culas cargadas eléctricamente.
Repulsión:
ÂÂÂÂÂÂÂÂ
La gravedad es una fuerza que se produce entre todos los cuerpos con masa, a mayor masa mayor atracción
(no hay repulsión, sólo atracción).
ÂÂÂÂÂÂÂÂ
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Mientras que la fuerza eléctrica produce una atracción hacia los cuerpos de carga opuesta, y una
repulsión a los de carga idéntica.
Resistencia:
ÂÂÂÂÂÂÂÂ
No hay nada que oponga una resistencia a la gravedad. Sin embargo, la fuerza eléctrica es modificada por
el medio. La fuerza eléctrica está Ã-ntimamente asociada a la fuerza magnética de hecho, se consideran
dos fenómenos de la misma fuerza. La fuerza gravitatoria no está asociada a ninguna otra fuerza.
Ejercicios: (Debes argumentar tus respuestas)
• Qué relación numérica existe entre un (1) µC y un (1) C.
Cualquier cantidad de carga será, por tanto, un múltiplo de la carga del electrón, q = Ne− siendo N un nº
entero y e− el valor de la unidad elemental de carga.
Esta propiedad se expresa diciendo que la carga está cuantizada. En el Sistema Internacional se toma como
unidad de carga eléctrica el coulomb o culombio (C) que equivale a 6,242·1018 cargas elementales,
siendo por tanto, la carga de un eigual a 1,6·10−19 C.
El culombio se define a partir de la unidad de intensidad de corriente eléctrica: Un culombio es la carga que
pasa por la sección transversal de un conductor en un segundo cuando la intensidad de corriente que circula
por él es de un amperio.
Con frecuencia se usan submúltiplos del culombio siendo los más frecuentes los siguientes:
1 mC = 10−3 C (miliculombios)
1 μC = 10−6 C (microculombios)
1 nC = 10−9 C (nanoculombios)
Experimentalmente se observa que la carga no puede crearse ni destruirse, es decir, que en un sistema aislado
(sistema en el cual no puede entrar ni salir carga), las cargas + y − pueden variar con el tiempo pero la carga
neta (suma de cargas + y −) permanece constante. A esta ley se la conoce como Ley de conservación de la
carga eléctrica.
La unidad más pequeña de carga conocida en la naturaleza es la que tiene un electrón o un protón. La
carga de un electrón o de un protón tiene una magnitud de e  1.60219ï‚´10ï€-19C.
Por lo tanto, 1C de carga es igual a la carga de 6.3ï‚´1018 electrones (esto es, 1/ ). Se puede comparar esto con
el número de electrones libres que se encuentran en 1 cm³ de cobre, que es del orden de 1023 .
• A veces al abrir las puertas de un automóvil sentimos lo que se llama un corrientazo; ¿Cómo explicar
dicho fenómeno?
La descarga electrostática (conocido por sus siglas en inglés: electrostatic discharge, ESD) es un
fenómeno electrostático que hace que circule una corriente eléctrica repentina y momentáneamente
entre dos objetos de distinto potencial eléctrico; como la que circula por un pararrayos tras ser alcanzado
por un rayo. El término se utiliza generalmente en la industria electrónica y otras industrias para describir
las corrientes indeseadas momentáneas que pueden causar daño al equipo electrónico.
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Automovilistas y pasajeros conocen de sobra los efectos del fenómeno "ESD" que se produce cuando tocan
las extremidades de la puerta o del maletero, con la punta del capó o del ángulo de cualquier montante de la
carrocerÃ-a. Aunque la potencia de dicha descarga sea débil y carezca de peligrosidad, el sujeto es sensible
a su manifestación. Se han dado casos excepcionales de automovilistas que, estando cargados sus cuerpos de
electricidad estática, han cogido la manguera de combustible en la estación de servicio y al ir a introducir el
surtidor en el depósito, se ha desencadenado una chispa electrostática que acabó por incendiar la
manguera. Para evitar ese suceso tan peligroso, es recomendable que antes de repostar, toquemos una
superficie metálica (como la puerta de nuestro coche) para descargarnos de electrostática.
Cualquiera que sean las distintas formas de receptividad humana, las reacciones son de impotencia. Ante esta
serie de hechos, los más precavidos, prudentes o afectados compran pequeñas cintas que incorporan
generalmente hilos conductores metálicos, y las colocan en la parte trasera del vehÃ-culo, para que por ahÃse pueda desprender la electricidad estática
8.¿Con qué fuerza se atraen o repelen dos carga eléctricas de 0.5 y 0.8 culombios si se hallan separadas
por una distancia de 5 metros? ¿En qué caso se atraen y en cuál se repelen?
Ley de coulomb:
q(1)= 0,5 C
q(2)= 0,8 C
F= ?
K=9.0
N./=1/4Ï€€(0)
r = 5 metros
Entonces reemplazamos en la formula:
F= k q(1)q(2)
F= 9.0x
N. (0,5 C)(0,8 C)
(5 m)²
F= 9.0x
N. (0,4 )
25m²
F= 0,36x
N
25
F= 0,0144x
N
7
F= 144 x 105 N
Estas cargas se repelen con una fuerza de 144 x 105 N, la causa por la cual se repelan es porque las dos son
positivas (+).
Las fuerzas entre dos cargas son atractivas o repulsivas según las cargas sean de signos opuestos o del
mismo signo, respectivamente.
A partir de estas observaciones, enunció la ley que lleva su nombre:
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de
las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta ley se aplica sólo
a cargas puntuales en reposo, es decir, a aquellas cargas cuya dimensión es muy pequeña en comparación
con otra longitud del problema a considerar.
La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva).
El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza
repulsiva).
9.¿A qué distancia deben situarse dos cargas de y
culombios para que accionen con la fuerza de 5 newton?
Teniendo en cuenta que seguimos trabajando con la Ley de Coulomb, y que lo que necesitamos es la
distancia, despejamos:
q(1)= 10 −4 C
q(2)= 10 −6 C
F= 5 N
K=9.0
N./=1/4Ï€€(0)
r=?
Entonces despejamos en la formula:
F= k q(1)q(2)
Obtenemos:
8
r²= k q(1)q(2)
F
r² = 9.0x
N. (10 −4 C)(10 −6 C)
5N
r² = 9.0x
N. (10 −10 )
5N
r² = 9.0x
. (10 −10)
5
r² = 9.0x10 −1
5
r² = 0,18x10 −1
r² = 18
r = 4,24 m
Ahora verificamos temiendo en cuenta nuestra respuesta, en la formula inicial:
F= k q(1)q(2)
F= 9.0x
N. (10 −4 C)(10 −6 C)
(4 ,24 m2)
F= 9.0x
N. (10 −4 −6 C2)
18 m2
F= 9.0x
N. (10 −10 )
18
F= 9.0x 10 −1 N
18
9
F= 0,5x10 −1 N.
F= 5 N.
• Qué aplicaciones industriales tendrá todo lo que acabamos de estudiar?
En un coche no faltan las fuentes de tribo−electricidad: "ferodos" o pastillas de los frenos en fricción con
disco o tambores y correas de ventilador/alternador, para citar solamente las dos principales.
ESD y la industria Electrónica.
La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno fÃ-sico cuyo origen son
las cargas eléctricas y cuya energÃ-a se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y
quÃ-micos, entre otros.[1] [2] [3] [4] Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por
ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energÃ-a entre la
ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros
mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento
del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños
electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos
los dispositivos electrónicos.[5] Además es esencial para la producción de sustancias quÃ-micas como el
aluminio y el cloro.
Aquellos cuya polarización es permanente (electretos y materiales ferroeléctricos) se usan para fabricar
dispositivos como micrófonos y altavoces, entre otros
¿ Que es y cómo funciona una pila eléctrica?
Dispositivo que convierte la energÃ-a quÃ-mica en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrólito
(que puede ser lÃ-quido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrólito es
un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los
electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente eléctrica.
Las pilas en las que el producto quÃ-mico no puede volver a su forma original una vez que la energÃ-a
quÃ-mica se ha transformado en energÃ-a eléctrica (es decir, cuando las pilas se han descargado), se
llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas reversibles en las
que el producto quÃ-mico que al reaccionar en los electrodos produce energÃ-a eléctrica, puede ser
reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal
de la pila.
ï‚· PILAS PRIMARIAS Â
La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el quÃ-mico francés
Georges Leclanché en la década de 1860. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento
original. El electrólito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El
electrodo negativo es de cinc, igual que el recipiente de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de
carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza
electromotriz de unos 1,5 voltios. Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc−óxido de mercurio,
conocida normalmente como baterÃ-a de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en
audÃ-fonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el
electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La
baterÃ-a de mercurio produce 1,34Â V, aproximadamente.
La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos
quÃ-micos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera. ï‚· PILAS SECUNDARIAS Â
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El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse invirtiendo la reacción quÃ-mica, fue inventado en
1859 por el fÃ-sico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una baterÃ-a de plomo y ácido, y es
la que más se utiliza en la actualidad. Esta baterÃ-a, que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se
usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehÃ-culos. Su ventaja principal es que puede producir una
corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrólito es
una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de
dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones
positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de
plomo reaccionan con los iones sulfato del electrólito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones
vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción
quÃ-mica. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrólito y con los electrones
formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrólito produciendo nuevamente sulfato
de plomo.
Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y
en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones quÃ-micas descritas anteriormente se invierten hasta
que los productos quÃ-micos vuelven a su condición original. Una baterÃ-a de plomo y ácido tiene una
vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterÃ-as
de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.
Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o baterÃ-a de nÃ-quel y hierro, ideada por el inventor
estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de
ácido y plomo, pero aquÃ- el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo es de óxido de nÃ-quel
y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de nÃ-quel y hierro tiene la desventaja
de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta baterÃ-a se usa principalmente en la industria pesada. La
baterÃ-a de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce 1,15 V, aproximadamente.Otra pila
alcalina similar a la baterÃ-a de Edison es la pila de nÃ-quel y cadmio o baterÃ-a de cadmio, en la que el
electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25
años.
ï‚· PILAS SOLARES Â
Las pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de
electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido
impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se
dirigen a la superficie opuesta. AllÃ- se recogen como corriente eléctrica. Las pilas solares tienen una vida
muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones, como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.
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