FÍSICA III POTENCIAL ELÉCTRICO Semana 1 Clase 16/01 Alexander Peña Nevado Los profesores del curso 1 CARGA ELÉCTRICA Alexander Peña 2Nevado Los profesores del curso Primeros Indicios Alexander Peña Nevado 5 Los profesores del curso Primeros Indicios Alexander Peña Nevado 6 Primeros Indicios Conclusiones Hay dos tipos de cargas • Cargas de igual signo se repelen • Cargas de signos opuestos se atraen La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia 1750 Benjamin Franklin – Estableció dos tipos de cargas, positiva y negativa. La electricidad es un fluido invisible. Alexander Peña Nevado 7 Carga eléctrica Es una propiedad física de la materia, y una medida de la capacidad de las partículas y/o cuerpos electrizados para interactuar entre sí. ¿Cuándo decimos que un cuerpo está cargado? Cuando un átomo o un conjunto de átomos tiene una cantidad de electrones en exceso o en déficit. Entonces: 𝑄 = ±𝑛 𝑒 − 𝑒 − =Carga del electrón. Donde e es la carga fundamental y su valor es: e = 1,60218 x 10 – 19 C Alexander Peña Nevado 8 Carga eléctrica • Un cuerpo es eléctricamente neutro si el número de electrones es igual al número de protones, la suma de todas las cargas es nula. • Un átomo, inicialmente neutro, que pierde uno o más de sus electrones quedará cargado positivamente y se le llamará ion positivo. • Un átomo inicialmente neutro que gana uno o más electrones quedará cargado negativamente y se le llamará ion negativo. Alexander Peña Nevado 9 Conductores y aislantes • Conductores: Tienen la facilidad de permitir el traslado de electrones, tanto de recibirlos como donarlos. La conductividad eléctrica es la propiedad que mide que tan buen conductor es un material. o Entre estos materiales destacan los metales: Cobre, hierro, aluminio, etc. • Aislantes: No permiten el traslado de electrones. Tienen baja conductividad eléctrica. o Pueden ser atraídos por objetos cargados. Este efecto es llamado polarización. Alexander Peña Nevado 18 Formas de electrización Por Frotamiento Vidrio Mica Lana Seda Algodón Madera Ambar Resinas Metales Celulosa Mayor capacidad de donar electrones Alexander Peña Nevado 11 Por Contacto Alexander Peña Nevado 14 Conexión a Tierra La tierra es un conductor tan grande que actúa como una fuente o sumidero de electrones. En un tomacorriente ¿cómo identificar una fase y neutro? Alexander Peña Nevado 12 Por Inducción Alexander Peña Nevado 13 Electrización por Contacto Nota: ¿Qué sucede con la carga total del sistema? • Se muestran dos esferas conductoras idénticas A tiene una carga de -0.2uC y B está descargado. Se ponen en contacto y luego se separan. Calcular la carga de cada esfera Alexander Peña Nevado 15 Problema 1 Un objeto tiene una carga de - 4.8 uC, ¿cuántos electrones en exceso o carencia tiene? Tres esferas conductoras idénticas A, B y C, las esferas A y B tienen cargas de +32 mC, -8 mC, mientras que C está descargada. Se ponen en contacto las esferas A y C, se separan y luego se ponen en contacto B con A. Calcular: ¿Cuál es la carga de cada esfera? ¿Cuántos electrones en exceso o carencia tiene A? electrones en déficit Alexander Peña Nevado 16 Problema 3 Tres bloques A, B, C, conductores y eléctricamente neutros, se encuentran en contacto, apoyados sobre una mesa de material aislante. La barra P está cargada positivamente, se coloca cerca del extremo del bloque A, como se muestra en la figura. Una persona con guantes aislantes separa los bloques entre sí, y en seguida aleja las barras electrizadas. a) Describa el movimiento de los electrones libres en los bloques. b) ¿Cuál es el signo de cada bloque al final del proceso? A P B C + Aislante Alexander Peña Nevado 19 Los profesores del curso 2 LEY DE COULOMB Alexander Peña 16 Nevado Ley de Coulomb Alexander Peña Nevado 21 q1 Ley de Coulomb – r F12 F12 + q1 F 21 r + q2 + q2 F 21 û r q1 q2 F =k 2 r ¡Solo para cargas puntuales! 22 Problema 1 En la figura se muestran tres cargas q1 = +7 μC, q2 = +4 μC y q3 = -3 uC. Calcular la fuerza resultante que actúa sobre q2 . Alexander Peña Nevado Problema 2 Una varilla de material aislante y peso despreciable, tiene dos esferitas q1 y q2 muy ligeras (pesos despreciables) y cargadas eléctricamente, en el techo aislante hay una tercera esferita fija con carga positiva q y peso despreciable. Si q1 = 27 μC determinar: (a) El signo de la carga q2 para que la varilla se encuentre en equilibrio en posición horizontal. (b) El valor de la carga q2 para que suceda la condición del punto (a). Alexander Peña Nevado 27 Problema 3 Una carga puntual Q de -0.1 mC y masa de 2 kg está suspendida de un hilo aislante. Seis cargas puntuales, cada una de carga q de 10 μC, están unidas por un alambre aislante y se encuentran formando un hexágono regular de 50 cm de lado. Este hexágono de cargas se encuentra en equilibrio, suspendido en el aire. La carga Q se encuentra a 1 m del plano horizontal que contiene las seis cargas q. Determinar la tensión del hilo aislante Alexander Peña Nevado 28 Distribución continua de carga Se denomina distribución de carga continua a toda configuración donde las cargas se encuentran muy próximas unas de otras, estas configuraciones se presentan cuerpos cargados con una o más dimensiones considerables. Para estos casos se define la densidad de carga, la cantidad de carga eléctrica por unidad de longitud, área o volumen: Densidad de carga superficial: 𝜎 = Densidad lineal de carga 𝜆 = 𝐶 Unidad: 𝑚 𝑄 𝐿 = 𝑑𝑄 𝑑𝐿 𝑄 𝑆 = 𝑑𝑄 𝑑𝑆 𝐶 Unidad: 𝑚2 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑠𝑑 𝜎 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿𝑑 𝜆 Densidad de carga volumétrica: 𝜌 = 𝑄 𝑉 = 𝑑𝑄 𝑑𝑉 𝐶 Unidad: 𝑚3 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑑 𝜌 Se dice que la carga es distribuida uniformemente cuando la densidad de carga es constante. Alexander Peña22Nevado 𝐹Ԧ𝑃 = 𝐹Ԧ1 + 𝐹Ԧ2 + 𝐹Ԧ3 𝐹Ԧ𝑃 = 𝑘 𝑄𝑞 𝑢 𝑟2 𝐹Ԧ𝑜 =? o 𝑞𝑄𝑖 𝑢 𝑟𝑖 2 Q a L 𝑟1 x o Ԧ 𝑑 𝐹𝑜 𝐹Ԧ𝑃 = 𝑘 dq 𝑎+𝐿 𝐹Ԧ𝑜 = න 𝑎 𝑑𝑄 = 𝜆𝑑𝑥 𝑞𝑑𝑄 𝑘 2 𝑢 𝑟𝑖 𝑎+𝐿 𝐹Ԧ𝑜 = න 𝑎 𝑞𝜆𝑑𝑥 𝑘 2 𝑢 𝑥 Alexander Peña27Nevado Problema 1 Un alambre conductor recto de 5 m de longitud con carga uniformemente distribuida de Q =+ 32 x 10-3 C, se encuentra tendido sobre el eje x como se muestra en la figura. Calcular la fuerza eléctrica sobre una carga puntual q=2uC ubicada en el origen de coordenadas. Alexander Peña28Nevado Problema 2 Un alambre conductor de densidad lineal de carga constante λ = - 5 x 10-6 C/m. Calcular la fuerza eléctrica sobre una carga puntual q=-3uC ubicada en el punto A(9; 0) m. Del problema anterior, calcular la fuerza eléctrica sobre una carga puntual q=+5uC ubicada en el punto B(0; 3) m. Alexander Peña29Nevado Problema 3 La figura muestra un alambre conductor en forma de un arco de circunferencia de 2 m de radio con una densidad uniforme de carga λ= -12x10-3 C/m. Calcular la fuerza eléctrica producido por el alambre sobre una carga q=+5uC ubicada en el origen de coordenadas. Alexander Peña32Nevado Problema 4 La figura muestra un alambre conductor en forma de un arco de circunferencia de 2 m de radio con una densidad uniforme de carga λ= +12x10-3 C/m. Calcular la fuerza eléctrica producido por el alambre sobre una carga q=-3nC ubicada en el origen de coordenadas. Alexander Peña32Nevado Problema 5 Un alambre conductor cargado de 20mC tiene la forma mostrada, el arco de circunferencia tiene 5m de radio y la parte recta tiene una longitud de 10m. Calcular la fuerza eléctrica producido por el alambre sobre una carga q=-3nC ubicada en el punto (-5; 0)m. Alexander Peña32Nevado
