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ELECTROSTÁTICA Dept. Ciencias

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1. CARGA ELÉCTRICA. La materia está formada por átomos, los cuales a su vez están constituidos por otras partículas subatómicas, y que en esencia se reducen a tres: electrones protones y neutrones. Estas partículas ejercen fuerzas entre sí. El electrón y protón se atraen, en cambio dos electrones o dos protones se repelen.

Para explicar este comportamiento de los electrones y los protones, se admite que estas partículas poseen lo que se llama carga eléctrica. Franklin asignó arbitrariamente el signo [+] para la carga del protón, y el signo negativo [-] para el electrón. A los neutrones en cambio, no les asignamos carga porque no ejercen este tipo de fuerzas sobre las demás partículas. De lo anterior se deduce que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen. Los átomos tienden a estar en equilibrio y para obtenerlo necesitan tener carga neutra, es decir, que contenga las misma carga positiva y negativa (número de protones = número de electrones). Los distintos fenómenos eléctricos se producen generalmente por la movilidad de los electrones. 2. CONDUCTORES Y DIELÉCTRICOS. Cuerpos conductores son aquellos que permiten el paso de electrones a través de ellos. Cuerpos dieléctricos o aislantes son permiten el paso de electrones a través de ellos.

aquellos

que

no

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3. INFLUENCIA ELECTROSTÁTICA. Existen dos clases de electrificación electrostática, es decir de carga o descarga de los cuerpos (las cargas se acumulan en ciertas regiones del cuerpo): -

Electrificación electrostática por contacto: los cuerpos se tocan y se produce el fenómeno de electrificación o desplazamiento de electrones por comunicación directa. Electrificación electrostática por inducción: los cuerpos no necesitan tocarse. Al acercarse se produce el fenómeno de carga inducida.

4. LEY DE COULOMB. Se ha hablado de las fuerzas que se ejercen los cuerpos cargados eléctricamente, pero no se ha precisado sus elementos (intensidad, dirección y sentido). Tras diversos estudios y experimentos Coulomb, en 1785, llegó a la siguiente conclusión: las fuerzas que ejercen entre sí dos cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Lo que se traduce siguiente expresión:

F=K

matemáticamente

en

la

q1 ⋅ q 2 d2

F=> Fuerza de atracción/repulsión (N). K=> Constante= 9 · 10 9 N·m2/C2 q1 y q2 => cargas (C). d=> distancia entre cargas (m). 5. UNIDAD DE CARGA. A la carga que posee un electrón se la llama unidad elemental de carga y se designa por la letra “e”. El protón tiene carga idéntica, pero de signo contrario. Hasta principios del siglo XX Millikan no logró determinar su valor.

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La unidad práctica de carga eléctrica es el Coulomb (C), que equivale a la carga de 6,3·1018 electrones. El Coulomb es la unidad de carga en el S.I. 1C = 6,3·1018 e

o

1e = 1,6·10-19 C

6. LA CONSTANTE DE LA LEY DE COULOMB. El valor de la constante de la Ley de Coulomb es: K = 9·109 N·m/C2 7. CAMPO ELÉCTRICO. Existe una zona en la cual toda carga positiva y negativa es atraída o repelida, respectivamente. En esta región del espacio, en la cual se manifiestan estas fuerzas de atracción o repulsión sobre cargas, decimos que hay un campo eléctrico.

Como puede observarse de las cargas salen o entran líneas de fuerza, que son líneas imaginarias que indican la dirección y sentido del campo eléctrico. 8. INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO. A la fuerza que actúa sobre la unidad de carga positiva en un punto se la llama intensidad de campo eléctrico en ese punto. Las líneas de campo son las líneas de fuerza que crea un campo eléctrico; en el caso de una carga puntual es radial. La representación matemática del lo anterior es: E = F/q

E=Intensidad en campo eléctrico (N/C) F=Fuerza (N)

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q=carga (C) 9. POTENCIAL ELÉCTRICO. El potencial eléctrico en un punto es la energía potencial que tiene la unidad de carga positiva en dicho punto. La energía potencial se defina como la energía que tiene un objeto por su posición en la tierra y que es capaz de transformarse en energía cinética. E =Ec + Ep

Ec = mv2

Ep= m·g·h

m=masa. g= aceleración de la gravedad. h= altura. v= velocidad. Al trabajo realizado al trasladar la unidad de carga positiva entre dos puntos del campo eléctrico se le llama diferencia de potencial entre los dos puntos. VA – VB = diferencia del potencial (v). Unidad de diferencia de potencial es el voltio (v). Entre dos puntos de un campo eléctrico existe la diferencia de potencial de 1v, cuando al trasladar del uno al otro la carga de 1C, se realiza el trabajo de 1 J. 1 volt = 1 julio / 1 Coulomb

1v=1J/1C

La corriente eléctrica que utilizamos es de 220v. Esto significa que por cada (C) de carga que circula por el hilo conductor nos cede una energía de 220 J. 10. TRABAJO ELÉCTRICO. Para desplazar la carga de 1 C entre dos puntos, cuya diferencia de potencial es un 1v, se realiza un trabajo de 1J; al desplazar entre estos mismos puntos una carga doble, el trabajo será, también, doble, y así sucesivamente. El trabajo efectuado al desplazar una carga puntual, q, entre dos puntos cuya diferencia de potencial sea (VA – VB), será: w= q (VA – VB)

w=trabajo

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q= carga VA – VB = Diferencia de potencial. Ejercicios. 1. Hallar la fuerza que se ejercen dos cargas puntuales de 1 C separadas por la distancia de 1km. (sol.= 9000 N). 2. Dos cargas puntuales iguales, distantes 20cm, se atraen con una fuerza de 2N ¿Cuál es el valor de dicha carga? (sol.= 2,9814·10-6 C) 3. Si la tierra y la luna se cargaran con un Culombio cada una ¿Cuánto valdría la fuerza de repulsión? Distancia media entre la tierra y la luna: 384.000 km. (sol.= 6,103515·10 -8 N) 4. Tenemos 3 cargas eléctricas idénticas A, B, y C, situadas sobre la misma recta. La carga A dista de B 2m y C dista de B 1m, estando B situada entre A y C. La fuerza que ejerce A sobre B vale 5·10-6 N. a. ¿Qué fuerza eléctrica ejerce C sobre B? (sol.=2·10-5 N) b. ¿Cuál es la fuerza total sobre B? (sol.=1,5·10-6 N) 5. Dos pequeñas bolas muy ligeras de 5 dinas cada una que están suspendidas del mismo punto por finos hilos de seda de 20cm de longitud. Al comunicar la misma carga, se separan formando un ángulo de 30º con la vertical. Calcular el valor de la carga depositada en cada bola. (sol.= 1,091277·10 -9 C). 6. En dos puntos A y B, separados por la distancia de 1m, se sitúan dos cargas de +3·10-4 C y +8·10-4 C ¿En qué punto de la recta que une las dos cargas la fuerza ejercida sobre otra carga positiva sería nula? (sol.=0,3797 m). 7. Una carga de 8·10-4 C se sitúa en un punto de un campo eléctrico cuya intensidad es de 4 N/C ¿A qué fuerza se encuentra sometida la carga? (sol.= 32·10-4 N). 8. Una pequeña esfera de masa 10 -12kg y una carga de 2·10 -15C, se halla en equilibrio en un campo eléctrico, debido a que la fuerza eléctrica y a la fuerza gravitatoria son iguales y de sentido contrario ¿Cuál es el valor de la intensidad del campo eléctrico en el punto en que se encuentra la esfera? (sol.= 4900 N/C). 9. Para trasladar una carga de 3·10 -5 C entre dos puntos de un campo eléctrico, hemos tenido que realizar un trabajo de 10 -3 J ¿Cuál es la diferencia de potencial entre eso dos puntos? (sol.= 33,334 v). 10.¿Cuál es el trabajo necesario para desplazar un protón entre dos puntos de un campo eléctrico cuya diferencia de potencial es de 1000v? (sol.= 1,6·10-6 J). 11.Un electrón se mueve entre dos puntos de un campo eléctrico uniforme cuya diferencia de potencial es de 10.000v. Calcular el trabajo realizado. Sabiendo que su masa es de 9,1·10 -28g,

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calcular la velocidad que adquiere al moverse en el campo eléctrico citado. (sol.= 1,6·10-15 J) (sol.= 1,326·1011 m/s).

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apuntes de electrostática