Carga Electrica

CARGA ELECTRICA Y CAMPO ELECTRICO

Fenmenos de electrizacin:

- Los griegos descubrieron alrededor de ao 600 AC, que al frotar

mbar con un trozo de lana, el mbar poda atraer a otros objetos.

- Hoy podemos decir que el mbar ha adquirido una carga elctrica o

que se ha cargado.

- El efecto de frotar plstico, vidrio, etc, se traduce en una fuerza de

atraccin y repulsin sobre papel u objetos del mismo material. Este

efecto es producido por la existencia de dos tipos de carga elctrica,

llamadas positiva y negativa (Benjamn Franklin).

- Se puede comprobar que dos cargas positivas o dos negativas se

repelen entre s. Una positiva y una negativa se atraen entre s.

FISICA II

Esp. Ing. Hctor D. Colavincenzo

ATRACCION Y REPULSION

FISICA II Esp. Ing. Hctor D.

Colavincenzo

CARGA ELECTRICA

- La carga elctrica como la masa es una de las propiedades

fundamentales de las partculas que componen la materia.

- La materia ordinaria esta constituida por tomos y molculas.

- La estructura del tomo puede describirse en trminos de tres

partculas:

El electrn, cargado negativamente.

El protn cargado positivamente.

El neutrn que no tiene carga.

- El protn y el neutrn son combinaciones de otras partculas

llamadas quarks, que tienen cargas de 1/3 2/3 de la carga del

electrn, no observados en forma aislada.

- Los protones y neutrones forman el ncleo del tomo (10-15m)

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ESTRUCTURA DEL ATOMO

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CARGA ELECTRICA

- Los electrones se encuentran alrededor del ncleo a una

distancia del orden de 10-10m.

- Los electrones, cargados negativamente se mantienen dentro

del tomo mediante fuerzas elctricas de atraccin ejercida por

el ncleo cargado positivamente.

- Los protones y neutrones se mantienen dentro del ncleo

atmico estable por medio de una interaccin atractiva,

llamada fuerza nuclear, que vence la repulsin elctrica de los

protones.

- La carga negativa del electrn, tiene exactamente la misma

magnitud que la carga positiva del protn.

- Un tomo neutro tendr la misma cantidad de protones que de

electrones y su carga neta ser cero. (Nmero atmico)

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CARGA ELECTRICA

- Si se eliminan uno o ms electrones la estructura queda positivamente cargada y se denomina ion positivo.

- Se denominar ion negativo, al tomo que ha ganado uno o ms electrones.

- La ganancia o prdida de electrones se denomina ionizacin.

- Principio de conservacin de la carga:

LA SUMA ALGEBRAICA DE TODAS LAS CARGAS ELECTRICAS EN CUALQUIER SISTEMA AISLADO ES CONSTANTE (Qi = Qf). LA CARGA SE CONSERVA

Cuantizacin de la carga:

CUALQUIER CANTIDAD DE CARGA OBSERVABLE SER MULTIPLO ENTERO DE LA CARGA DEL ELECTRON O DEL PROTON

- Se dice entonces que la carga est cuantizada, siendo el valor de cada cuanto el de la carga del electrn o del protn.

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CARGA ELECTRICA

De lo que vimos anteriormente podemos concluir que la CARGA

ELECTRICA tiene las siguientes importantes propiedades:

1-. Hay dos tipos diferentes de carga en la naturaleza, que tienen la

propiedad de que cargas del mismo signo se repelen y de distinto

signo se atraen.

2-. La fuerza entre las cargas vara, con la inversa del cuadrado de

la distancia, como veremos al estudiar la Ley de Coulomb.

3-. La carga se conserva.

4-. La carga est cuantizada.

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VALORES DE LAS MASAS Y CARGAS

MASA

Masa del electrn: 9,109389754 . 10-31 kg

Masa del protn: 1,672623110 . 10-27 kg

Masa del neutrn: 1,674928610 . 10-27 kg

CARGA

Carga del electrn: -1,6021773349 . 10-19 C

Carga del protn: 1,6021773349 . 10-19 C

Carga del neutrn: sin carga

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CONDUCTORES Y AISLADORES

Si clasificamos a las sustancias en trminos de su capacidad para

conducir carga elctrica tendremos:

Los conductores, que son materiales en los que las cargas elctricas

se mueven con bastante libertad.

Los aisladores, que son materiales en los que las cargas elctricas se

mueven con mucha dificultad.

Los semiconductores, son una tercera clase de material, cuyas

propiedades elctricas se encuentran entre la de los conductores y

los aisladores.


Colavincenzo

CONDUCTORES Y AISLADORES

-Los materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de cargas elctricas. Conductores

- Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus tomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la electricidad. Aisladores

- Los aisladores son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos conductores.

www.didactika.com/fisica/electricidad/conductores_aisladores.html

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LEY DE COULOMB

Coulomb estudi la interaccin entre partculas cargadas (1784),

utilizando una balanza de torsin.

Encontr que para cargas puntuales (cuerpos pequeos cargados en

comparacin con la distancia de separacin entre ellos), la fuerza

elctrica F era proporcional al cuadrado de la inversa de la distancia

que las separa.

Tambin encontr que esa fuerza F, era proporcional al producto de

la cantidad de carga de las esferas de su balanza.

De esta forma Coulomb estableci la que ahora se conoce como la

ley que lleva su nombre.

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LEY DE COULOMB

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2

21

0

2

21

4

1

r

qqF

r

qqKF

LEY DE COULOMB

k es una constante de proporcionalidad cuyo valor numrico depende del sistema de unidades usado.

Respecto de las cargas q, se utiliza el valor absoluto dado que estas pueden ser positivas o negativas, mientras que la magnitud de la fuerza F ser siempre positiva.

La direccin de la fuerza F que las cargas se ejercen entre s, estar siempre a lo largo de la recta de accin que une ambas cargas. Cuando las cargas tiene el mismo signo, la fuerza ser siempre de repulsin, cuando tengan signos diferentes, ser de atraccin.

Las dos fuerzas obedecen a la tercera Ley de Newton, siempre son iguales en magnitud y opuestas en direccin, aun cuando las cargas no sean iguales.

El valor de k en el sistema de unidades SI, SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (sistema mksa, metro-kilogramo-segundo-ampere)

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LEY DE COULOMB

En este sistema de unidades el valor de la constante de

proporcionalidad K, es:

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vacioelen ADPERMITIVID la es

10 . 9 K

valorel aremosutili problemas de resolucin la Para

10.987551787,84

1

0

2

29

2

29

0

C

mN

z

C

mNk

PERMITIVIDAD

La permitividad (o impropiamente constante dielctrica) es una constante fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vaco 0 es 8,8541878176x10-12 [F/m] [C2/N m2]

La permitividad est determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicacin de un campo elctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Est directamente relacionada con la susceptibilidad elctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga elctrica se almacene con un campo elctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.


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PERMITIVIDAD

En electromagnetismo se define un campo de desplazamiento elctrico D, que representa cmo un campo elctrico E influir la organizacin de las cargas elctricas en el medio, por ejemplo, redistribucin de cargas y reorientacin de dipolos elctricos. La relacin de ambos campos (para medios lineales) con la permitividad es

donde es un escalar

La permitividad del vaco 0 es el cociente de los campos D/E en ese medio. Tambin aparece en la ley de Coulomb como parte de la constante de fuerza de Coulomb, , que expresa la atraccin entre dos cargas unitarias en el vaco.

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PERMITIVIDAD RELATIVA Y ABSOLUTA

La permitividad de un material se da normalmente en relacin con la del vaco, denominndose permitividad relativa, r

(tambin llamada constante dielctrica en algunos casos). La

permitividad absoluta se calcula multiplicando la permitividad

relativa por la del vaco:

= r0 = (1 + e)0

donde es la susceptibilidad elctrica del material.

La susceptibilidad elctrica e segn gran parte de los autores es la constante de proporcionalidad (que tambin puede ser un

tensor) que relaciona el campo elctrico aplicado E con la

polarizacin elctrica inducida P:

donde 0 es la permitividad del vaco

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EP 0

CAMPO ELECTRICO

- Como vimos, dos o ms partculas cargadas interaccionan entre s. Pero Cmo se relacionan entre s sin un medio material que las vincule?, Cmo se entera cada una de la presencia de otras cargas?

- Para dar una explicacin a este fenmeno utilizaremos el concepto de CAMPO ELECTRICO.

- Un cuerpo cargado elctricamente, modifica, perturba de alguna manera las propiedades del espacio que lo rodea. Si introducimos otro cuerpo cargado, ste tambin modificar o perturbar su entorno y a la vez detectar la perturbacin anterior, como resultado de esta alteracin de las propiedades del espacio que rodea los cuerpos cargados, aparecer una FUERZA ELECTRICA.


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CAMPO ELECTRICO

- Una carga puntual Q producir, segn dijimos, una alteracin del

espacio que lo rodea, esta alteracin tendr una simetra esfrica, y

se mantiene desapercibida para nosotros. Si ahora tomamos un

punto del espacio P, e introducimos en ese punto otra carga puntual

q, aparecer sobre ella una fuerza como as tambin aparecer una

fuerza igual y de sentido contrario sobre la carga Q.

- Podemos decir que la Fuerza Elctrica sobre un cuerpo cargado es

ejercida por el Campo Elctrico creado por otros cuerpos cargados.

- Para determinar en forma experimental si existe campo elctrico en

un punto del espacio originado por una carga q, introducimos en ese

punto una carga de prueba o exploradora (considerada unitaria y

positiva), si la carga experimenta una fuerza podremos afirmar que

hay un campo elctrico en ese punto.

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CAMPO ELECTRICO - Siendo la Fuerza una cantidad vectorial, el campo elctrico

tambin lo ser.

- Esa fuerza que denominaremos , tendr la siguiente expresin:

- Definiremos ahora el CAMPO ELECTRICO E en un punto, como

la fuerza experimentada por la carga , que llamamos exploradora

o de prueba y la consideramos positiva y unitaria dividida por el

valor de esa carga, es decir como la fuerza ejercida por unidad de

carga.

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0F

Nr

qqF

2

0

0

0

.

4

1

0q

CAMPO ELECTRICO

- Tendremos entonces que

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C

N

q

FE

0

0

C

N

rq

qqE

2

0

0

04

1

C

N

r

qE

204

1

EJERCICIO DE EJEMPLO

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LINEAS DE CAMPO ELECTRICO

Dado que no es posible percibir el campo elctrico con nuestros sentidos, se ha utilizado el concepto de lneas de

campo. Estas lneas de campo nos ayudan a visualizar campos

elctricos.

No son mas que lneas rectas o curvas trazadas en una regin del espacio de manera que su tangente en cualquier punto,

tiene la direccin del vector campo elctrico en ese punto.

Estas lneas muestran la direccin de E en cada punto y nos da una idea de la intensidad de E mediante la mayor o menor

cantidad de las mismas.


Colavincenzo

LINEAS DE CAMPO ELCTRICO

DISTINTAS DISTRIBUCIONES DE CARGAS

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http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/EField/EField.html


Colavincenzo

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