GUÍA DE FÍSICA UNIDAD I: LA CARGA Y LA MATERIA

La Carga y la Materia La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas 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. Carga en un Punto Es un modelo que se caracteriza por no tener masa, por lo tanto no es afectada por la gravedad y no tiene dimensiones. Se define Coulomb como la carga que tiene un punto que colocado en el vacío a un metro de otra igual, la repele con una fuerza de 9.109 Newtons. Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en coulombs. Ley de Coulomb

Esta ley es única y exclusiva para dos cargas puntuales.

La fuerza sobre cada partícula actúa siempre a lo largo de recta que las une.

Las cargas son magnitudes algebraicas que pueden ser positivas o negativas.

La fuerza puede ser de atracción si las cargas son de signos diferentes o de repulsión si son de signos iguales.

K es una constante de proporcionalidad, cuyo valor depende de las unidades en que se expresen F, q y d.

K = 1/4.π.o = 9x109 Nw.m2/C2

o = constante de permisividad del espacio vacío.

o = 8,85x10-12 C2/Nw.m2

La Ley de Coulomb establece:

“La fuerza de atracción o repulsión entre dos carpas puntuales es directamente proporcional al producto de ellas e inversamente proporcional al cuadro de la distancia que las separa”.

F = K.q1.q2/d²

Donde:

F = Es la fuerza que ejerce q1 sobre q2.

d = Es la de separación entre las cargas.

K = Constantemente de proporcionalidad.

q1 y q2= Son las cargas que interactúan.

Conductor y Aislantes Eléctrico Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad se denomina conductor eléctrico. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones. Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se conocen como aislantes, no conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la goma o la madera seca. Propiedades eléctricas de los materiales El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan algunas sustancias resinosas como el ámbar, que adquieren una carga negativa al ser frotadas con una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos pequeños. Un cuerpo así tiene un exceso de electrones. Una varilla de vidrio frotada con seda tiene una capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos negativamente cargados con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga positiva, que puede describirse como un defecto de electrones o un exceso de protones. William Gilbert enunció la atracción y repulsión de los materiales.

Un cuerpo cargado negativamente, es aquel que tiene un exceso de electrones;

Un cuerpo cargado positivamente, es aquel que tiene un defecto de electrones. Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan libres uno o más electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material. En algunos materiales, llamados conductores, ciertos electrones se liberan fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la plata, son buenos conductores. Principio de Conservación de la Carga En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea. La conservación de la carga implica, al igual que la conservación de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una ecuación de continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga eléctrica con la divergencia del vector densidad de corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que el cambio neto en la densidad de carga ρ dentro de un volumen prefijado V es igual a la integral de la densidad de corriente eléctrica J sobre la superficie S que encierra el volumen, que a su vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica I.

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.

Principio de Cuantización de la Carga Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el protón +e y para el neutrón, 0. La física de partículas postula que la carga de los quarks, partículas que componen a protones y neutrones, toman valores fraccionarios de esta carga elemental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0. Paul Dirac mostró que si existe un monopolo magnético la carga eléctrica debe estar cuantizada. En el contexto de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar Klein encontró que si se interpretaba el campo electromagnético como un efecto secundario de la curvatura de un espacio tiempo de topología, entonces la compacidad de comportaría que el momento lineal según la quinta dimensión estaría cuantizado y de ahí se seguía la cuantización de la carga. La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya que el modelo estándar no aclara porqué las cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y sólo pueden ser libres cargas que son múltiplos enteros de la carga elemental.

Gracias a los trabajos de Millikan al medir la carga eléctrica del electrón, se demostró que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que los valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima. Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como siendo N un número entero, positivo o negativo.

Tipos de Electrización

Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.

Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan cargados.

Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte mas alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región mas cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

UNIDAD II: CAMPO ELÉCTRICO Campo Eléctrico

Se define como la fuerza eléctrica F que actúa sobre una carga de prueba positiva q’ colocada en un punto, dividida entre la magnitud de la carga de prueba q’.

E = F/q’ ; El Campo Eléctrico se expresa en Nw/C

La dirección del vector Campo Eléctrico esta determinada por la Fuerza eléctrica que actúa sobre la carga que prueba q’. Campo Eléctrico de una Carga Puntual Cargas Múltiples

Si tenemos una carga q que actúa sobre un punto p que contiene una carga de prueba q’, separadas por una distancia d. Recordemos la Ley de Coulomb.

F = K.q1.q2/d²

Si sustituimos este valor en la ecuación de campo eléctrico obtenemos: E = K.q’/d

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Esta última ecuación obtenida es la que se utiliza para obtener el campo eléctrico generado por una carga puntual. Campo Eléctrico de Cargas Múltiples Cuando se tiene cargas múltiples aplicamos el principio de superposición para determinar el campo eléctrico neto o resultante. Este principio establece que la fuerza eléctrica neta sobre un cuerpo es la suma vectorial de las fuerzas debida a las cargas puntuales individuales. O sea que el campo eléctrico neto es la suma vectorial de los campos de las cargas individuales presentes.

r = d = Distancia

Dipolos y Polarización Fenómeno superficial que se dá en los aisladores o materia eléctricamente neutra. Dipolo antes de aplicar un campo eléctrico

Dipolo luego de aplicar un campo eléctrico

Hay dipolos que al retirar el campo eléctrico quedan polarizados permanentemente y otros en cambio pierden la polarización. Los dipolos se utilizan entre las placas de los capacitores. Al colocar un dipolo entre dos placas de un capacitor, se requiere menos trabajo para transportar una carga y, por lo tanto aumenta la capacidad de este.

Colocando mercurio entre las placas: Si colocamos aceite entre la placas:

Habrá distribución superficial.

Líneas de Campo Eléctrico

El campo eléctrico debido a una distribución de carga se puede visualizar en términos de las líneas de campo eléctrico. Las líneas del campo eléctrico son continuas en el espacio y son una alternativa más adecuada a la representación visual. Para una carga puntual positiva, las líneas son radiales hacia adentro, como lo indica la figura que se presenta a continuación:

Para una carga puntual negativa, las líneas son radiales hacia adentro, como lo indica la siguiente figura:

Las líneas de campo eléctrico se trazan de tal modo que la tangente a la línea del campo, en cada punto, especifique la dirección del campo eléctrico en ese punto. La densidad espacial de las líneas del campo eléctrico en determinado punto, es proporcional a la intensidad del campo eléctrico en ese punto. Movimiento de una Partícula Cargada en un Campo Eléctrico

Si tenemos una partícula de carga q y la colocamos en un campo eléctrico E, entonces la fuerza eléctrica es F = E. q Si esta es la única fuerza ejercida sobre la carga, entonces aplicamos de 2da Ley de Newton. F = m . a ; F = E . q Igualando tenemos: m . a = E . q despejando la aceleración: a = E.q/m Si el campo eléctrico es uniforme la aceleración es constante. Si la carga es positiva, la aceleración será en la dirección del campo eléctrico; si es negativa, la aceleración será en dirección opuesta a la del campo electrónico.