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1. CARGA ELÉCTRICA La materia está conformada por átomos, los cuales poseen un núcleo donde se concentra la mayor parte de la masa atómica y en donde residen los protones y neutrones, mientras que, los electrones orbitan alrededor del núcleo. Un átomo eléctricamente neutro posee la misma cantidad de protones y electrones, los cuales poseen la misma magnitud de carga, pero distinto signo, por lo cual la suma de las cargas es igual a cero. CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA En cualquier proceso de carga, la carga no se crea ni se destruye, solo se transfiere. Por ejemplo, al frotar una varilla de plástico con un trozo de piel, ambos eléctricamente neutros, al cabo de un tiempo, la varilla adquiere carga negativa y la piel carga positiva de la misma magnitud, es decir, que esta última ha perdido el mismo número de electrones que ganó la varilla. TIPOS DE MATERIALES:
- CONDUCTORES: PERMITEN EL MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES. (COBRE)
- AISLANTES: NO PERMITEN EL MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES. (CAUCHO)
Carga por contacto: al acercar una varilla de plástico cargada a un material conductor y en el otro
extremo colocar una esfera eléctricamente neutra, esta ultima adquiere carga negativa debido a la acción del conductor que permite el paso de los electrones de un objeto a otro. De manera que, al retirar la varilla y el alambre conductor y acercar otro cuerpo cargado a la esfera, estos se atraerán si poseen distinta carga o se repelerán si poseen la misma carga.
Carga por inducción: al acercar una varilla de plástico cargada a un a esfera eléctricamente neutra y
sostenida por un soporte aislante, sin tocarla, se induce una carga positiva en la última ya que los electrones libres son repelidos por el exceso de electrones en la varilla, de tal manera se forma una
especie de dipolo eléctrico. Si al hacer contacto con un material conductor o hacer masa, los electrones son descargados a Tierra y la esfera quede positivamente cargada. La inducción, al producir una polarización de las cargas en un objeto eléctricamente neutro, da lugar al fenómeno conocido como fuerzas eléctricas en un objeto sin carga, de manera que se observa una fuerza de atracción neta entre un cuerpo cargado y otro neutro.
2. LEY DE COULOMB Por la tercera ley de Newton: las fuerzas son iguales y opuestas. La dirección de las fuerzas generadas, es a lo largo de la recta que une a ambas cargas, es decir, que la distancia es la longitud de tal segmento. 𝐾 = 9 × 109 𝑁.𝑚^2 𝐶^2 𝑒 = 1 , 6 × 10 −^19 𝐶
3. CAMPO ELÉCTRICO. Una carga eléctrica produce un campo eléctrico en el medio en que se encuentra, de manera que, si una carga de prueba se coloca en un punto P del medio, va a experimentar una fuerza eléctrica ejercida por tal campo, en otras palabras, el campo eléctrico es el medio por el cual una carga hace notar su presencia. La fuerza eléctrica sobre un cuerpo cargado es ejercida por el campo eléctrico que otros cuerpos cargados originan. 𝐸 =
𝑟^2
El campo eléctrico en el punto P donde se ubica la carga de prueba q 0 es igual al cociente entre la fuerza que experimenta dicha carga y la carga. La fuerza eléctrica varía de un punto a otro, de manera que el campo eléctrico también corresponde con dicha variación. Por lo tanto, la ecuación anterior se utiliza para cargas puntuales. Una carga puntual positiva produce un campo eléctrico saliente, mientras que una carga puntual negativa produce un campo eléctrico entrante.
Se denomina que un campo es uniforme si la magnitud y la dirección de este tienen el mismo valor en cualquier punto de la región en la que actúa. En electrostática el campo eléctrico en cada punto dentro del material de un conductor, debe ser igual a cero ya que las cargas se encuentran quietas. SUPERPOSICIÓN DE CAMPOS ELÉCTRICOS En una distribución de cargas discreta, cada carga produce un campo eléctrico en un punto P, por lo que el campo eléctrico en dicho punto es igual a la suma vectorial de cada uno de los campos generados por las cargas presentes.
Resolución de problemas:
Tanto para fuerzas como para campos, calcular la magnitud vectorial y luego determinar sus componentes en x y y determinando sus respectivos signos a la hora de realizar la suma algebraica en cada uno d ellos ejes. La dirección del vector campo eléctrico en un punto es tangente a la línea de campo que pasa por dicho punto.
Campo de una línea con carga
ENERGÍA POTENCIAL DE UN DIPOLO ELÉCTRICO Cuando un dipolo eléctrico cambia de dirección en el campo eléctrico, el par de torsión realiza trabajo sobre él, lo cual también implica una variación en su energía potencial. El par de torsión se expresa con signo negativo ya que su dirección coincide con la disminución del ángulo. 𝑼 = − 𝒑⃗⃗⃗. 𝑬⃗⃗⃗ La energía potencial es mínima cuando el dipolo eléctrico y el campo forman un ángulo de cero grados, lo cual se denomina equilibrio estable, por lo contrario, su valor es máximo cuando son antiparalelos formando un ángulo de 180°. U es igual a cero si los vectores se encuentran a 90°. FLUJO ELÉCTRICO Y LEY DE GAUSS Para comprobar la presencia de una carga es útil implementar una superficie cerrada simétrica que encierre a la supuesta carga y por fuera colocar una carga de prueba para ver si esta experimenta una fuerza debido al campo eléctrico causado por la carga puntual, de manera que debe analizarse el campo eléctrico en cada una de las caras de la superficie cerrada. Cuando la carga encerrada es positiva se dice que el flujo es saliente, de lo contrario es entrante, entendiendo que el flujo es la cantidad de líneas de campo que atraviesan una superficie. A su vez, tenemos en cuenta la proporcionalidad entre la intensidad del flujo y la magnitud de la carga, en la figura b el flujo es 2 veces mas intenso que en la figura a.
Casos en los cuales la carga neta encerrada es cero y por tanto el flujo eléctrico es nulo: El flujo no varía de acuerdo con el tamaño de la caja, lo que varía es la magnitud del campo eléctrico, es decir, para una caja del doble de tamaño de otra el campo eléctrico es ¼ E respecto a la caja no aumentada, pero el flujo es el mismo, pues este en cada cara se calcula como el producto entre el campo eléctrico y el área, siendo el flujo neto la sumatoria del flujo en cada una de las caras de la superficie cerrada. FLUJO ELÉCTRICO DE UN CAMPO UNIFORME Tanto un aumento en el área como en la intensidad del campo eléctrico incrementan el flujo eléctrico, pues el primero permite que más líneas de campo atraviesen la superficie, mientras que, el segundo significa una mayor densidad en las líneas de campo.
Tener en cuenta en las aplicaciones de la ley de Gauss: el campo eléctrico en el interior de un conductor es igual a cero si las cargas se encuentran en reposo, de lo contrario las cargas se moverían. Sin embargo, si se coloca un exceso de cargas en reposo, estas se ubican en la superficie del sólido conductor. Por otro lado, conociendo la distribución de carga de un sólido de simetría esférica, cilíndrica o plana podemos hallar el campo eléctrico en este. Si el alambre es finito, no puede aplicarse la Ley de Gauss pues no habría simetría.
Para una carga negativa: Tanto para cargas positivas como negativas, en un campo uniforme, la U aumenta si la partícula se mueve en dirección opuesta a la fuerza pues el trabajo resulta negativo, de otro modo, U disminuye si la carga se mueve en el mismo sentido que la fuerza eléctrica. Cuando el campo no es uniforme , la fuerza es variable en el mismo ya que tratamos a este como un conjunto de cargas puntuales, por lo que:
Si la carga puntual que genera el campo y la carga de prueba tienen el mismo signo, la fuerza es de repulsión y es positiva, si tienen distinto signo la fuerza es de atracción y es negativa. En el caso de que los puntos a y b no estén alineados: Como cos ø. dl= dr entonces el trabajo puede calcularse como la integral de F.dr, igual a la expresión anterior. La energía potencial de una carga q0 en un campo no uniforme cuando se encuentra a una distancia r de la carga q: Gráficas de energía potencial: Para el caso en el que el campo eléctrico es generado por varias cargas, la energía potencial de q0 es :
Potencial eléctrico y campo eléctrico: Si la integral resulta positiva, el trabajo efectuado por unidad de carga es positivo, es decir, que la energía potencial de una partícula cargada disminuye al desplazarse desde a hasta b, y si disminuye esta última, disminuye el potencial, como resultado Va-Vb es positiva. Al movernos en la dirección de E el potencial disminuye, de lo contrario, aumenta. SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES Las líneas de campo y las superficies equipotenciales son perpendiculares entre sí. La superficie de un conductor es equipotencial si todas las cargas están en reposo. CAPACITANCIA Y DIELÉCTRICOS Un capacitor es un dispositivo formado por dos conductores separados por el vacío o por un aislante, cuya función es almacenar energía potencial eléctrica y cargas eléctricas. Ambos conductores poseen una carga
neta igual a cero, por lo que cuando los electrones fluyen de un conductor a otro, estos adquieren la misma carga con distinto signo. Como consecuencia, la carga neta de un capacitor cargado es igual a cero. Para cargar un capacitor los alambres que se extienden de los conductores se conectan a los bornes opuestos de una batería, de manera que una vez adquiridas las cargas +Q y - Q, se desconectan de la batería y el capacitor presenta una tensión fija. En un capacitor, tanto la intensidad del campo eléctrico como el potencial son proporcionales a la cantidad de carga en cada conductor, no obstante, la razón entre la carga y la diferencia de potencial permanece constante: La capacitancia no depende de estas magnitudes sino de la geometría y forma del capacitor, como así también de la naturaleza del material que separa a los conductores. La magnitud del campo eléctrico entre dos placas paralelas de cargas opuestas es igual a 𝐸 =
=
mientras que el potencial para este campo uniforme es 𝑉 = 𝐸. 𝑑 =
, es decir, que la capacitancia también puede expresarse como: CAPACITORES EN SERIE Cuando el capacitor se carga, la placa superior de C 1 adquiere +Q, cuyo campo eléctrico atrae cargas negativas en la placa inferior que provienen de la placa superior de C2, la cual adquiere una carga +Q, mientras que las placas inferiores - Q. La carga neta entre la placa inferior de C1 y la superior de C2 es igual a cero. CAPACITORES EN PARALELO
