Electrostática 1.
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ELECTROSTÁTICA
GETTYS, W.E.; KILLER, F.J. Y SKOVE, M.J. "Física para ciencias e ingeniería", Tomo II. Ed. McGraw-Hill. 2005.SERWAY R. A. BEICHNER R. J. “Física para ciencias e ingeniería”. Tomo II, quinta edición, Editorial Mc. Graw Hill. 2000SEARS, F.W. ZEMANSKY, M. YOUNG, H. “Física Universitaria”. Vol 2, Ed. Pearson Educacion. 2004.Bauer, Wolfgang. Física para ingeniería y ciencias Vol. 2, Con Física. McGraw-Hill Interamericana, 2011
Estructura de la materia:
Escala microscópica
Micrones = m
10-6 m = 1/1.000.000
Escala atómica
nanómetros = nm
10-9 m = 1/1.000.000.000
LA MATERIA
Partícula
Masa (kg) Carga (C)
electrón 9.1x 10-31 -1.6x 10-19
protón 1.67x 10-27 +1.6x 10-19
neutrón 1.67x 10-27 0
Z = número electrones = número protonesA = número protones + neutrones
Elemento
Isótopo Un átomo tiene el mismo número de electrones que de protones es neutro Ión positivo : le faltan electrones
Ión negativo: tiene electrones añadidos
0 ep qZqZQ
ee qnQ
ELECTRÓN
ee qnQ
-+
--
-
+
+
+
1. CARGA ELÉCTRICA
Electrostática = estudio de las cargas eléctricas en reposo
Unidad de carga = el electrón e= 1.602177x 10-19 C
++ --
+-
atracción
Claudia González Cuervo. Ph. D.
repulsión
1.1 CONSERVACIÓN DE LA CARGA
La carga ni se crea ni se destruye se transfiere Entre átomos Entre moléculas Entre cuerpos
La suma de todas las cargas de un sistema cerrado es constante
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1.2 Electrización por frotamiento
Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos, puede explicarse la electrización del vidrio por la seda
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1.3 Electrización por contacto
Bolaneutra
Bolacargadanegativa
Bola y varilla se repelenIgual carga
consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro
Electroscopio.Al acercar una bolita cargada las láminas adquieren carga y se separan.
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1.4 CARGA POR INDUCCIÓN
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Al aproximar un cuerpo cargado a otro sin carga, en el cual sus cargas tengan movimiento libre, el metal por ejemplo, se genera electrización
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2. CONDUCTORES Y AISLANTES
Aislantes : materiales en los que la carga eléctrica no se puede mover libremente.
cerámicos, plástico, rocas …
Conductores: los electrones tienen libertad de movimiento.
Metales, aleaciones metálicas ..
Semiconductores: se pueden comportar como conductores o como aislantes.
silicio, germanio, arseniuro de galio ..
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3.1 LEY DE COULOMB. FENOMENOLOGÍA La fuerza entre cargas
puntuales está dirigida a lo largo de la línea que las une.
La fuerza varía inversamente proporcional con el cuadrado de la distancia que los separa y es proporcional al producto de las cargas.
La fuerza es repulsiva si las cargas son del mismo signo y atractiva si son de signo diferente.
q1
q2
F12 + F21 = 0
F12
F21
r1 - r2 = r12
r1
r2
r12
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3.2 LEY DE COULOMB. FÓRMULA
Fuerza ejercida por q1 sobre q2
constante de Coulomb e0 Permitividad del vacío
q1
q2
r1
r2
r12
F12
F21
F12 + F21 = 0
r1 - r2 = r12
12212
2112 r̂
r
qqF
2
291099.8C
Nm
04
1
2
212
0 1085.8Nm
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3.2 Ley de Coulomb. Fórmula
El vector ur es un vector unitario que va desde la carga q1 a la carga q de modo que cuando ambas cargas tienen distinto signo (figura (a)) la fuerza electrostática es de atracción, mientras que si tienen el mismo signo la fuerza electrostática es de repulsión (figura (b)).
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3.2 Ley de Coulomb. Fórmula
Al estudiar problemas de cargas en electrostática, se denomina carga fuente a la carga que ejerce la fuerza (en este caso q1) y carga testigo o carga de prueba a la carga sobre la que se calcula la fuerza (q).La fuerza electrostática cumple la tercera ley de Newton, por lo que la carga q1 experimentará una fuerza de igual módulo y sentido contrario que la que experimenta q.Si la carga q1 se encontrase en presencia de N cargas puntuales, la fuerza total sobre ella sería la resultante de todas las fuerzas que ejercen sobre ella las N cargas.
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3.3 LEY DE COULOMB. SISTEMA DE CARGAS
Principio de superposición de fuerzas: La fuerza neta ejercida sobre una carga es la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercidas sobre dicha carga por cada una de las cargas del sistema.
Cargas discretas
i
ii
i
iiTotal r
r
qqkFF
30
dqrr
qkFdFTotal
30
Distribución continua de carga
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Ejemplo 1.
Tres cargas q1 = -2nC en la posición (0,0), q2 = 4nC en la posición (3.0cm,0) y q3 = 1nC en la posición (3.0cm,2.0cm). Determine la fuerza eléctrica total en la carga q3.
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Ejemplo 2.Dos esferas con carga idéntica cuelgan del techo suspendidas por cuerdas aislantes de la misma longitud. =1.50 m A cada esfera se ℓle proporciona una carga q = 25.0 μC Cada cuerda forma un ángulo de 25.0° con respecto a la vertical (figura). ¿Cuál es la masa de cada esfera?
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Ejemplo 3.
Se tienen tres cargas q1, q2, q3 (q1 = +5 x 10-5 C, q2 = q3= -q1/2) sobre una circunferencia de radio 1 m, como indica la figura. ( = /6)a) Calcular la fuerza total ejercida sobre la carga q1.b) Calcular la fuerza total ejercida sobre una carga de +1 C situada en el centro de la circunferencia.
Ejemplo 4:
Se tienen tres cargas eléctricas en los vértices de un triángulo equilátero de lado l (ver figura). (l = 1 m, q1=q2=5 nC, q3= -5 nC).
Calcular y dibujar el diagrama de las fuerzas creadas por q1 y q2
sobre q3 y la fuerza total que actúa sobre q3.
q1
q2
q3
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