Módulo de Física Eléctrica · Módulo de Física Eléctrica ¿Qué es la Física Eléctrica?...
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Módulo de Física Eléctrica Docente Mg Jimmy Daniel Peña Triana 2018 Ingeniería de Seguridad y Salud en el Trabajo
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Módulo de Física EléctricaDocente Mg Jimmy Daniel Peña Triana
2018
Ingeniería de Seguridad y Salud en el Trabajo
Módulo de Física Eléctrica
¿Qué es la Física Eléctrica?
• Es la rama de la física que se encarga del estudio de la
Naturaleza eléctrica y magnética de la materia. Esta rama
también se le suele llamar “Electromagnetismo” donde de
manera explicita muestra la relación estrecha que existe
entre estas dos fenomenologías, muy presentes a nuestro
alrededor.
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Módulo de Física Eléctrica
De donde viene esta característica Eléctrica y Magnética de la Materia
Varios científicos afirman
que al principio existían en
perfecto equilibrio las 4
fuerzas fundamentales de
la Naturaleza que son:
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Módulo de Física Eléctrica
Una característica Eléctrica y Magnética
Los antiguos Griegos ya
conocían los efectos de la
electricidad estática. Fue
Tales de Mileto quien
descubrió que frotando un
trozo de ámbar este adquiría
ciertas características: que
podía atraer algunos objetos.
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Alrededor del 550 A.C.
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Una característica Eléctrica y Magnética
Hacia 17950 el científico,
político e inventor Benjamín
Franklin, realizando sus
observaciones sobre la
electricidad en rayos, usando
su invento “El Pararrayo”,
dedujo que la electricidad tiene
una característica de atractiva y
repulsiva.
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Alrededor del 1750 D.C.
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Una característica Eléctrica y Magnética
En el año de 1897 el científico J.J. Thomson
trabajando sobre tubos de rayos catódicos
observó que en la materia habían unas
anomalías a las cuales llamó “Electrones”
afirmando que la materia estaba compuesta
por átomos solidos de carga positiva y de
electrones de carga negativa.
Su modelo atómico se le llama “Pudín de
pasas” una esfera cargada positivamente y
sobre ella todos los electrones, de esta manera
se mantiene la carga equilibrada.
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Una característica Eléctrica y Magnética
En el año de 1910 el científico Ernest
Rutherford, trabajando sobre radiación
Alpha, Beta y Gamma, observo que los
principios sobre un átomo sólido no
coincidían con sus resultados llegando a la
conclusión que el átomo es vacío.
Su modelo de átomo proponía una masa
prominente en el centro al que denominó
“Protón” y que alrededor giran los electrones.
Por lo tanto, en el átomo existe la misma
cantidad de electrones como de protones para
mantener el equilibrio.Docente Jimmy Peña triana
Módulo de Física Eléctrica
Una característica Eléctrica y MagnéticaEn el año de 1912 el científico Danés Niels Bohr,
estructura un modelo de átomo que permite
explicar ciertas fenomenologías que para el
momento ningún otro modelo podía describir, este
modelo también tenia un núcleo pesado compuesto
por protones, pero los electrones giraban en orbitas
estacionarias, muy parecido al sistema solar.
El modelo planetario como se denominó también
mantiene una carga equilibrada, soluciona de
manera analítica los espectros electromagnéticos e
introduce los conceptos de la cuantización del
momento angular, es decir, abre las puertas a lo
que hoy denominamos Mecánica Cuántica.
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La Carga Eléctrica
Como lo estudiamos la carga eléctrica esta ligada a las partículas
elementales que componen la materia, por lo tanto, cada objeto de la
naturaleza posee tanto CARGA POSITIVA como CARGA NEGATIVA en
equilibrio. Ahora sabemos que el núcleo también existen los “neutrones”
los cuales se pueden presentar como partículas sin carga.
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En el sistema internacional (SI) la carga se mide Coulomb (C),
denominado así en honor al científico Charles Coulomb.
De esta manera podemos nombrar la carga elemental de un electrón como:
𝟏, 𝟔 𝒙 𝟏𝟎−𝟏𝟗 𝑪𝒐𝒖𝒍𝒐𝒎𝒃
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La Carga Eléctrica
De esta manera podemos decir que la carga está cuantizada, eso
quiere decir que la carga se va incrementando en múltiplos de un
número entero. A este número lo denominamos, “número cuántico
principal” usando la (n), para simbolizarlo.
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Si este es el modelo de un átomo de Helio que posee dos electrones, ¿Cuál es su carga?
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La Carga Eléctrica
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La Carga Eléctrica
Estática
Puede estar:
Dinámica
• Carga por Inducción• Interacciones entre cargas.
• Campo Eléctrico
• Corriente Eléctrica• Campos Magnéticos• Ley de Inducción
Trabaja
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La cantidad de cargas tanto positivas como negativas de un cuerpo
cerrado es constante, esto se explica en la “ley de la conservación de
las cargas”, que si se produce una cierta cantidad de cargas de un
signo, también se debe producir una cantidad igual de cargas de
signo contrario.
La electricidad se produce cuando los electrones libres se desplazan
de un átomo a otro. Existen seis principales formas en el que el ser
humano logra producir electricidad:
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La carga por Fricción: una carga eléctrica se produce cuando
se frota uno con otro, dos pedazos de ciertos materiales, por
ejemplo, seda y una varilla de vidrio o cuando se peina el
cabello.
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La carga por Electroquímica: Las sustancias químicas pueden
combinarse con ciertos metales para iniciar una actividad química
en la cual habrá transferencia de electrones, produciéndose cargas
eléctricas. Esta es la forma en que funciona una pila eléctrica
ordinaria.
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La carga por Piezoelectricidad: es el nombre que se da a las
cargas eléctricas producidas por el efecto de la presión. El
efecto es más notable en los cristales, como los usados en
algunos micrófonos y en pastillas de fonógrafo
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La carga por Termoelectricidad: Si se aplica calor a la unión de dos
metales distintos para suministrar más energía, se liberan
electrones. El dispositivo descrito recibe el nombre de termopar.
Cuando se unen entre sí varios termopares, se forma una termopila.
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La carga por Fotoelectricidad: Cuando las partículas de un rayo
luminoso inciden sobre un material, liberan su energía y puede
ocasionar la liberación de algunos electrones de los átomos. El
llamado Efecto Fotoeléctrico es una aplicación de este principio que
permite el uso de la energía solar como fuente de energía limpia e
inagotable.
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¿Cómo Cargar un Cuerpo?
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La carga por Inducción Magnética: Cuando un buen conductor, por
ejemplo, el cobre, se hace pasar a través de un campo magnético, la
fuerza del campo suministrará la energía necesaria para que los
átomos del conductor puedan liberar electrones. Este es el principio
de funcionamiento de los generadores eléctricos.
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Interacción entre las cargas
La ley de Coulomb nos habla sobre como interactúan las
cargas cuando se acercan unas a las otras. Esta interacción
también se conoce como fuerza eléctrica, que depende
netamente de las cargas y la distancia entre ellas.
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𝐹𝑒 =𝐾𝑞1𝑞2𝑟2
Donde,• 𝑘 es una constant de
proporcinalidad.• 𝑞 es la carga medida en Coulomb.• 𝑟 es la distancia entre las cargas.
𝐾 = 9 𝑥 109𝑁 𝑚2
𝐶2
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Interacción entre las cargas
Si dos partículas de misma carga interactúan la fuerza es de
tipo repulsiva, pero si las partículas son de diferente carga la
fuerza es de tipo atractiva.
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Interacción entre las cargas
Ejemplo:
Determine la magnitud y dirección de la fuerza eléctrica sobre el electrón
de un átomo de hidrógeno ejercida por el único protón. Suponga que la
distancia entre el electrón y el protón es de 𝑟 = 0,53 𝑥 10−10 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠.
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𝑞1 = 𝑞2 = 1,6 𝑥 10−19 𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏
𝐾 = 9 𝑥 109𝑁 𝑚2
𝐶2
𝐹𝑒 =𝐾𝑞1𝑞2
𝑟2=
9 𝑥 109 1,6 𝑥 10−19 1,6 𝑥 10−19
0,53 𝑥 10−10 2
𝐹𝑒 = 8,2 𝑥 10−8 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛
F u e r z a d e t i p o a t r a c t i v o
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Interacción entre las cargasEjemplo:
Dos cargas puntuales se localizan sobre el eje x. La carga 𝑞1 = 1 𝑛𝐶 que está a 2 cm del origen, la
carga 𝑞2 = −3 𝑛𝐶 está a 4 cm del origen. ¿Cuál es la fuerza total que ejercen estad dos cargas sobre
una carga 𝑞3 = 5 𝑛𝐶 que se encuentra en el origen?
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𝐾 = 9 𝑥 109𝑁 𝑚2
𝐶2
𝐹31 =𝐾𝑞3𝑞1
𝑟2=
9 𝑥 109 5 𝑥 10−9 1 𝑥 10−9
0,020 2 = 1,12 𝑥 10−4 𝑁
𝑞3 𝑞1 𝑞2X
Y
2 cm4 cm
𝑛𝑎𝑛𝑜 = 𝑥10−9
𝐹32 =𝐾𝑞3𝑞2
𝑟2=
9 𝑥 109 5 𝑥 10−9 −3 𝑥 10−9
0,040 2 = − 8,4 𝑥 10−5 𝑁
𝐹𝑥 = 1,12 𝑥 10−4 − 8,4 𝑥 10−5 = 𝟐, 𝟖 𝒙 𝟏𝟎−𝟓 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏
La fuerza neta tiene una dirección hacia la derecha
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Interacción entre las cargas
El campo Eléctrico
En la naturaleza las fuerzas están interactuando ya sea con los objetos con masa
o de las cargas en el espacio, pues bien, si la Gravedad ejerce su campo a
distancia como es el caso de la relación Sol – Tierra, lo mismo sucede cuando
una carga esta cerca de otra, es este tipo de interacción se le denomina CAMPO
ELECTRICO, este campo introducido por Michael Faraday para todo aquello
que ocupa el vacío e interactúa con los objetos a su alrededor.
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Interacción entre las cargas
El campo Eléctrico
Capa tipo de carga tiene unas “líneas” características que nos permiten
trabajar y entender el campo Eléctrico 𝐸 .
Para una carga positiva las líneas de campo se expresan saliendo, mientras
que para una carga negativa las líneas de expresan entrando.
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Interacción entre las cargas
El campo Eléctrico
Utilizando una carga de prueba 𝑃 , donde podemos medir la
intensidad de campo eléctrico ejercido por una carga puntual o un
arreglo de cargas, como se observa en la imagen.
𝑬 =𝑭
𝒒
La intensidad de campo eléctrico, se define como:
Donde Ԧ𝐹 es la fuerza eléctrica
𝐸 =𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛
𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏
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Interacción entre las cargas
El campo Eléctrico
Haciendo un pequeño despeje, obtenemos la fuerza del campo:
𝑭 = 𝒒𝑬 Equivalente a 𝑭 = 𝒎𝒂
Si tenemos en cuenta la ley de Coulomb y la reemplazamos en la ecuación
original, obtenemos la intensidad del campo para una carga puntual.
𝑬 = 𝑲𝑸
𝒓𝟐
Donde,• 𝑘 es una constante de
proporcionalidad.• Q es la carga medida en Coulomb.• 𝑟 es la distancia entre la carga y el
punto 𝑃 .
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Interacción entre las cargasEjemplo:
Dos cargas puntuales están separadas a una distancia de 10 cm, una tiene una carga de
− 25 𝜇𝐶 y la otra de 50 𝜇𝐶.
a) Determine la dirección y magnitud del campo eléctrico en un punto 𝑃 ubicado
entre las dos cargas que esta a 2 cm de la carga negativa.
b) Si un electrón de mansa 9,11 𝑥 10−29 𝐾𝑔 se coloca en reposo en el punto 𝑃 y
luego se libera, ¿Cuál es su aceleración inicial?
𝑞1 𝑞2X
Y
2 cm10 cm
P Debemos tener en cuenta la distancia entre cada carga y
el punto P
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Interacción entre las cargas
𝑬𝟏 = 𝑲𝑸𝟏
𝒓𝟐= 𝟗 𝒙 𝟏𝟎𝟗
𝟐𝟓 𝒙 𝟏𝟎−𝟔
𝟎, 𝟎𝟐 𝟐= −𝟓𝟔𝟐, 𝟓 𝒙 𝟏𝟎𝟔 ൗ𝑵 𝑪
𝑬𝟐 = 𝑲𝑸𝟐
𝒓𝟐= 𝟗 𝒙 𝟏𝟎𝟗
𝟓𝟎 𝒙 𝟏𝟎−𝟔
𝟎, 𝟎𝟖 𝟐= 𝟕𝟎, 𝟑𝟏 𝒙 𝟏𝟎𝟔 ൗ𝑵 𝑪
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = −562,5 𝑥 106 + 70,31 𝑥 106 = −491,69 𝑥 106 = −𝟒, 𝟗 𝒙 𝟏𝟎𝟖 ൗ𝑵 𝑪
𝑞1 𝑞2X
Y
𝐸1
𝐸2
X𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
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Interacción entre las cargas
Para el punto b, hacemos uso de la segunda ley de Newton y de la
definición de campo eléctrico, por lo tanto,
𝒂 =𝑭
𝒎𝑭 = 𝒒𝑬 𝒂 =
𝒒𝑬
𝒎
𝒂 =𝒒𝑬
𝒎=
𝟏, 𝟔 𝒙 𝟏𝟎−𝟏𝟗 𝟒, 𝟗𝒙 𝟏𝟎𝟖
𝟗, 𝟏𝟏 𝒙 𝟏𝟎−𝟑𝟏= 𝟖, 𝟔 𝒙 𝟏𝟎𝟏𝟕 ൗ𝒎 𝒔𝟐
