Royal American School Física 4to Medio TEMA: ELECTRICIDAD Cargas eléctricas: Todos los cuerpos están formados por átomos que, a su vez, están formados por partículas con carga eléctrica (protones y electrones principalmente). La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, así como la masa. Los términos positivo y negativo hacen referencia a la carga eléctrica, que es un aporte de Benjamín Franklin (1706-1790). Las cargas eléctricas responden a la regla: “cargas igual se repelen y cargas diferentes se atraen”. Las partículas de carga positiva en la materia ordinaria son protones y las de carga negativa electrones. Se considera que los neutrones no tienen carga. La carga esta cuantizada, la magnitud de la carga más pequeña en el universo se denota por e (llamada cuanto de carga, corresponde a la carga de un solo electrón o protón), donde = 1,602 × 10 −19 (culombio). Todas las cargas libres, aquellas que se pueden aislar y medir, son múltiplos enteros de e. El electrón tiene una carga de - e, mientras que la del protón es +e. Por lo tanto la carga “q” de un cuerpo cumple que: =∙ En un átomo neutro hay tantos electrones como protones, de manera que no tiene carga neta, de manera que lo positivo compensa lo negativo. Si a un átomo se le quita un electrón, ya no sigue siendo neutro, se dirá que tiene carga positiva. Un átomo con más electrones que protones tendrá carga negativa. Si un cuerpo u objeto tiene más electrones que protones tiene carga negativa Si un cuerpo u objeto tiene menos electrones que protones tiene cara positiva.
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Física 4to Medio
TEMA: ELECTRICIDAD
Cargas eléctricas:
Todos los cuerpos están formados por átomos que, a su vez, están formados
por partículas con carga eléctrica (protones y electrones principalmente). La
carga eléctrica es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, así
como la masa. Los términos positivo y negativo hacen referencia a la carga
eléctrica, que es un aporte de Benjamín Franklin (1706-1790).
Las cargas eléctricas responden a la regla: “cargas igual se repelen y cargas
diferentes se atraen”. Las partículas de carga positiva en la materia ordinaria son
protones y las de carga negativa electrones. Se considera que los neutrones no
tienen carga.
La carga esta cuantizada, la magnitud de la carga más pequeña en el universo se denota por e (llamada cuanto de carga,
corresponde a la carga de un solo electrón o protón), donde 𝑒 = 1,602 × 10−19 𝐶 (culombio).
Todas las cargas libres, aquellas que se pueden aislar y medir, son múltiplos enteros de e. El electrón tiene una carga de -
e, mientras que la del protón es +e. Por lo tanto la carga “q” de un cuerpo cumple que: 𝑞 = 𝑛 ∙ 𝑒
En un átomo neutro hay tantos electrones como protones, de manera que no tiene carga neta, de manera que lo
positivo compensa lo negativo. Si a un átomo se le quita un electrón, ya no sigue siendo neutro, se dirá que tiene carga
positiva. Un átomo con más electrones que protones tendrá carga negativa.
Si un cuerpo u objeto tiene más electrones que protones tiene carga
negativa
Si un cuerpo u objeto tiene menos electrones que protones tiene cara
positiva.
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Conductores y aislantes
Los diferentes materiales tienen tendencias a ceder o quitar carga. Materiales por los cuales circular carga es más fácil o
por los cuales se mas difícil. Un material conductor posee algunos electrones débilmente ligados y se pueden mover con
facilidad. A estos electrones se les llama “electrones libres” o “electrones de conducción”. Los metales son
especialmente buenos conductores. Un material es aislante cuando en sus átomos los electrones están fuertemente
ligados y, por lo tanto, la carga se mueve con gran dificultad debido a la gran resistencia al paso de cargas.
¿Qué es electrizar un cuerpo?
Un cuerpo eléctricamente neutro se electriza cuando gana o pierde electrones. Para esto debe existir flujo de cargas
desde o hacia el cuerpo (materiales conductores).
Existen tres formas básicas de modificar la carga neta de un cuerpo.
1) Electrización por frotación: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros los electrones se transfieren de un cuerpo a
otro. Ambos cuerpos quedan cargados, uno negativamente y otro positivo.
2) Electrización por contacto: La carga puede pasar de un material a otro por un simple
toque. Por ejemplo, cuando se toca un objeto neutro con una varilla con carga negativa,
algunos electrones pasarán al objeto neutro. A este método de carga se le llama carga por
contacto. Si el objeto tocado es buen conductor, los electrones se difundirán a todas las
partes de su superficie, porque se repelen entre sí. Si es un mal conductor, será necesario
tocar varios lugares del objeto con la varilla cargada para obtener una distribución de carga
más o menos uniforme.
3) Electrización por inducción: Al acercar un cuerpo cargado (inductor) a un conductor neutro, los electrones de este
último se mueven de tal manera que se alejan o aproximan al cuerpo cargado siguiendo la regla fundamental de la
carga, de manera que el conductor (las cargas que pueden fluir libremente) se redistribuyen. Manteniendo la presencia
del cuerpo cargado se puede.
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a) separar el conductor manteniendo un lado positivo y otro negativo o
b) eliminar los electrones del conductor por contacto. En ambos casos se logra modificar la carga del conductor.
Conservación de la carga
La carga de un sistema se conserva, es decir, no existe creación o destrucción de carga eléctrica, solo se transfieren
cargas, generalmente negativas.
“Cargas entregadas = cargas recibidas” o “La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado
es constante”. Dicho de otra manera: cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de carga que uno recibe es
exactamente la misma que el otro pierde.
Distribución de carga: La carga eléctrica en un material conductor se acumula por toda la
superficie del material. Debido a que las cargas se repelen entre sí, “buscaran” estar lo más
lejos posible unas de otras. En las esferas conductoras las cargas se distribuyen
simétricamente. Si el conductor tiene puntas, en esos lugares se acumularan cargas.
Polarización: En los materiales aislantes las cargas positivas y
negativas (en equilibrio eléctrico) presentes, pueden en presencia
de campos eléctricos exteriormente aplicados, reorientarse
ligeramente, rompiendo el equilibrio eléctrico (a nivel local) y
generar que se presenten dipolos orientados en la dirección del
campo eléctrico externo; dicho desequilibrio desaparece al
desaparecer el campo externo aplicado.
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Corriente eléctrica
Es el flujo de carga eléctrica en un material conductor, donde participan los electrones (carga eléctrica negativa) de las
capas superficiales de átomo.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de
circulación de la corriente, como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. De manera que los electrones se
mueven en sentido opuesto de la corriente.
Podemos definir corriente como el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre por un material. La Letra
que simboliza corriente eléctrica es “I”. En el Sistema Internacional de Unidades, el flujo de carga se expresa en
𝐶/𝑠(colombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.(1𝐴 = 1𝐶/𝑠)
Para medir corriente se usa el galvanómetro, que calibrado en amperios se llama amperímetro.
𝐼 =𝑞
𝑡 [
𝐶
𝑠] = 𝐴
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 =𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
Ejemplo: ¿Cuál es la magnitud de la corriente eléctrica, si por una sección transversal de un conductor pasa una
carga de 18𝐶 en 6𝑠? ¿Cuántos electrones pasan por el conductor por segundo?
𝐼 =𝑞
𝑡 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝑞 = 18𝐶 y 𝑡 = 6𝑠
𝐼 =18
6 [
𝐶
𝑠] → 𝐼 = 3 𝐴
𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑞𝑢𝑒 ∶ 𝑞 = 𝑒 ∙ 𝑛
18 [𝐶] = 1,602 × 10−19 ∙ 𝑛 [𝐶]
𝑛 =18 × 1019
1,602= 11,24 × 1019 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜
Descarga eléctrica
Es un fenómeno electrostático donde de manera repentina y
momentánea circula una corriente eléctrica entre dos objetos con
diferente cantidad de carga eléctrica.
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Descarga eléctrica natural; el rayo
En la base de la nube se induce una carga de signo contrario
al de la superficie de la Tierra. Con el tiempo se llega a una
gran acumulación de cargas que el aire (habitualmente un
buen aislante) que se transforma en un conductor de las
cargas eléctricas. Por lo tanto un rayo es una poderosa
descarga electrostática natural, esta va acompaña por la
emisión de luz (relámpago), debido a la ionización de las
moléculas de aire por el paso de la corriente eléctrica, y por
el sonido del trueno, que se origina cuando la corriente
eléctrica calienta y expande rápidamente el aire.
Protección ante descargas
Un cable a tierra, proporciona una ruta de conducción de corriente a la tierra, que es independiente del camino normal
que lleva la corriente dentro de un aparato eléctrico. El cable a tierra desvía la corriente a través de un hilo de cobre
(buen conductor), impidiendo que entre en contacto con una persona y produzca una corriente eléctrica
(potencialmente dañina para el ser humano y para el aparato domestico). Este hilo conductor está conectado a una
barra de cobre enterrada bajo la cimentación de la vivienda, y será el camino por el cual circularán los electrones frente
a cualquier falla.
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El pararrayos
Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizado del aire para conducir la descarga hacia tierra,
de tal modo que no cause daños a las personas o construcciones. Fue inventado en 1752 por Benjamín Franklin.
Franklin determino erróneamente el flujo de corriente <<según él el flujo de
corriente tiene carga positiva>>, pero se mantuvo históricamente su
observación.
Al usar una cometa (volantín) de varillas metálicas
descubrió que el hilo de seda y la llave atada en el hilo
quedaban electrizados. Esta experiencia lo llevo a
inventar el pararrayos.
Campos Eléctricos:
Cuando se tienen dos cargas iguales estas se rechazan mutuamente, este recha chazo es debido una fuerza que ejercen
mutuamente entre sí, es una “fuerza de acción a distancia”, una fuerza que actúa a través del espacio sin necesidad de
materia. (Igual que la gravedad)
1. Supongamos que existe una carga aislada en el espacio.
2. Esta carga de alguna manera modifica las propiedades del espacio que la rodea.
3. La otra carga al aparecer percibe como se modificó el espacio en su posición. Y como respuesta (a esa
modificación del espacio) experimenta una fuerza repulsiva (en caso de ser cargas igual).
De esta manera decimos que la sola presencia de un cuerpo cargado produce o genera un campo eléctrico en todos los
puntos de su entorno, sin necesidad de que exista otra carga. Pero al colocar una carga dentro del campo de la otra, está
experimentará una fuerza.
Es así como: “la fuerza eléctrica sobre un cuerpo cargado es ejercida por el campo eléctrico que otros cuerpos cargados
originan”.
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Jaula de Faraday
Cuando un conductor neutro (caja) está en presencia de un campo eléctrico
externo, los electrones se mueven influenciados por la fuerza del campo
eléctrico externo (polariza).
A pesar de que la carga neta del conductor (caja) es cero, en el conductor se
reubicaron las cargas. Y se genera un campo eléctrico al interior del conductor.
De manera se anula campo eléctrico dentro del conductor.
Como al interior del conductor el campo eléctrico es nulo, se producirá un
efecto protector contra cargas y campos externos. El fenómeno se conoce
como apantallamiento eléctrico y se utiliza (entre otras cosas) para proteger
equipos de resonancias magnéticas, discos duros, jaulas de Faraday, bloquear
sensores magneticos y equipos de medición.
Experimento de la hilera
Al extraer la esfera, esta es neutra.
Las cargas eléctricas se mantendrán en la superficie del conductor y no entraran.
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Coulomb
Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806) fue un matemático, físico e ingeniero francés. Se le recuerda por haber
descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor la unidad de carga eléctrica lleva
el nombre de coulomb (C). En 1761 se graduó como ingeniero militar con el grado de Primer Teniente.
Su investigación sobre la electricidad y el magnetismo permitió que esta área de la física
saliera de la filosofía natural tradicional y se convirtiera en una ciencia exacta.
Ley de Coulomb
Suponga que dos cargas puntuales, 𝑞1 y 𝑞2, están separadas una distancia 𝑟 en el vacío. La
fuerza que experimenta una carga debida a la otra se conoce como fuerza de Coulomb o
eléctrica y dada por la Ley de Coulomb:
Donde: 𝑘 = 8,988 × 109 𝑁 ∙𝑚2
𝐶2 , 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑘 = 9 × 109𝑁 ∙ 𝑚2/𝐶2
Carga de un electron: 1,602 × 10−19 𝐶
1𝐶 = 6,24 × 1018 − 𝑒 ó + 𝑒
¿Qué factores que intervienen en la ley de Coulomb?
El signo de las cargas
La magnitud de las cargas
La distancia que separa las cargas
Ejemplo: Dos cargas 𝑞1 = 4 𝜇𝐶 y 𝑞2 = −8 𝜇𝐶 están separadas por una distancia de 4 𝑚𝑚 ¿Con que fuerza se repelen?
𝑞1 = 4 𝜇𝐶 = 4 × 10−6𝐶
𝑞2 = −8 𝜇𝐶 = 8 × 10−6𝐶
𝑟 = 4 𝑚𝑚 = 4 × 10−3𝑚
𝐾 = 9 × 109 𝑁𝑚2/𝐶2
𝐹 = 𝑘𝑞1 ∙ 𝑞2
𝑟2=
(9 × 109 𝑁𝑚2/𝐶2)(4 × 10−6𝐶 )(8 × 10−6𝐶 )
(4 × 10−3𝑚 )2 = 18000 𝑁
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El signo del resultado del cálculo de la fuerza se utiliza para identificar si la fuerza es de atracción (-) o repulsión (+)
Ejemplo: Determina la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas 𝑞1 = −1 × 10−6𝐶 y 𝑞2 = +2,5 × 10−6𝐶.
Que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5𝑐𝑚.
𝑞1 = −1 × 10−6𝐶
𝑞2 = +2,5 × 10−6𝐶
𝑟 = 5 × 10−2𝑚
𝐾 = 9 × 109 𝑁𝑚2/𝐶2
𝐹 = 𝑘𝑞1 ∙ 𝑞2
𝑟2=
(9 × 109 𝑁𝑚2/𝐶2)(−1 × 10−6𝐶 )(2,5 × 10−6𝐶 )
(0,05𝑚 )2 = −9 𝑁 (𝑠𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑒𝑛)
Tabla comparativa entre fuerza eléctrica y gravitacional
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Ley de Superposición de Fuerzas
Si disponemos de n cargas, 𝑞1, 𝑞2, … , 𝑞𝑛 la fuerza neta que actúa sobre una de las cargas de un sistema de cargas es “la
suma vectorial de las fuerzas que el resto de las cargas ejercen por separado sobre ella”. Por ejemplo, la fuerza neta 𝐹1
que actúa sobre la carga 𝑞1 será:
𝐹1⃗⃗ ⃗ = 𝐹 2,1 + 𝐹 3,1 + ⋯+ 𝐹 𝑛,1
Donde:
𝐹 1es la carga eléctrica que actúa sobre la carga 𝑞1
𝐹 2,1 es la fuerza que provoca 𝑞2 sobre 𝑞1
…
𝐹 𝑛,1 es la fuerza que provoca 𝑞𝑛 sobre 𝑞1
Ejemplo: Tres carga ubicadas en línea donde 𝑞1 = +5 × 10−6𝐶, q2 = +6 × 10−6𝐶 𝑦 𝑞 = −2 × 10−6𝐶. Si la
distancia entre 𝑞1 y 𝑞 es 6 × 10−3 𝑚 y la distancia entre 𝑞 y 𝑞2 es de 2 × 10−3 𝑚. ¿Cuál es la fuerza neta que actúa
sobre 𝑞?
𝐹𝑞1𝑞 = 𝑘𝑞1 ∙ 𝑞2
𝑟2=
(9 × 109 𝑁𝑚2/𝐶2)(+5 × 10−6𝐶 )(−2 × 10−6𝐶 )
(6 × 10−3𝑚 )2 = −2,5 𝑁
𝐹𝑞2𝑞 = 𝑘𝑞1 ∙ 𝑞2
𝑟2=
(9 × 109 𝑁𝑚2/𝐶2)(+6 × 10−6𝐶 )(−2 × 10−6𝐶 )
(2 × 10−3𝑚 )2 = −27 𝑁
𝐹𝑛𝑒𝑡𝑎 = −𝐹𝑞1𝑞 + 𝐹𝑞2𝑞 = −2,5𝑁 + 27𝑁 = 24,5 𝑁
La fuerza resultante es 24,5 N, en dirección a 𝑞2
Ejercicios:
1) Una carga de +14 × 10−6𝐶 se encuentra a 5 × 103 𝑚 de una carga de −21 × 10−6 𝐶. ¿Cuál es la magnitud de
la fuerzas electica entre ambas cargas?
2) Una carga de −32 × 10−6𝐶 se encuentra a 50 × 103 𝑚 de una carga de +51 × 10−6 𝐶. ¿Cuál es la magnitud
de la fuerzas electica entre ambas cargas?
3) Una carga de −8 × 10−6𝐶 se encuentra a 8 × 103 𝑚 de una carga de −12 × 10−6 𝐶. ¿Cuál es la magnitud de la
fuerzas electica entre ambas cargas?
4)
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5) Tres cargas eléctricas se encuentran ubicadas en línea recta. Las cargas extremas se encuentran separadas por
una distancia de 30 × 10−3𝑚. Y la otra carga se ubica justo al medio de las dos. En orden, las cargas tiene un