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UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA Carga eléctrica. Conductores y aislantes. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Líneas de campo. Ley de Gauss. Carga y flujo eléctrico. Aplicaciones. Carga en conductores. FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA PARTE A Carga eléctrica. Conductores y aislantes. Ley de Coulomb. FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 Comenzaremos estudiando la interacción entre cargas eléctricas en reposo a lo cual se lo denomina ELECTROSTÁTICA. El observador se halla parado desde un referencial respecto del cual las cargas están en reposo. Para ello hace falta definir carga eléctrica. CARGA ELÉCTRICA. La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción o repulsión entre ellas, por la mediación de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 Normalmente los objetos que nos rodean no tienen carga neta es decir que son neutros o que sus cargas están equilibradas Cantidad de carga NEGATIVA = Cantidad de carga POSITIVA La unidad de carga eléctrica en el SI es el Coulomb, C. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 La materia está constituida por átomos y en ellos hay Un objeto que está cargado, tiene un desbalance de carga que puede ser: Positivo: hay un déficit de electrones Negativo: hay un exceso de electrones. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 Estudiaremos, entonces, la interacción entre la carga eléctrica y la materia. Como ya lo dijimos anteriormente existen dos tipos de carga: la positiva y la negativa. Esa denominación se la debemos a Benjamín Franklin. (1706-1790) Las cargas generadas al frotar un vidrio con un trozo de seda son positivas y las generadas al frotar una barra de plástico con piel son negativas. Esa convención la estableció Franklin. DEFINICIÓN: v Cargas que se repelen son de la misma clase. v Cargas que se atraen son de clase opuesta. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 CONDUCTORES Y AISLANTES. Si a una barra metálica que la sostenemos con la mano la frotamos con piel, no adquiere carga. Pero si le colocamos una manija de vidrio de tal manera que la mano no la toque mientras se frota, es posible cargarla. Esto sucede porque los metales, el cuerpo humano y la tierra son “conductores” de las cargas, mientras que el vidrio y el plástico son “aislantes o dielectricos” Conductores: las cargas eléctricas se mueven con libertad dentro del material, Aislantes o dieléctricos: las cargas no se mueven con libertad. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 CONDUCTORES Y AISLANTES. Supongamos tener dos esferas metálicas: la primera está cargada y la otra no ¿Qué pasa si las conectamos o vinculamos? Conector Metálico Conector de Madera La Madera es aislanteEl Metal es conductor UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 CONDUCTORES Y AISLANTES. No existen aislantes perfectos de tal forma que para muchos propósitos algunos materiales se comportan como aislantes perfectos. Existen otros materiales conductores denominados electrólitos en los que las cargas positivas como negativas se pueden mover. Hay otros materiales llamados semiconductores que tienen características intermedias entre los conductores y los aislantes en cuanto a su capacidad de conducir cargas. Ej. Silicio y germanio. CONCLUYENDO: Los metales en general, el agua corriente, el cuerpo humano son ejemplo de conductores. Los portadores de carga son los electrones libres. El agua químicamente pura, el vidrio, el plástico son ejemplo de aislantes. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 En un conductor típico cada átomo contribuye con un electrón de conducción. 10#$ %&%'() *% '+,*-''.ó,'0$ En un aislante típico. 1 %&%'() *% '+,*-''.ó,'0$ En un semiconductor la densidad de conducción se controla con el voltaje, la luz y la temperatura. Entre 1011 2 101# 343567 83 59:8;55<ó:5=> UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 CARGA INDUCIDA: Se puede inducir carga sobre sobre un elemento metálico de la siguiente forma 1) se acerca un elemento con carga positiva a una esfera metálica. 2) Se redistribuyen las cargas en la esfera. 3) se conecta la esfera metálica a tierra. 4) se descargan las cargas positiva hacia tierra. La esfera queda cargada negativamente. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 LA LEY DE COULOMB Charles Coulomb midió cuantitativamente la atracción y repulsión eléctrica y dedujo la ley que las gobierna. Ideó un dispositivo denominado balanza de torsión de Coulomb Estudios realizados por Coulomb demostraron que : 1) la fuerza eléctrica que ejercía un cuerpo cargado sobre otro depende directamente de las magnitudes de las cargas. o Si duplicamos una de las cargas, se duplica la fuerza. o Si duplicamos ambas cargas, se cuadriplica la fuerza. 2) es inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separan (hay un experimento de 1971 que permitió encontrar que ese exponente es 2+δ; #$%#& ' < 10+,-) 3) La fuerza actúa a lo largo de la línea que une ambas cargas acorde a la tercera ley de Newton. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 LA LEY DE COULOMB Charles Coulomb midió cuantitativamente la atracción y repulsión eléctrica y dedujo la ley que las gobierna. Ideó un dispositivo denominado balanza de torsión de Coulomb UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 LA LEY DE COULOMB Esto lo podemos llevar a fórmula: ! = # $%$& '& ! ∝ $%$& '& Donde # = 8,988 , 10/ 0.2 & 3& 45 46 7. 8. (mksA) 9 es una fuerza y como tal es un vector Donde 1IJK6JLM = 3,10/OPQPIJK6JLM UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 LA LEY DE COULOMB Sea !" # !$ dos cargas eléctricas puntiformes colocadas en los puntos 1" y 1$ (vectores de posición): Las cargas se encuentran en reposo respecto de un sistema inercial y en el vacío. El vector distancia de !$ respecto de !" es 1"$ = 1$- 1" 3"$ = 4 56578677 91"$ 91"$ =867867 . Vector unitario 3"$ = −3$" UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 LA LEY DE COULOMB La fuerza de interacción es según la recta que une !" #$% !&; lo que significa que '"& es central. Esta ley lleva implícita la idea de que las fuerzas de interacción aparecen simultáneamente con la presencia de las cargas, es decir que las acciones son instantáneas '"& = ) *+*,-+,, ./"& ./"& =-+,-+, . Vector unitario '"& = −'&" UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 PRINCIPIOS VÁLIDOS PARA LA LEY DE COULOMB LEY DE SUPERPOSICIÓN: Si !" es la fuerza de interacción de #" $%&'( #; !) la de #) $%&'( # * !+ la de #+ $%&'( # entonces la fuerza ! con que actúan simultáneamente #" , #), … , #+ $%&'( # manteniendo los valores y posiciones anteriores. !⃗ = !" + !)+ …+!+ = ∑2+ !2 Aplicando las leyes de Coulomb y de superposición se puede escribir !⃗ = ∑2+ 334546 7'2 UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 FUERZA ELÉCTRICA Y FUERZA GRAVITACIONAL El origen de esta fuerza son las cargas eléctricas, las cuales sonuna propiedad de la materia. !"# = % &'&()'(( *+"# !"# = , -'-()'(( *+"# El origen de esta fuerza son las masas, las cuales, también, son una propiedad de la materia. La similitud entre ambas fuerzas es que ambas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las fuentes. La diferencia es que en las fuerzas gravitacionales siempre hay atracción. UNIDAD Nº1 CARGA ELÉCTRICA FÍSICA III - 2021 Dra. Ing. María Elizabeth MÉDICI18/3/21 LA CARGA ELÉCTRICA ESTÁ CUANTIZADA En la época de Franklin se pensaba que la carga era un fluido, pensamiento que era muy útil para muchos propósitos. Luego se desmostró que toda la materia está constituida por átomos y que los fluidos no son continuos. El fluido eléctrico tampoco es continuo sino que está constituido por múltipos enteros de cierta carga mínima. Cualquier carga q sin importar su origen se puede escribir como n.e, donde n es un entero positivo o negativo. ! = #, %&' ( #&)#* + No es posible tener un objeto cargado con 1,65 e Partícula Símbolo Carga Masa Protón p +- 1,6726485 x 10 -27 kg Neutrón n 1,6726485 x 10 -27 kg Electrón -) −- 9,109534 x 10 -31 kg
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