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Física,Electrostática,

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Documento que contiene los conceptos generales de la electricidad, ya sea como carga eléctrica, tribolectricidad, tipos de electrización , fuerza eléctrica, Ley de Coulomb, entre otras definiciones...

Documento que contiene los conceptos generales de la electricidad, ya sea como carga eléctrica, tribolectricidad, tipos de electrización , fuerza eléctrica, Ley de Coulomb, entre otras definiciones...

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  • 1. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1CLASE B7-VERSION 002 Página 1 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 2. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1Fuerza Electrostática , Fenómenos de Electrización, Carga EléctricaDesde la antigüedad se conoce la propiedad que tienen algunos materiales de atraer o repeler objetos , comoplumas o virutas de madera, después de ser frotados rápidamente. Este fenómeno se conoce comoelectrización y su estudio científico llevaría al descubrimiento de la carga eléctrica.Carga EléctricaLa carga eléctrica es, junto a la masa, una propiedad fundamental de la materia, que tiene suorigen en la estructura atómica. La corteza o envoltura , esta formada porelectrones, partículas con carga eléctrica negativa, mientras que el núcleo delátomo esta formado por los protones, partículas con carga positiva delmismo valor absoluto que la carga del electrón y los neutrones que son partículas sin cargaeléctrica. En condiciones normales, los cuerpos u objetos son neutros (poseen el mismo numero deprotones y electrones), por lo que para entender el fenómeno de la electrización, es necesario conocer y saberque algunos átomos que componen estos objetos tienen la facilidad de desprenderse de sus electrones masexternos adquiriendo los cuerpos carga eléctrica neta. Si un material tiende a perder algunos de sus electronescuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica (a). Si un materialtiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en laserie triboeléctrica .Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente:Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano,vinilo,(PVC),teflón.El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas por que ambos materiales ocupan posiciones idistintas en la serie triboeléctrica , lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales noconductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidadde carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie triboeléctrica), y del área dela superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si sonlisas o rugosas (entonces, la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan lassuperficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el airetiene el mismo efecto que la humedad. La cantidad de cargas transferidas por el fenómeno de triboelectricidad depende de factores como la calidaddel contacto de las superficies que están frotándose por ejemplo, el tamaño del área de contacto, la rapidez conque las superficies se mueven, lubricación y granulación microscópica de las superficies en contacto.. Aquellos átomos que pierden electrones quedan cargados positivamente denominándose ion positivo y aquellos que ganan, quedan negativamente cargados llamados ion negativo, pero su carga total permanece invariable, cumpliendo lo que se conoce como el principio de conservación de la carga, por lo que la carga no puede ser creada ni destruida.Lo anterior puede entenderse mejor explicando las tres formas de electrización que son frotación, contacto einducción.i llamado así al fenómeno ocurrido cuando dos cuerpos que estando en contacto brevemente, fueron separados violentamente(como por ejemplo al moverel pie cuando uno camina) entonces algunos electrones permanecerán apegados a los átomos de una u otra superficie (dependiendo de las fuerzas de estaunión)CLASE B7-VERSION 002 Página 2 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 3. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1Electrización por frotamientoPara electrizar un objeto por frotación se necesitan primeramente 2 cuerposneutros, supongamos por ejemplo que frotamos un peine de plástico sobre nuestrocabello (ver figura), se intercambian la energía necesaria para que pase unapequeña fracción de electrones desde el peine al pelo, en el proceso, el cabello secarga positivamente y la peineta negativamente, pues los electrones son sujetadoscon mas fuerza en el plástico que en el pelo, por lo que este ultimo tiene un excesode electrones, entonces cuando acercamos el peine a unos trocitos de papel estosson atraídos ( ver el zoom), lo que concluimos que ambos tiene carga de diferente Electrización por contactoEste tipo de electrización ocurre cuando se ponen en contacto dos cuerpos , uno cargado y otro descargado( ya sea conductor o aislante), al entrar en contacto los objetos , pasa carga eléctrica del objeto cargado al descargado yterminan por repelerse. El cuerpo descargado se electriza con carga del mismo signo que el objeto cargado . Si el objeto cargado es conductor , la carga se redistribuye por toda la superficie, si es aislante, la carga queda confinada en la zona de contacto. Por contacto un material conductor cargado se descarga rápidamente , independientemente de la zona de contacto. Sin embargo, u material dieléctrico cargado solo se descargado por contacto si este tiene lugar en la zona donde se encuentra confinada la carga, la zona de frotamientoElectrización por Inducción ( a distancia o por influencia) en materialesconductores.Este fenómeno es un efecto de las fuerzas eléctricas debido a que éstas se ejercen adistancia, ocurre cuando se acerca un objeto cargado (denominado inductor) a un cuerpoconductor descargado (llamado cuerpo inducido), en este ultimo se produce unapolarizacion, de modo superficial de electrones, de forma que cargas de distinto signoquedan enfrentadas en el objeto cargado y en el conductor.La siguiente ilustración explica claramente este proceso.CLASE B7-VERSION 002 Página 3 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 4. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1La separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agenteresponsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro. Por inducción solo se electrizan las sustanciasconductoras, pues ellas poseen cargas con libertad para desplazarse de un lugar a otro.Ley de CoulombEsta ley nació con el propósito de encontrar una forma de medir y calcular la cantidad de electrones que sepierden o ganan en un proceso de electrización un cuerpo, por lo que posee un exceso de protones(carga positiva) o bien un exceso de electrones ( carga negativa) , por lo que se asocio el valor de la carga deun cuerpo como Q o q , con lo que se concluye que los valores de Q o q estarían expresados por númerossumamente grandes, con todo esto se procuró emplear una unidad de carga adecuada, que en el sistemaInternacional ( S.I ) la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb, en honor al físico francés llamadoCharles Coulomb , quien analizo las fuerzas de interacción entre las cargas puntuales, llamada Ley deCoulomb, que expresaremos un poco más adelante, pero que constituye el punto de partida de la Electrostáticacomo ciencia cuantitativa. Charles A. Coulomb ( 1736 -1806), físico francés investigó las fuerzas eléctricas alrededor del año 1780, utilizando una balanza de torsión muy similar a la CA-VENDISH 181C, significa que perdió o ganó 6.25 x 10 electrones, es decir: 18Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C significa que perdió o ganó 6.25 x 10 electrones enexceso (si la carga del cuerpo fue negativa) o en defecto (si la carga del cuerpo fue positiva.).Pero hablamos de fuerza de interacción entre cargas y ¿que es carga eléctrica puntual?, ¿que representa?Bien, entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio.Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximacióncuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muypequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos.Los hechos experimentales acumulados hasta esa época, llevaron en 1785 al francés Charles A. de Coulomb(1736-1806) a enunciar la ley que lleva su nombre y que describe la interacción entre cargas eléctricaspuntuales estáticas de forma análoga a la ley de gravitación universal que describe la interacción entre masas:El enunciado de la ley de Coulomb es el siguiente:La fuerza que ejercen entre si dos cuerpos cargados eléctricamente, esdirectamente proporcional al producto de sus masas o cargas (Q1 y q2) , einversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r) Talfuerza se aplica en los respectivos centros de la cargas y están dirigidas alargo de las líneas que las une y depende de la naturaleza del medio que lesrodea . Se trata de fuerzas que actúan de a pares, sobre cada una de las partículas cargadas F12 y F21 , forman un par de fuerzas de acción y reacción, por lo que su dirección es la de la recta que une sus centros, no se anulan y actúan sobre cuerpos distintos y su sentido es de atracción o repulsión dependiendo si las cargas son de distinto o igualCLASE B7-VERSION 002 Página 4 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 5. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1signo respectivamente.Lo anterior se expresa matemáticamente: r kQq ) F(r) = 12 2 r r 9 2 2donde : k = Constante electrostática del vacío cuyo valor es 9x10 [Nm /C ] o también, expresado en términos 1 -12 2 2 )de la permitividad del vacío ( ε0) como: k= siendo ε0 = 8,85 x 10 [C / Nm ] y r es el vector 4πε 0unitario que indica la dirección y el sentido de la fuerza eléctrica. Esta ley nos dice que si dos cuerpos se atraen con una fuerza F, al alejarlos, sin cambiar su carga, unadistancia el doble de la que tenían inicialmente, la magnitud de esta fuerza F, disminuirá a la cuarta parte de F,si se alejan al triple, su fuerza disminuirá a la novena parte de F y así sucesivamente.De la misma forma, si dos objetos cargados separados una distancia, a uno de ellos se le duplica la carga, y laseparación se mantiene, entonces la fuerza aumentara al doble, por lo tanto podemos resumir diciendo que amayor cantidad de carga de los cuerpos, mayor es la fuerza entre ellos, y que mientras mayor es la distanciaque los separa , menor será la fuerza de interacción. Esta fuerza tiene el mismo valor en cada uno de loscuerpos, por lo que un cuerpo con más carga o por ser más grande no ejercerá una fuerza mayor que el otro.Volviendo a lo anterior, si la fuerza electrostática actúan de a pares,entonces ¿se puede resolver el problema cuando existen varias cargasq1, q2 y q3 que ejercen fuerza sobre otra Q? ¿Cuál es la fuerza neta sobreQ?. Esta situación se resuelve fácilmente calculando la fuerza eléctricaentre q1 y Q, luego q2 y Q y finalmente q3 con Q o sea: n n kQq i )FN = ∑ FiQ = ∑ r (principio de superposición) 2 iQ i =1 i =1 riQComo sabemos, las cargas eléctricas ejercen fuerza a distancia sobre otra carga puntual , pero aun nos saltauna duda, ¿ejercerá una fuerza eléctrica en la zona donde ella esta ubicada?Claro que sí, electriza la zona donde ella se encuentra, se trata de un campo de fuerzas que influye sobre otroscuerpos cargados y masivos ubicados en ese lugar, esto quiere decir que las propiedades de ese espacio querodea a cualquier cuerpo cargado se alteran de tal manera que otro cuerpo cargado que se introduzca en esaregión sentirá la fuerza. La fuerza es eléctrica y el espacio alterado que rodea al cuerpo es su Campo Eléctrico.Este espacio puede ser medido por medio de su intensidad, considerando la fuerza eléctrica que ejerce la cargageneradora del campo y una carga de prueba, que por convención sea siempre positiva y de dimensionesdespreciables, de tal forma que no interfiera en dicho campo.Es importante destacar que la existencia del campo no depende de la carga de prueba, esta solo permiteverificar su existencia.Se puede imaginar que cualquier otro cuerpo cargado interacciona con el campo, y no directamente con elcuerpo cargado que lo produce.CLASE B7-VERSION 002 Página 5 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 6. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1Expliquemos esto con las siguientes ilustraciones:Consideremos una carga positiva Q fija en Supongamos ahora que la carga q0 fuese desplazada endeterminado lugar y colocamos una carga de prueba q0 torno de Q en cualquiera de los otros ptos P2 , o P3, enen P1 a cierta distancia de Q como cada uno de ellos también actuara sobre q0 una fuerzaindica la figura ,entonces se tendrá una fuerza eléctrica F eléctrica ejercida por Q ( positiva o negativa) que a su vezactuando sobre q0 representa la dirección del campo eléctrico ,Se trata de un campo vectorial, por lo que posee Es posible conseguir una representación grafica de unmagnitud, dirección y sentido. La Intensidad de campo de fuerzas eléctricas, empleando las llamadas líneas de fuerzas. Son líneas imaginarias que F describen si los hubiere los cambios en dirección decampo estara dada por: E= donde F es la q0 las fuerzas al pasar de un pto a otro. Estas líneasfuerza que actúa sobre carga de prueba q0 , indican las trayectorias que seguiríancolocada en un pto donde se quiere obtener el las partículas positivas si se las abandonasecampo. La dirección y el sentido esta determinado libremente a la influencia de las fuerzas del campo.por la dirección y sentido de la fuerza que actúa El campo eléctrico será un vector tangente a la líneasobre la carga q0. En el caso de una carga puntual, deésta es radial y depende del signo de ella a) si q1 espositiva b) si q1 es negativa fuerza en cualquier punto considerado.CLASE B7-VERSION 002 Página 6 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 7. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de (aquellas donde esten mas juntas el campo eléctricolíneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas será mas intenso)actúan siempre en la dirección de la línea que une - Las líneas de campo no pueden cortarse. De lolas cargas interactuantes y dirigidas hacia fuera, contrario en el punto de corte existirían dos vectoresporque las cargas móviles positivas se desplazarían campo eléctrico distintos.en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del - El número de líneas que salen de una carga positivacampo debido a una carga puntual negativa el mapa o entran en una carga negativa es proporcional ade líneas seria análogo, pero hacia la carga central. dicha carga.Como consecuencia de lo anterior, en el caso de loscampos debido a varias cargas las líneas de fuerza Todo lo anterior se analizó para el caso en que senacen siempre de las cargas positivas y mueren en tienen dos cargas, una la generadora del campo y lalas negativas. Se dice por ello que las primeras son otra la carga que detecta dicho campo, pero ¿quemanantiales y las segundas sumideros de líneas de ocurre si existen varias cargas generadoras delfuerza. campo eléctrico?, ¿como podemos determinar en unEstas líneas de fuerza poseen algunas pto su intensidad total?características que es importante destacar como:- La densidad de líneas en determinada zona delespacio es proporcional al modulo del campoeléctrico ,En este caso, al igual que la fuerza eléctrica, ocupamos el principio de N Qi )superposición, definido como: ET ( r ) = ∑k r, 2 i donde : Qi =cargas i =1 rigeneradoras del campo, 9 2 2k = Constante electrostática del vacío cuyo valor es 9x10 [Nm /C ] o )también, expresado en términos de la permitividad del vacío (ε0), r es el vector unitario que indica la direccióny el sentido de la fuerza eléctrica,Esta ecuación representa la forma de encontrar el valor de la intensidad equivalente o total del campo eléctricoen el punto P debido a varias cargas generadoras puntuales. Es importante destacar además que la unidad demedida de la intensidad del campo es Newton/Coulomb (N/C) o Volt/metro (V/m), donde esta ultima unidad severa en el próximo apunte.CLASE B7-VERSION 002 Página 7 de 8 Mitzy Cortez Arros
  • 8. Universidad Andrés Bello Física General Facultad de Ciencias Exactas FMF024 Dpto. de Ciencias Físicas 2012-S1 Aplicaciones de la Electrostática iiOtros ejemplos que podemos destacar y quizás poco conocidos son la pintura electrostática , fumigación iiielectrostática , entre otras cosas.Nos invitamos a conocer más sobre este fantástico fenómeno de electrización, a través de las páginas webmencionadas al final de esta páginaii puede averiguar mas sobre el tema en http://www.arlam.com.mx/pintura-electrostatica/, o también enhttp://es.wikipedia.org/wiki/Pintura_electrost%C3%A1ticaiii en la agricultura este tipo de fumigación es bien usado, la siguiente pagina explica en mas detalle esta aplicaciónhttp://www.electrostaticas.com/Manuals/New_What_Growers_Should_Know_Espanol.pdfCLASE B7-VERSION 002 Página 8 de 8 Mitzy Cortez Arros

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