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Campo y fuerza eléctrica. Potencial eléctrico.

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S5C1

  1. 1. Fuerza eléctrica y Campo eléctrico Y Milachay, L Arrascue, A Macedo
  2. 2. Experimento de electrización de los cuerpos
  3. 3. La carga eléctrica <ul><li>La carga eléctrica, como la masa, es una propiedad fundamental de la materia. </li></ul><ul><li>Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa: protones y electrones </li></ul><ul><li>Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas eléctricas de signos contrarios se atraen. </li></ul><ul><li>La carga está cuantizada. Es decir, todas las cargas son un múltiplo de la carga fundamental e . </li></ul><ul><li>Q = + ne </li></ul><ul><ul><li>Donde n es un número entero positivo </li></ul></ul><ul><li>Las características y propiedades de los átomos y moléculas se deben a las interacciones eléctricas entre las partículas que los componen. </li></ul>F F F F F F
  4. 4. Propiedades de la carga eléctrica <ul><li>La unidad de carga en el sistema internacional de unidades es el coulomb y su símbolo es C . Los valores típicos de carga se expresan utilizando algunos prefijos del sistema internacional. </li></ul><ul><li>Prefijo micro (  = 10 – 6 )  1  C = 10 – 6 C </li></ul><ul><li>Prefijo nano (  = 10 – 9 )  1  C = 10 – 9 C </li></ul><ul><li>Prefijo pico ( p = 10 – 12 )  1 pC = 10 – 12 C </li></ul>Propiedades de las partículas con carga eléctrica e = 1,60217733 x 10 – 19 C Donde e es la carga fundamental y su valor es: Neutrón Protón Electrón cero 1,6749286 x 10 - 27 kg + e 1,6726231 x 10 - 27 kg <ul><li>e </li></ul>9,1093897 x 10 - 31 kg Carga unitaria Masa
  5. 5. Cuando el cuerpo está cargado eléctricamente <ul><li>Un cuerpo es eléctricamente neutro si el número de electrones es igual al número de protones, la suma de todas las cargas es nula. </li></ul><ul><li>Un átomo, inicialmente neutro, que pierde uno o más de sus electrones quedará cargado positivamente y se le llamará ión positivo. </li></ul><ul><li>Un átomo inicialmente neutro que gana uno o más electrones quedará cargado negativamente y se le llamará ión negativo. </li></ul>Carga elemental negativa Carga elemental positiva Cuerpo con carga nula # cargas negativas=# cargas positivas Cuerpo cargado positivamente # cargas negativas<# cargas positivas Cuerpo cargado negativamente # cargas negativas># cargas positivas
  6. 6. Ejercicio de aplicación <ul><li>Se produce un rayo cuando hay un flujo de carga eléctrica (principalmente electrones) entre el suelo y un nubarrón. La proporción máxima de un flujo de carga al caer un rayo es de alrededor de 20 000 C/s ; esto dura 100  s más o menos. ¿Cuánta carga fluye entre el suelo y la nube en este tiempo? ¿Cuántos electrones fluyen durante este tiempo? </li></ul><ul><li>1  s = 10 -6 s </li></ul><ul><li>e - = 1,60217733 x 10 – 19 C </li></ul><ul><li>Solución : </li></ul><ul><li>a) La cantidad de carga que fluye es igual a la tasa de descarga x tiempo de descarga. </li></ul><ul><li>20 000 C/s x 100 10 -6 s </li></ul><ul><li>2 C </li></ul><ul><li>b)¿Cuántos electrones se han desplazado? </li></ul><ul><li>Dividimos el resultado anterior entre la carga del electrón. </li></ul><ul><li>2 C/ 1,602 x 10 -19 C </li></ul><ul><li>El resultado da: </li></ul><ul><li>1,25 x 10 19 electrones </li></ul>Cada día en el mundo se producen 8 000 000 de rayos http://www.pararrayos.info/pdf/Pararrayos%20CTS%20%20Agosto%202006.pdf
  7. 7. Blindaje eléctrico: al interior de un conductor el campo eléctrico es nulo <ul><li>El blindaje eléctrico es la aplicación del conocimiento del comportamiento de las cargas eléctricas. Es usado para protegerse en la reparación de líneas de alta tensión. </li></ul>http:// www.schwab -kolb.com/dc000096. htm Persona que ha sufrido la descarga eléctrica de un rayo
  8. 8. Ejercicio de aplicación <ul><li>Explique, usando conceptos de electrostática, cómo se ha podido iniciar el fuego en el surtidor de la gasolinera. </li></ul><ul><li>Regla para proteger las tarjetas electrónicas de la electricidad estática: </li></ul><ul><li>“ Al manejar componentes electrónicos, lleve siempre una correa de protección contra descargas electrostáticas en la muñeca o el tobillo. Conecte un extremo de la correa a un conector anti-electrostático a una pieza de metal sin pintar del sistema (como un tornillo).” </li></ul><ul><li>¿Por qué se debe conectar la correa a la ventana? </li></ul>http://www.cdc.gov/spanish/niosh/docs/98-111sp.html http://www.youtube.com/watch?v=b3x-8tj49ac
  9. 9. Ley de Coulomb <ul><li>Coulomb encontró que para dos cargas puntuales q 1 y q 2 (cargas de dimensiones muy pequeñas en comparación con la distancia r entre ellas), el módulo de la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. </li></ul>http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb
  10. 10. K – constante eléctrica <ul><li>La constante eléctrica también se expresa como: </li></ul><ul><li>Donde  se denomina permisividad del medio y  ´ se denomina constante dieléctrica del medio. </li></ul>http://amasci.com/miscon/elect.html 2,64·10 9 3,01·10 -11 Vidrio orgánico 2,25·10 9 3,54·10 -11 C-irbolito 2,04·10 9 3,90·10 -11 Baquelita 8,56·10 9 9,30·10 -12 Poliestireno 4,09·10 9 1,95·10 -11 Papel parafinado 1,38·10 9 5,76·10 -11 Mica 4,16·10 9 1,90·10 -11 Parafina 8,99·10 9 8,85·10 -12 Vacío k  ´  Material
  11. 11. Ejercicio de aplicación <ul><li>En una molécula de NaCl, un ión Na + con carga “e” está a 2,3 x10 -10 m del ión Cl - con carga “-e” ¿Cuánto vale la fuerza entre ambos? </li></ul><ul><li>Solución: </li></ul><ul><li>Una membrana celular de 1,0 x 10 -8 m de espesor tiene iones positivos a un lado y iones negativos al otro. ¿Cuál es la fuerza entre estos dos iones de carga +e y –e a esta distancia? </li></ul><ul><li>Solución: </li></ul>
  12. 12. Definición del campo eléctrico <ul><li>Definimos el campo eléctrico E en un punto como la fuerza eléctrica F experimentada por una carga de prueba q o en el punto, dividida entre la carga q o . </li></ul><ul><li>De esta manera podemos caracterizar el espacio con esa magnitud y determinar la fuerza que actuaría sobre cualquier carga ubicada en dicha posición. </li></ul>+ +
  13. 13. Campo eléctrico de cargas puntuales <ul><li>Por la ley de Coulomb: </li></ul><ul><li>Definición de campo eléctrico: </li></ul><ul><li>Reemplazando (1) en (2): </li></ul>
  14. 14. Ejercicio de aplicación <ul><li>Un virus del mosaico del tabaco tiene una longitud de 3 000 Å y cargas de +e y −e en sus extremos. Dibuje la distribución espacial del campo eléctrico. </li></ul>
  15. 15. Ejercicio de aplicación <ul><li>Dos cargas de 6,00 nC y 3,00 nC están ubicadas en los vértices del rectángulo mostrado. ¿Cuál es el valor del campo eléctrico en el vértice A? </li></ul><ul><li>Solución: </li></ul><ul><li>Solución </li></ul>q 2 =3,00 nC q 1 =6,00 nC A 0,200 m 0,600 m
  16. 16. Otra forma de ver de los peces http:// sunsite.dcc.uchile.cl /nuevo/ciencia/ CienciaAlDia /volumen3/numero1/ articulos /articulo1. html Gymnotus carapo Gnatonemus petersii
  17. 17. Conocimientos previos Trabajo realizado por una fuerza variable El signo del trabajo depende de la relación entre las direcciones de la fuerza y el desplazamiento
  18. 18. Energía potencial eléctrica. Potencial eléctrico
  19. 19. Energía potencial mecánica <ul><li>El trabajo de una fuerza F que se aplica sobre un cuerpo que se desplaza de a a b es igual a: </li></ul><ul><li>Si la fuerza es conservativa, siempre se puede expresar el trabajo como la diferencia de las energías potenciales inicial y final . </li></ul><ul><li>Un caso típico es la energía potencial gravitacional relacionada con el trabajo del peso de un cuerpo. </li></ul>
  20. 20. Energía potencial de una carga eléctrica <ul><li>La expresión de la fuerza eléctrica es: </li></ul><ul><li>La expresión del trabajo para el desplazamiento considerado es: </li></ul><ul><li>Por lo que la expresión de la energía potencial es igual a: </li></ul>Lo que resulta ser la energía potencial eléctrica entre dos cargas La carga de prueba q 0 (carga positiva y pequeña) se desplaza radialmente
  21. 21. El potencial eléctrico <ul><li>La diferencia de potencial eléctrico se define como: </li></ul><ul><li>El potencial eléctrico en un punto a respecto a otro punto b es : </li></ul><ul><li>En el SI la unidad del potencial eléctrico es el volt (V) </li></ul><ul><li>1 V = 1 J/C </li></ul><ul><li>Las unidades del campo eléctrico y la del potencial eléctrico se relacionan por </li></ul><ul><li>1 N/C = 1 V/m </li></ul><ul><li>En Física Atómica es común definir el electrón-volt ( eV ) como la energía que gana un electrón al moverse a través de una diferencia de potencial de 1 volt </li></ul><ul><li>1 eV = 1,60  10  19 J </li></ul>
  22. 22. Campo eléctrico entre placas paralelas <ul><li>Una batería de V volts se conecta entre dos placas paralelas. La separación entre las placas es d metros y el campo eléctrico se supone uniforme. ¿Cuál es el campo eléctrico E entre las placas en función de V y d . </li></ul><ul><li>Solución </li></ul><ul><li>El trabajo que requiere realizar el campo para desplazar una carga desde un extremo al otro de las placas es igual a la fuerza por la distancia. Como la fuerza eléctrica es constante (campo uniforme): </li></ul>E =  V / d
  23. 23. El ultrasonido <ul><li>Piezoelectricidad . Tiene lugar cuando se somete a un esfuerzo ciertos materiales como la turmalina, cuarzo y cerámicos específicos. Dicho esfuerzo produce la aparición de una diferencia de potencial o viceversa. </li></ul>
  24. 24. Ejercicio de aplicación <ul><li>Cuál es la magnitud del campo eléctrico a través de la membrana de un axón de 1,0 x10 -8 m de espesor, si el potencial de reposo es de -70 mV . </li></ul><ul><li>Solución: </li></ul>
  25. 25. Ejercicio de aplicación <ul><li>Una partícula con una carga de +4,20 nC está inicialmente en reposo en un campo eléctrico uniforme E dirigido hacia la izquierda. Al quedar en libertad, la partícula se desplaza a la izquierda y, después de recorrer 6,00 cm , su energía cinética resulta ser de 1,50 x 10 -6 J . a) ¿Qué trabajo realizó la fuerza eléctrica? b) ¿Cuál es la diferencia de potencial entre los puntos de partida y llegada? c) ¿Cuál es la magnitud de E ? </li></ul><ul><li>Solución </li></ul><ul><li>q = +4,20 nC </li></ul><ul><li>v 0 =0 m/s </li></ul><ul><li>d = 6,00 cm </li></ul><ul><li>E kf = 1,50 x 10 -6 J </li></ul>E 6,00 cm a b (a) (b) q (c)
  26. 26. Ejercicio de aplicación <ul><li>Una membrana semipermeable es permeable al ión de nitrato NO 3 - , pero impermeable a los iones de plata, Ag + . Dos soluciones de nitrato de plata, con diferentes concentraciones, se aplican a un lado de la membrana. Describa y explique el origen del campo eléctrico en la membrana cuando se ha alcanzado el equilibrio. </li></ul>
  27. 27. Ejercicio de aplicación <ul><li>La membrana celular tiene una densidad de carga de -1,5 x10 -6 C/m 2 en su superficie externa. </li></ul><ul><ul><li>Dibuje el campo eléctrico entre las capas de la célula. </li></ul></ul><ul><ul><li>Si la constante dieléctrica de la célula es 8,0 , calcule el campo eléctrico entre las capas exterior e interior de la célula. </li></ul></ul><ul><ul><li>Si el espesor de la membrana es de 0,75  m , calcule la diferencia de potencial entre las capas de la membrana. </li></ul></ul>
  28. 28. Ejercicio de aplicación <ul><li>Un electrón es acelerado entre dos electrodos separados 40 mm en un tubo de rayos x que funciona a una diferencia de potencial de 20 kV . </li></ul><ul><ul><li>Calcule la fuerza promedio que actúa sobre el electrón. </li></ul></ul><ul><ul><li>Calcule la energía cinética del electrón justo antes de que impacte sobre el electrodo positivo. </li></ul></ul>

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