ALGUNAS DE LA PROPIEDADES BASICAS DE
LAS FUERZAS ELECTROESTATICAS
Electroestática
Es la parte de la
física que se ocupa del estudio de las propiedades y las acciones de las cargas
eléctricas en reposo
Estructura
del átomo :
-protones : carga
positiva
-neutrones: carga
neutra
-electrones: carga
negativa
Nota:
un átomo en su estado normales neutro ya que presenta el mismo número de
electrones que de protones.
Péndulo eléctrico
y electroscopio
Una forma de dar
inicio al estudio de la electroestática es experimentar con objetos que tienen
la capacidad de electrizarse
Un
péndulo eléctrico es un sencillo dispositivo empleado con fines didácticos para poner de
manifiesto ciertos fenómenos electrostáticos.
Consiste usualmente en una
pequeña esfera de saúco que pende de un hilo de seda y generalmente se utiliza
un par de ellos para mostrar como interactúan entre sí. La ligereza de la bola
de saúco permite que ésta experimente un gran desplazamiento cuando sobre ella
actúan fuerzas electrostáticas al acercársele un objeto cargado. Es un material
aislante, pero la presencia de cierta cantidad de humedad (absorbida del aire)
combinada con algunas sales propias de la madera del saúco le confieren una
pequeña movilidad a la carga eléctrica; esto es lo que hace que la madera (o la
semilla) del saúco sea particularmente adecuada para estos experimentos.
Un
electroscopio es un dispositivo
que nos permite reconocer si un cuerpo está cargado eléctricamente e
identificar el signo de dicha carga.
Dicho dispositivo está constituido por dos
laminas metálicas muy finas (oro, aluminio o cualquier otro metal) suspendidas
en una banda conductora. En el extremo superior, posee una esfera o disco de
metal seguido de un tapon de goma. La parte inferior de la esfera la constituye
la varilla y las laminillas, esta se encuentran colocadas dentro de un
recipiente de vidrio.
Tipos de cargas
eléctricas
Existen dos tipos
de cargas eléctricas, las cargas positivas y las cargas negativas. Podemos
tomar ahora como ley que: las cargas de distinto
signo se atraen y las cargas de igual signo se repelen.
Ahora es
conveniente hacer una clasificación de las sustancias en términos de sus
propiedades para concluir electricidad. Es sabido que existen algunos
materiales que tiene la propiedad de conducir fácilmente la electricidad como
el obre el aluminio y otros; en cambio existen otros como el vidrio el hule y
la mayoría de los plásticos que no conducen la electricidad
Un conductor eléctrico Es aquel cuerpo que puesto en
contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los
puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con
electrones libres que permiten el movimiento de cargas.
Los aisladores o dieléctricos son materiales cuyos
electrones se hayan fuertemente ligados al núcleo, impidiendo el transporte de
carga con facilidad.
Los semiconductores son materiales que presentan
propiedades intermedias entre los conductores y los aisladores.
LEY DE
COULOMB
Puede expresarse como:
La magnitud de
cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en
reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas
e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene
la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas
son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.
Esto lo
podemos resumir en la siguiente expresión
De donde K es una constante de proporcionalidad que depende del
medio entre las cargas y las unidades elegidas
La
constante, si las unidades de las cargas se encuentran en Coulomb es la
siguiente:
y su resultado será en sistema
MKS (
)
CAMPO ELECTRICO
Un campo eléctrico es una región en la cual se
manifiestan fuerzas de atracción o de repulsión entre cargas.
La idea de campo
eléctrico fue propuesta por el inglés Michael Faraday en el año 1832 para
referirse a la influencia que tiene un cuerpo cargado eléctricamente sobre la
región que lo rodea. Consideremos una carga X ubicada en cualquier punto al q
rodearemos con cargas q.
Una
carga de prueba X es una carga considerada siempre positiva, que pyuede ser
despazada de un punto a otro, alrededor de otra carga (negativa o positiva),
con el objeto de verificar la existencia de un campo electrico. Aunque debemos
tener en cuenta que el campo electrico existe con o sin la existencia de la
carga de prueba.
El campo eléctrico
puede definirse con la siguiente formula:
Esta expresión
caracteriza al vector campo eléctrico, que escrito en modulo representara a la
magnitud del campo eléctrico, de esta manera podemos definir que: el vector campo eléctrico E en un
punto en el espacio, está definido por la fuerza eléctrica F que actúa sobre
una carga de prueba positiva colocada en ese punto y dividida por la magnitud
de la carga de prueba q0.
La unidad de
intensidad de campo electico es: N/C
Lineas de fuerza
de un campo eléctrico
Es la trayectoria
que sigue una carga positiva abandonada libremente a la influencia de la fuerza
del campo. El campo eléctrico será un vector tangente, en cada punto, a la
intensidad del campo.
Una
carga puntual positiva dará lugar a unas lineas de fuerzas radiales y dirigidas
hacia afuera porque las cargas móviles positivas se desplazaran en ese sentido
(fuerzas repulsivas)
Carga puntual
positiva
Carga
puntual negativa
Dos
cargas iguales en magnitud pero opuestas en signo
Dos
cargas puntuales del mismo signo
PROPIEDADES DE LAS LINEAS DE FUERZA
·
Dos lineas de fuerza de un mismo punto
nunca se cruzan
·
Las lineas de fuerza se inician en una
carga positiva y terminan en una carga negativa
·
La tangente a una línea de fuerza en cada
punto es la dirección de E en ese punto
NOTA: el campo
eléctrico total, debido a un grupo de cargas, es igual al vector resultante de
la suma de los campos eléctricos de todas las cargas. Es decir:
|
PROBLEMAS RESUELTOS
1)Tres cargas eléctrica cuyos valores son:
q1= +2μC, q2= +3μC y q3= +4μC
se ubican en los vértices en de un triángulo equilátero que tiene 0,1
m de la lado, tal y como lo indica la figura 1.25. Calcular la fuerza
resultante que actúa sobre la carga de 4μC.
Solución:
Las
cargas dadas en μC expresadas en
Coulomb (C) vienen dadas así:
-q1= 2.10-6 C, q2=
3.10-6 C, y q3= 4.10-6 C
Las longitudes de los lados miden 0,1 m.
Aquí resolveremos el
problema usando la diagonal del paralelogramo que formen los vectores de las
fuerzas actuantes, para finalmente usar el teorema del coseno.
Esto se
hace con el objeto de ver otra forma de resolución de los problemas, distinto
al método de las componentes.
Hagamos un
diagrama representativo de las fuerzas que actúan sobre la carga q3
ubicada
en el vértice superior del triángulo, Figura 1.26.
|
El ángulo opuesto a Fr se
deduce que es igual a 120º. Veamos de donde se obtiene:
α= β= 60º
(ángulos correspondientes entre paralelas)
pero Ø+ β=180º (por
ser ángulo llano)
Luego
Ø = 180º- β
(despejando Ø)
Ø = 180º-60
(Sustituyendo β)
Ø = 120º
Calculemos
las magnitudes de F13 y F23
a través de la ley de Coulomb
2.10-6 C.4.10-6 C
 F13= 9.109
N.m2 / C2
(0,1m)2
F13=
7,2 N
3.10-6
C .4.10-6 C
 F23= 9.10-6 N.m2/C2
(0,1m)2
F23= 10,8 N
Aplicando el teorema del coseno
nos queda que
FR2=(F13)2
+ (F23)2 – 2 F13 .F23 . cos Ø
FR2=(F13)2
+(F23)2 –2 F13.F23.cosØ120
Sustituyendo valores tenemos
que:
FR2=(7,2N)2+(10,8N)2–2.77,8N2.cos
120 º
Efectuando las
operaciones y extrayendo raíz cuadrada se tiene:
|
FR=
15,69 N
2) Dos cargas eléctricas de 10-6 C
y 2.10-6 C están ubicados en los extremos de una recta de 0,1m de
longitud. Calcular el punto sobre la recta que las une, donde el campo
eléctrico es nulo
Solución
Observemos la figura 2.9, la cual muestra las condiciones del
problema. Supongamos que P es el punto sobre la recta donde el campo resultante
es nulo.
Para que
el campo resultante en P sea nulo, debe verificarse que E1 = E2
Sustituyendo
a E1 y E2 por sus ecuaciones tenemos:
q1
q2
K. = K.
r12
r12
Sustituyendo y
simplificando por K tenemos que:
10-6 2. 10-6
=
(0,1-x)
x2
Resolviendo esta ecuación y
encontrando el valor de x tenemos que:
X= 0,06m
Esto nos indica que el punto P está a
0,06 m de q2 y a 0,04m de q1
PROBLEMAS PROPUESTOS
|
1) Un protón y un electrón están separados
1,5 cm ¿Cuántas veces es mayor la fuerza electrostática sobre el electrón
cuando se encuentran en el agua con respecto a cuándo se encuentran en el aire?
Usa los valores de la tabla de las constantes dieléctricas
R=
O,12 Veces
2) Calcular la separación que deben tener dos protones
para que la fuerza electrostática entre ambos se iguale al peso del protón
R= 0,12 m
3) Calcular
la magnitud del campo eléctrico a que está sometida una carga eléctrica de 8.10-6C,
si sobre ella actúa una fuerza de 2.10-4N.
R= 25 N/C
4) Se
tienen dos cargas eléctricas puntuales de +12μC Y
-36μC están separados 2m en el
vacío. Calcular:
a) El campo eléctrico creado para cada una de las cargas en el punto
medio del segmento que las une
b) El campo eléctrico resultante en este punto.
R= a) 1,08. 105 N/C;
-3,24.105 N/C
b) 4,32.105 N/c
FUENTE: Teoria y Practica de Fisica 5to año. Eli Brett y William A. Suarez.
