Electricidad. Electrostática

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1 Electricidad. Electrostática
El campo eléctrico Carga eléctrica Conductores y aislantes Ley de Coulomb El campo eléctrico. Líneas de campo eléctrico Campos eléctricos debidos a distribuciones continuas de carga Ley de Gauss Carga y campo en la superficie de un conductor Movimiento de cargas puntuales en un campo eléctrico Dipolos eléctricos Potencial eléctrico Diferencia de potencial Potencial eléctrico de sistemas de cargas y de distribuciones continuas Potencial y campo eléctrico. Líneas de campo y superficies equipotenciales Energía electrostática y capacitancia Energía potencial electrostática Capacitancia (capacidad) Almacenamiento de energía eléctrica Capacitores (condensadores), Baterías y circuitos Dielectricos. Descripción molecular de los dieléctricos

2 El campo eléctrico. Carga eléctrica. Conductores y aislantes
El campo eléctrico Carga eléctrica Conductores y aislantes Ley de Coulomb El campo eléctrico. Líneas de campo eléctrico Campos eléctricos debidos a distribuciones continuas de carga Ley de Gauss Carga y campo en la superficie de un conductor Movimiento de cargas puntuales en un campo eléctrico Dipolos eléctricos

3 Carga eléctrica: Los objetos que portan cargas opuestas se atraen entre si. Los que portan cargas del mismo signo se repelen. Positiva, la carga adquirida por una varilla de vidrio cuando se frota con un paño de seda (criterio de Franklin): los electrones se transfieren a la seda, la cual adquiere la misma carga Negativa Ley de conservación de la carga La carga está cuantizada La unidad SI de carga es el coulomb [C] Unidad fundamental de carga e = x C

4 Conductores Aislantes Carga por inducción
materiales cuyas cargas, por lo general electrones, tienen libertad para moverse a través de todo el material (cobre, hierro,..) materiales cuyas cargas no se pueden mover libremente (vidrio, madera…) Carga por inducción Un objeto donde aparecen por separado cargas iguales y de signos contrarios se dice polarizado ¿Qué sucede con la distribución de cargas en las esferas una vez que la barra se aleja? Inducción a través de tierra: usando la Tierra como un conductor “infinitamente” grande.

5 Balanza de torsión de Coulomb
Ley de Coulomb La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra actúa a lo largo de la línea que las une. Esta fuerza varía inversamente con el cuadrado de la distancia que las separa y es proporcional al producto de las cargas. La fuerza es repulsiva si las cargas son del mismo signo y atractiva en caso contrario. k  Constante de Coulomb: 9x109 N. m2/C2 Vector unitario que apunta desde q1 hacia q2 Fuerza ejercida por q1 sobre q2 En un átomo de hidrógeno, la distancia media de separación entre electrón y protón es 5.3x10-11m. Determinar la magnitud de la fuerza electrostática de atracción, y compararla con la fuerza gravitatoria entre ambas partículas. Fuerza ejercida por un sistema de cargas: Principio de superposición de fuerzas Tres cargas están dispuestas como se muestra en la figura. Calcular la fuerza ejercida sobre la partícula situada en la parte superior del triángulo Q= 10 μC; q= 500 nC; d = 10 cm Balanza de torsión de Coulomb

6 Campo eléctrico Fuerza ejercida sobre la carga q
q es una pequeña carga positiva de prueba Unidades SI [N/C] o también [V/m] Campo eléctrico para un sistema de cargas El conepto de campo eléctrico se introduce para evitar el problema conceptual de acción instantánea a distancia. Supongamos que una partícula cargada es movida súbitamente de su posición. ¿Cambiará instantáneamente la fuerza ejercida por esa partícula sobre otra partícula lejana? Obtener una expresión general para el campo eléctrico en un punto P debido a una carga puntual Q. El punto P está situado a una distancia r de la carga.. Estimar el valor del campo eléctrico para Q=10 nC y r= 15m.

7 Dipolo eléctrico Es un sistema formado por dos cargas de igual magnitud separadas una pequeña distancia. Su fuerza y orientación viene descrita por el momento dipolar eléctrico. Ejercicio: Calcular el campo eléctrico en el punto P del eje del dipolo. Considérese que x»a.

8 Líneas del campo eléctrico (líneas de fuerza)
El vector campo E en cualquier punto es tangente a la línea de campo. Las líneas de campo se llaman también líneas de fuerza porque su tangente muestra la dirección de la fuerza ejercida sobre una pequeña carga positiva de prueba. La densidad de líneas en cualquier punto (número de líneas por unidad de área perpendicular a las líneas) es proporcional a la magnitud del campo en dicho punto.

9 Reglas para trazar las líneas de campo eléctrico
1. Las líneas de campo eléctrico empiezan en las cargas positivas (o en el infinito) y terminan en las cargas negativas (o en el infinito). Las cargas positivas se denominan por esta razón fuentes de campo, y las cargas negativas son sumideros de campo. 2. Las líneas deben dibujarse espaciadas uniformemente entrando a o saliendo de cada carga puntual. 3. El número de líneas entrantes o salientes de una carga negativa o positiva debe ser proporcional a la magnitud de la carga. 4. La densidad de líneas (número de líneas por unidad de área perpendicular a las líneas) en cualquier punto debe ser proporcional al valor del campo en ese punto. 5. A grandes distancias de un sistema de cargas dotado de carga neta las líneas de campo deben dibujarse radiales e igualmente espaciadas, como si proviniesen de un único punto donde estuviese concentrada la carga neta del sistema. 6. Dos líneas de campo no pueden cruzarse, puesto que si lo hicieran esto indicaría que en el punto de intersección el campo eléctrico tiene dos direcciones diferentes (recordemos que la dirección del campo en cada punto es tangente a la línea de campo que pasa por allí). En la figura se muestran las líneas de campo eléctrico para dos esferas conductoras. ¿Cuál es el signo y la magnitud relativa de las cargas en ambas esferas? Dibuja un campo eléctrico vertical de N/C Igual que el anterior pero si el campo eléctrico es dos veces mayor.

10 Calculo del campo eléctrico para distribuciones continuas de carga
Las cargas eléctricas en el mundo macroscópico se describen habitualmente como distribuciones continuas de carga. Carga distribuida en un volumen Densidad volumétrica de carga Carga distribuida en una superficie Densidad superficial de carga Carga distribuida en una línea Densidad lineal de carga Aplicando la ley de Coulomb y el principio de superposición

11 Calculo del campo eléctrico para distribuciones continuas de carga
E en el eje de una distribución lineal de carga E en el eje de una distribución lineal de carga E debido a una densidad lineal de carga indefinida A la distancia R de una línea infinita

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13 Ley de Gauss La ley de Gauss es una de las ecuaciones de Maxwell, que describen todos los fenómenos electromagnéticos. Para cargas estáticas, la ley de Coulomb y la ley de Gauss son equivalentes, pero la ley de Gauss es más general. La ley de Gauss puede usarse para calcular el campo eléctrico de creado por distribuciones de carga de alta simetría. El número de líneas de campo a través de cualquier superficie cerrada que contiene carga es proporcional a la carga neta encerrada por dicha superficie. LEY DE GAUSS: El flujo neto del campo eléctrico estático a través de cualquier superficie cerrada es igual a 4k veces el valor de la carga neta encerrada por dicha superficie. Flujo neto Carga neta

14 LEY DE GAUSS: El flujo neto del campo eléctrico estático a través de cualquier superficie cerrada es igual a 4k veces el valor de la carga neta encerrada por dicha superficie. Flujo neto Carga neta El número de líneas de campo a través de la superficie representa el flujo del campo eléctrico. Unidades: N.m2/C Flujo eléctrico  Si consideramos un área A perpendicular a E, Si la superficie no es perpendicular a E, el producto escalar nos permite obtener el valor perpendicular al campo eléctrico.

15 Caluclando E a partir de la Ley de Gauss. El poder de la simetría
Campo eléctrico de una carga puntual El campo eléctrico presenta simetría esférica alrededor de la carga. Consideremos una superficie esférica alrededor de la carga y centrada en ella. El módulo del campo eléctrico debe ser el mismo en todos los puntos de la superficie esférica. El flujo es independiente de la esfera seleccionada Escribimos la ley de Gauss y la ley de Coulomb en función de la permitividad 0 del vacío.

16 Calculando E a partir de la ley de Gauss. El poder de la simetría
Campo eléctrico para una corteza delgada de carga El campo eléctrico tiene simetría esférica alrededor de la distribución uniforme de carga. Consideremos una superficie esférica alrededor de la carga y centrada en ella. El módulo del campo eléctrico debe ser el mismo en todos los puntos de la superficie esférica. El flujo es independiente de la esfera seleccionada Para cualquier esfera gaussiana dentro de la corteza cargada: En la atmósfera terrestre el campo eléctrico es 150 N/C (dirigido hacia abajo) a 250 m de altura, y 170 N/C (dirigido hacia abajo) a 400 m de altura. Calcular la densidad volumétrica de carga en la atmósfera suponiendo que sea uniforme a estas altitudes.

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