Carga y campo eléctrico Carga eléctrica Ley de Coulomb Campo eléctrico Dipolos eléctricos Ley de Gauss FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga eléctrica ELECTROSTÁTICA: Estudio de las cargas en reposo Serie triboeléctrica Benjamín Franklin El rozamiento produce transferencia de electrones desde los materiales de la zona superior a los de la zona inferior. Extremo + de la serie Amianto Vidrio Nailon Lana Plomo Seda Aluminio Papel Algodón Acero Caucho (goma) duro Níquel y cobre Latón y plata Goma sintética Fibra acrílica Plástico flexible Polietileno Teflón Goma de silicona Extremo - de la serie Plástico Vidrio Vidrio frotado con seda + vidrio frotado con seda Plástico frotado con piel + plástico frotado con piel Vidrio frotado con seda + Plástico frotado con piel Se atraen Se repelen Benjamín Franklin (1706-1790) FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Carga eléctrica Cuantización de la carga ÁTOMOS Neutros Núcleo: A  Número de nucleones Z  Número de protones  Número de electrones N  Número de neutrones Carga del electrón: - e Carga del protón: + e Unidad fundamental de carga Masa del electrón: m Masa del protón: 1800 m Como N es muy grande la carga parece una magnitud continua (en el plástico frotado con piel se transfieren del orden de 1010 electrones) FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga eléctrica Conservación de la carga Ley fundamental de la naturaleza: La carga eléctrica se conserva Frotando objetos Una carga de 50 nC puede producirse en el laboratorio simplemente frotando entre sí dos objetos. ¿Cuántos electrones se transfieren para producir esta carga? FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Carga eléctrica Conductores: materiales con electrones que pueden moverse libremente en una red de iones positivos (cobre, metales) Aislantes: materiales con todos los electrones ligados a los átomos próximos (madera, vidrio) Semiconductores: materiales intermedios entre conductores y aislantes (silicio, germanio) Superconductores: resistencia nula al movimiento de cargas (metales a temperaturas muy bajas) ELECTROSCOPIO: dos hojas de oro conectadas a una barra metálica. Tocamos la esfera con una barra de vidrio cargada positivamente y las hojas se separan Carga por inducción Se polariza el par de esferas en contacto, al acercar una barra cargada. Los electrones fluyen hacia la barra cargada positivamente. Si se separan las esferas retienen sus cargas iguales y opuestas. Si la barra ser retira las esferas quedan uniformemente cargadas. FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Carga eléctrica Inducción por conexión a tierra Se polariza la esfera al acercar una barra cargada positivamente. Si se conecta la esfera a un conductor muy grande, como la tierra, los electrones del suelo neutralizan la carga positiva. La carga negativa permanece si el cable se desconecta antes de separar la barra. Al quitar la barra, la esfera queda cargada negativamente y uniformemente. FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Carga eléctrica Dos esferas conductoras idénticas, una de carga inicial +Q y otra inicialmente descargada, se ponen en contacto. a) ¿Cuál es la nueva carga de cada esfera? b) Mientras las esferas están en contacto, una barra cargada negativamente se aproxima a una de ellas de tal modo que esta última pasa a tener una carga +2Q. ¿Cuál es la carga sobre la otra esfera? Dos esferas idénticas se cargan por inducción y después se separan; la esfera 1 tiene la carga +Q y la esfera 2 la carga –Q. Una tercera esfera idéntica está inicialmente descargada. Si la esfera 3 toca a la esfera 1 y luego se separa y después toca la esfera 2 y se separa de nuevo, ¿cuál es la carga final sobre cada una de las tres esferas? FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Coulomb Procedimiento experimental Charles COULOMB (1736 - 1806) Cargó una esfera fija con una carga q1 y otra esfera, situada en el extremo de una varilla colgada, con una carga q2. La fuerza ejercida por q1 sobre q2 tuerce la varilla y la fibra de la que cuelga. Girando el cabezal de suspensión en sentido contrario se mantienen las esferas a la distancia original. La fuerza se mide por el ángulo que hay que girar el cabezal. Balanza de torsión de Coulomb FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Coulomb La fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si son de signo contrario. La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une. Fuerza que q1 ejerce sobre q 2 La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Permitividad del vacío FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Coulomb Fuerza eléctrica en un átomo de hidrógeno En el átomo de hidrógeno (sistema ligado protón-electrón) el electrón está separado del protón por una distancia media de 0,53 Ǻ. ¿Cuál es el módulo de la fuerza electrostática ejercida por el protón sobre el electrón? Compárese con la fuerza de atracción gravitatoria entre ambos. Principio de superposición Encontrar la fuerza neta sobre q0=+20 nC debido a las cargas q1=+25 nC y q2 =-10 nC en el intervalo 2m<x<∞. FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Coulomb Fuerza neta en dos dimensiones Determinar la fuerza que actúa sobre la carga q0 de la figura FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Campo eléctrico en un punto: Campo eléctrico creado por la carga qi en un punto P: Carga de prueba Algunos campos eléctricos de la naturaleza (N/C) En los cables domésticos 10-2 En las ondas de radio 10-1 En la atmósfera 102 En la luz solar 103 Bajo una nube tormentosa 104 En la descarga de un relámpago 104 En un tubo de rayos X 106 En el electrón de un átomo de hidrógeno 6x1011 En la superficie de un núcleo de Uranio 6x1021 Campo creado por una distribución de cargas puntuales: FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Campo eléctrico debido a dos cargas positivas Una carga positiva q1=+8 nC se encuentra en el origen y una segunda carga positiva q2=+12 nC está sobre el eje X a la distancia a=4m. a) Determinar el campo eléctrico resultante en los puntos P1 y P 2.; b) Determinar el campo eléctrico sobre el eje Y en y=3m FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Líneas de fuerza asociadas a una carga puntual positiva. Las líneas del campo representan su dirección, tangente a las mismas. El número de líneas es proporcional a la carga La densidad de líneas en un punto es proporcional al valor del campo en dicho punto No pueden cortarse nunca dos líneas de campo Hebras de hilo suspendidas en aceite orientadas por el campo eléctrico creado por una fuente puntual. FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Líneas de fuerza asociadas a dos cargas puntuales positivas. Hebras de hilo suspendidas en aceite orientadas por el campo eléctrico creado por dos fuentes puntuales iguales. Las líneas comienzan en las cargas positivas (o en el infinito) y terminan en las negativas (o en el infinito) FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Líneas de fuerza asociadas a un dipolo. Las líneas comienzan en las cargas positivas y terminan en las negativas Las líneas se dibujan uniformemente espaciadas Hebras de hilo suspendidas en aceite orientadas por el campo eléctrico creado por dos fuentes puntuales de distinto signo. FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Dipolo eléctrico El momento dipolar eléctrico apunta de la carga negativa a la positiva. Sistema de dos cargas iguales y opuestas separadas por una pequeña distancia Momento dipolar eléctrico: Campo eléctrico de un dipolo eléctrico a lo largo de su eje, a grandes distancias FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico Movimiento de cargas en campos eléctricos FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico ¿Cómo se comporta un dipolo eléctrico en un campo eléctrico uniforme? El campo eléctrico no ejerce fuerza neta, pero sí un par que tiende a alinear el dipolo en la dirección del campo Moléculas polares Debye (1 D =3,336  10-30 C m) Momento dipolar de la molécula de agua FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Campo eléctrico ¿Cómo se comporta una molécula no polar en un campo eléctrico? Polarización Molécula no polar en un campo eléctrico no uniforme FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Gauss Flujo eléctrico Líneas del campo que atraviesan una superficie Unidades: Campo uniforme en ángulo q con la superficie Campo uniforme perpendicular a la superficie Campo uniforme paralelo a la superficie El flujo que atraviesa A2 es el mismo que el que atraviesa A1 FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Gauss Ley de Gauss Flujo a través de la superficie esférica de radio R creado por una carga puntual Q: El flujo es proporcional a la carga encerrada e independiente del radio. Además, es independiente de la forma de la superficie que rodee a Q. El flujo neto a través de cualquier superficie cerrada es igual a 4pk veces la carga neta dentro de la superficie. (Ley de Gauss) FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Gauss Campo eléctrico creado por un plano infinito de cargas Calcular el campo eléctrico en cualquier región del espacio creado por un plano infinito cargado con una densidad superficial de carga uniforme FÍsica Carga y campos eléctricos

Carga y campos eléctricos Ley de Gauss Campo eléctrico creado por una corteza esférica de carga FÍsica Carga y campos eléctricos