CARGA ELECTRICA Y SU CAMPO ELECTRICO. CARGA ELECTRICA La materia se compone por átomos y la carga eléctrica es una propiedad fundamental de algunas partículas.

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1 CARGA ELECTRICA Y SU CAMPO ELECTRICO

2 CARGA ELECTRICA La materia se compone por átomos y la carga eléctrica es una propiedad fundamental de algunas partículas que componen el átomo. Los átomos tienen un núcleo de protones (que tienen carga positiva) y de neutrones (que tienen carga neutra). En la periferia del átomo se encuentran los electrones (carga negativa) describiendo órbitas alrededor del núcleo. En equilibrio electrostático, un átomo tiene igual cantidad de protones que de electrones, por lo tanto su carga total es neutra. Los electrones de las órbitas más alejadas (electrones libres) pueden abandonar el átomo y agregarse a otro cercano. El átomo que tiene un electrón menos queda cargado positivamente, mientras el átomo que ganó un electrón tiene carga negativa. Los átomos o la materia con carga del mismo signo se rechaza mientras que cuando su signo es opuesto aparece una fuerza de atracción. De la misma manera podemos decir que un material está cargado eléctricamente si sus átomos cedieron o aceptaron electrones.

3 CARGA ELECTRICA DE UN ATOMO ■Los átomos están constituidos por un núcleo y una corteza(órbitas) En el núcleo se encuentran muy firmemente unidos los protones y los neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. Alrededor del núcleo se encuentran las órbitas donde se encuentran girando sobre ellas los electrones. Los electrones tienen carga negativa. Ambas cargas la de los protones(positiva) y la de los electrones(negativa) son iguales, aunque de signo contrario. La carga eléctrica elemental es la del electrón. El electrón es la partícula elemental que lleva la menor carga eléctrica negativa que se puede aislar. Como la carga de un electrón resulta extremadamente pequeña se toma en el S.I.(Sistema Internacional) para la unidad de Carga eléctrica el Culombio que equivale a 6,24 10E18 electrones.

4 Conductores, aisladores y semiconductores ■Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica. Así, una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un mango de vidrio o de plástico y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las iría descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla metálica del cuerpo humano.manopielvidrioplásticometal ■Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores.metales ■En contrapartida de los conductores eléctricos, existen materiales en los que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene locamente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio y los plásticos son ejemplos típicos.

5 ■La distinción entre conductores y aislantes no es absoluta: la resistividad de los aislantes no es infinita (pero sí muy grande), y las cargas eléctricas libres, prácticamente ausentes de los buenos aislantes, pueden crearse fácilmente suministrando la cantidad adecuada de energía para separar a un electrón del átomo al que esté ligado (por ejemplo, mediante irradiación o calentamiento). Así, a una temperatura de 3000 K, todos los materiales que no se descomponen por la temperatura, son conductores. ■Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras se modifican mediante la adición de una minúscula cantidad de sustancias dopantes. Con esto se consigue que pueda variarse la conductividad del material semiconductor como respuesta a la aplicación de un potencial eléctrico variable en su electrodo de control. ■Ciertos metales adquieren una conductividad infinita a temperaturas muy bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica de circuito cerrado en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido

6 CARGA INDUCIDA ■La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo).

7 Ley de Coulomb. ■Como ya se ha dicho cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. ■Coulomb en 1777 enunció la ley de la Electrostática(electricidad estática) que lleva su nombre(Ley de Coulomb): La intensidad de la fuerza (F) con la cual dos cargas eléctricas puntuales se atraen o se repelen, es directamente proporcional al producto de sus cargas(Q1 y Q2) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia(r) que las separan. Donde: F: Fuerza expresada en Newtons[N] Q1 y Q2: Cargas expresadas en Culombios[C] R: Distancia de separación entre las cargas expresada en metros[m] K: Constante: 9·10E9 Nm2/C2 para el aire o vacío.

8 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

9 CAMPO ELECTRICO ■Toda región del espacio que rodea una carga eléctrica estática, tal que al acercar otra carga eléctrica positiva de prueba, se manifiesta una fuerza de atracción o de repulsión. El campo eléctrico se manifiesta alrededor del espacio volumétrico de una carga electrostática como un campo de fuerzas conservativas, el cual se puede detectar mediante la ubicación de una carga positiva de prueba en esta región. El campo eléctrico es una cantidad vectorial y por lo tanto tiene magnitud, dirección y sentido. ■El concepto de campo eléctrico surgió de la necesidad de explicar la acción de fuerzas a distancia. El campo eléctrico existe en una región del espacio cuando, al colocar una carga eléctrica en esta región, tal carga es sometida a una fuerza eléctrica.carga eléctrica ■El campo eléctrico puede ser comprendido como una entidad física que transmite a todo el espacio la información de la existencia de un cuerpo electrificado y al colocar otra carga en esta región, será constatada la existencia de una fuerza de origen eléctrico actuando sobre esta carga.

10 Líneas de Fuerza del Campo Electrico ■Dado que el campo eléctrico es una magnitud vectorial que en cada punto del espacio tiene un módulo, dirección y sentido determinados en función de la distribución de cargas que lo crean - las fuentes del campo eléctrico - resulta de gran utilidad el efectuar una representación gráfica del campo dibujando en cada punto del espacio un vector cuya longitud sea proporcional al módulo del campo eléctrico en ese punto. Como el espacio está constituido por infinitos puntos, esta representación sería irrealizable. Por lo tanto, a fin de obtener esta representación gráfica se traza un conjunto de líneas que sean tangentes en cada punto al vector campo, y que por lo tanto representan la dirección de la fuerza que experimentaría una carga positiva si se situara en ese punto. A este conjunto de líneas se les denomina líneas de fuerza.

11 ■Para dibujar las líneas de fuerza se siguen por convenio las siguientes reglas: ■ Teniendo en cuenta que cerca de una carga positiva, otra carga positiva se ve repelida, entonces se deduce que las líneas de fuerza del campo eléctrico "salen" de las cargas positivas, mientras que "mueren" en las negativas. ■ Con un razonamiento análogo se obtiene que las líneas de fuerza llegan a las cargas negativas. ■ A fin de mantener un criterio homogéneo deben dibujarse un número de líneas de fuerza proporcional al valor de la carga. ■ Las líneas de fuerza se deben dibujar simétricamente alrededor de las cargas. ■ Las líneas de fuerza no pueden cortarse ya que, en caso contrario, en el punto de intersección la fuerza que experimentaría una carga situada allí tendría dos direcciones posibles, lo cual no es posible. ■Al dibujar las líneas simétricas y equiespaciadas, en las regiones donde más juntas estén las líneas el campo eléctrico será mas intenso, y por el contrario, en las zonas donde estén más separadas será menos intenso.

12 Campos eléctricas y conductores

13 Movimiento de una partícula en un Campo Electrico ■Una partícula cargada que está en una región donde hay un campo eléctrico, experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico →fe=q→Efe→=qE→. ■Si la carga es positiva, experimenta una fuerza en el sentido del campo ■Si la carga es negativa, experimenta una fuerza en sentido contrario al campo

14 Calcular la fuerza con la que se repelen dos esferas con cargas de 3 X 10 -5 Coulomb y 5 X 10 -5, a una distancia de 40 centímetros, en el vacío. F = ? q 1 = 1 X 10 -5 q 2 = 1 X 10 -5 d =.4 metros k = 9 X 10 9 m 2 /d 2 q 1 X q 2 = (3 X 10 -3 ) (5 X 10 -5 ) = 1 X 10 -10 d 2 = 0.16 m q 1 X q 2 / d 2 = 1 X 10 -8 /0.16 = 6.25 X 10 -10 k x (q 1 X q 2 / d 2 ) = (9 X 10 9 ) (6.25/10- 10 ) = 5.625 N.

15 Calcular con los mismos datos del ejemplo anterior, la Fuerza con que se repelen las cargas hora con cargas iguales de 2.5 X 10 -6 Coulomb. F = ? q 1 = 2.5 X 10 -6 q 2 = 2.5 X 10 -6 d =.4 metros k = 9 X 10 9 m 2 /d 2 q 1 X q 2 = (2.5 X 10 -6 ) (2.5 X 10 -6 ) = 6.25 X 10 -12 d 2 = 0.16 m q 1 X q 2 / d 2 = 15 X 10 -8 /0.16 = 39.0625 X 10 -12 k x (q 1 X q 2 / d 2 ) = (9 X 10 9 ) (39.0625 X 10 -12 ) = 0.315 N. (31.5 X 10 -2 N)

16 Calcular con los mismos datos del ejemplo 2, la fuerza de repulsión, al doble de la distancia, es decir, a 80 centímetros. F = ? q 1 = 2.5 X 10 -6 q 2 = 2.5 X 10 -6 d =.8 metros k = 9 X 10 9 m 2 /d 2 q 1 X q 2 = (2.5 X 10 -6 ) (2.5 X 10 -6 ) = 6.25 X 10 -12 d 2 = 0.64 m q 1 X q 2 / d 2 = 15 X 10 -8 /0.16 = 9.765625 X 10 -12 k x (q 1 X q 2 / d 2 ) = (9 X 10 9 ) (9.765625 X 10 -12 ) = 0.0878 N. (8.78 X10 -2 N)