ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

Presentación del tema: "ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO"— Transcripción de la presentación:

1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

2 Las pilas nos permiten almacenar energía de forma química
IDEAS FUNDAMENTALES Cuando las cargas se mueven se origina una corriente eléctrica Uno de los primeros usos de la electricidad fue la producción de luz y calor; esta tecnología continua teniendo un enorme impacto en las vidas de las personas de todo el mundo Las pilas nos permiten almacenar energía de forma química El efecto al que los científicos denominan magnetismo surgen cuando las cargas se desplazan cerca de otras cargas en movimiento

3 CARGA ELÉCTRICA Carga fundamental es de 𝟏,𝟔𝟎𝒙𝟏 𝟎 −𝟏𝟗 𝑪 Si a una molécula neutra átomo de le quita o añade electrones se convierte en un ion a esto de le llama ionización 𝟏𝑪=𝟔,𝟐𝟓 𝒙𝟏𝟎 𝟏𝟖 𝑒 Es una propiedad fundamental de algunas partículas subatómicas y la responsable de la interacción entre ellas Positivas y negativas La carga de mide en colombios (C)

4 ACTIVIDAD: 1 Sobre la alfombra: conservación de la carga cuantizada
Usted arrastra los pies sobre un piso alfombrado en un día seco y la alfombra adquiere una carga positiva neta ¿Usted tendrá 1) una deficiencia o 2) un exceso de electrones? Si la carga adquirida tiene una magnitud de 2.15 nC, ¿cuántos electrones se transfirieron? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

5 Carga Electroestática
Carga por fricción Carga por inducción Separación de carga por polarización Carga por conducción o contacto

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7 FUERZA ELECTRICA Los experimentos confirman que la relación entre la fuerza y la distancia entre cargas sigue la ley del inverso cuadrado de la distancia A partir de experimentos más complejos se puede demostrar que: 𝐹=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑥 𝑞 1 𝑞 2 𝑟 2 Si utilizamos el símbolo k para la constante (constante de Coulomb) obtenemos: 𝐹=𝑘 𝑞 1 𝑞 2 𝑟 2 Es conocido como la ley de Coulomb.

8 ACTIVIDAD: 2 Ley de Coulomb: suma vectorial en relación con la trigonometría
Dos cargas puntuales de nC y nC están separadas 0.30 m (▲figura 1 ). ¿Cuál es la fuerza eléctrica sobre cada partícula? En la (figura 2) se ilustra una configuración de tres cargas. ¿Cuál es la fuerza electrostática sobre 𝑞 3 ?

9 ACTIVIDAD: 3 Dentro del núcleo: fuerzas electrostáticas repulsivas
¿Cuál es la magnitud de la fuerza electrostática repulsiva entre dos protones en un núcleo? Considere la distancia de centro a centro de los protones nucleares igual a 3.0 𝑥 1 0 −15 m. Si los protones se liberan del reposo, ¿cuál es la magnitud de su aceleración inicial con respecto a la aceleración de la gravedad sobre la superficie de la Tierra, g?

10 ACTIVIDAD: 4 Dentro del átomo: fuerza eléctrica versus fuerza gravitacional
Determine la razón de la fuerza eléctrica y gravitacional entre un protón y un electrón. En otras palabras, ¿cuántas veces es mayor la fuerza eléctrica que la fuerza gravitacional?

11 PERMITIVIDAD Cuando se encuentre en cualquier medio se expresa la formula como 𝐹= 𝑞 1 . 𝑞 2 4𝜋 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 La constante de Coulomb se puede expresar como 𝑘= 1 4𝜋 𝜀 𝑜 cuando está en el vacío 𝜀 𝑟 = 𝜖 𝜀 𝑜

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13 ACTIVIDAD DE REFUERZO 1 1.- ¿Cuál es la fuerza eléctrica que actúa sobre una esfera cargada negativamente (con una carga de 0,82 𝜇𝐶) cuyo centro se encuentra separado 21 cm al vacío del centro de otra esfera cargada con +0,47𝜇𝐶? Resp: 0,079 N 2.- a) ¿Qué separación en aire deben tener dos cargas puntuales de 160 nC para que la fuerza entre ellas sea de 1.0 N? b) Si se interpusiera un libro de 1cm de grosor entre las cargas, ¿Aumentaría o disminuiría la fuerza entre ellas? Razona tu respuesta. c) Siguiere un valor aproximado para la nueva fuerza d) Argumenta porque no se puede dar un valor exacto en el apartado c

14 ACTIVIDAD DE REFUERZO 1 3.- El experimento representado en la figura ha sido ideado por un estudiante para intentar observar una fuerza eléctrica de poca magnitud y calcular su valor. A y B son dos esferas con igual carga. La posición de la esfera A es fija, pero la esfera B puede balancearse libremente en el extremo de un hilo fabricado con un material aislante. Dibuja un diagrama de cuerpo libre de la esfera B Calcula la fuerza horizontal de repulsión entre A y B que hace que B se aleje de A Calcula la carga de las esferas.

15 ACTIVIDAD DE REFUERZO 1 4.- Calcula la fuerza eléctrica resultante sobre la carga B de la figura. 5.- Cuatro cargas iguales de 0.4𝜇𝐶 están fijadas sobre las cuatro esquinas de un cuadrado de 25cm. Calcula la fuerza eléctrica resultante sobr4e cualquiera de las cargas. 6.- La carga de un protón es de 1.6 𝑥 1 0 −19 𝐶 y la carga de un electrón es −1.6 𝑥 1 0 −19 𝐶 Estima la fuerza eléctrica entre estas dos partículas en un átomo de hidrógeno, suponiendo que estén separados por 5.3 𝑥 1 0 −11 𝑚 −2

16 ACTIVIDAD DE REFUERZO 1 7.- Explica brevemente como utilizarías el mecanismo de la figura para determinar la relación entre la fuerza eléctrica y la distancia de separación entre dos partículas cargadas.

17 𝐸= 𝐹 𝑞 y sus unidades son 𝑁 𝐶 −1
CAMPO ELÉCTRICO La intensidad del campo eléctrico en un punto se define como La fuerza por unidad de carga que experimenta un pequeña carga de prueba en dicho punto 𝐸= 𝐹 𝑞 y sus unidades son 𝑁 𝐶 −1 Un campo eléctrico es un campo vectorial (tiene dirección y magnitud), lo que nos permite determinar la fuerza ejercida (incluida la dirección) sobre una carga en una posición particular en el espacio. Sin embargo, el campo eléctrico no es una fuerza. Un campo eléctrico es una región del espacio donde una carga experimenta carga eléctrica

18 LINEAS DE CAMPO ELÉCTRICO

19 USO DEL PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN PARA DETERMINAR LA DIRECCIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO
Para determinar la dirección del campo eléctrico en cualquier punto P, simplemente dibuje los vector de los campos eléctricos individuales y súmelos, tomando en cuenta sus magnitudes relativas, si es posible. En la situación específica mostrada aquí, es mucho más pequeño que por los factores de distancia y carga. ¿Puede explicar por qué si se dibuja con precisión, sería aproximadamente ocho veces más largo que El paso final sería completar la suma vectorial.

20 ACTIVIDAD 5: ejercicios de campo eléctrico
a) i) ¿Cuál es el módulo de la intensidad de campo eléctrico en un punto donde una carga de prueba de 47nC experimenta una fuerza de 6.7 x 10-5 N? ii) ¿Cuál será la fuerza ejercida sobre una carga de 0.28𝜇𝐶 situado en el mismo punto b) El valor que se suele atribuir al campo eléctrico cercano a la superficie terrestre es de unos 150 NC-1 Hacia el centro de la tierra. i) Calcula la fuerza que actúa sobre un electrón situado en un campo de esta intensidad. Campara tu respuesta con la fuerza hacia el centro de la tierra que ejerce el campo gravitatorio (es decir el peso del electrón) c) La intensidad del campo magnético en un determinado punto es de 2.6 x 106 NC-1 orientado hacia el norte. Si este campo se combina con otro cuya intensidad es de 4.3 x 106 NC-1 orientado hacia el sur. ¿Cuál es la intensidad del campo combinado? ii) Determina el modulo del campo eléctrico si sobre el mismo punto actúa un tercer campo de intensidad 3.5 x 106 NC-1 orientado hacia el este

21 ACTIVIDAD 5: Campos eléctricos en una dimensión: campo cero por superposición
Dos cargas puntuales se encuentran sobre el eje x, como se ilustra en la figura. Identifique todos los lugares en el eje donde el campo eléctrico es cero.

22 ACTIVIDAD 6: Campos eléctricos en dos dimensiones: uso de componentes vectoriales y superposición
La figura muestra una configuración de tres cargas puntuales. ¿En qué cuadrante está el campo eléctrico? 1) en el primer cuadrante, 2) en el segundo cuadrante o 3) en el tercer cuadrante. Explique su razonamiento, usando el principio de superposición. b) Calcule la magnitud y dirección del campo eléctrico en el origen que se debe a esta configuración de cargas.

23 ACTIVIDAD 7: Relámpagos y pararrayos ; campos eléctricos en las fuerzas policiacas yen la naturaleza: armas paralizantes y peces eléctricos Realice la lectura del libro de Física de Wilson Buffa. Sexta Edición. Editorial PEARSON: páginas 523, 524 y 525. Escriba un breve resumen sobre las lecturas c) Investigue otros fenómenos relacionados con la fuerza y campo eléctrico

24 POTENCIAL ELÉCTRICO, ENERGÍA Y CAPACITANCIA
La chica en la imagen experimenta algunos efectos eléctricos, conforme se carga a un potencial eléctrico de varios miles de volts. Los circuitos domésticos operan a sólo 120 volts y pueden darle a usted un choque molesto y potencialmente peligroso. Sin embargo, la señorita no parece tener ningún problema. ¿Qué es lo que pasa? El lector encontrará la explicación de esto y de muchos otros fenómenos eléctricos en éste y en los siguientes dos capítulos. Ahora estudiaremos el concepto básico de potencial eléctrico, y examinaremos sus propiedades y su utilidad. Aun cuando este capítulo se concentra en el estudio de conceptos fundamentales de electricidad, como voltaje y capacitancia, se incluye información sobre sus aplicaciones. Por ejemplo, la máquina de rayos X de su dentista trabaja con alto voltaje para acelerar electrones. Los desfibriladores del corazón utilizan condensadores para almacenar temporalmente la energía eléctrica requerida para estimular el corazón a tomar su ritmo correcto. En las cámaras fotográficas se utilizan condensadores para almacenar la energía que acciona la unidad de flash. Nuestro sistema nervioso, al ser una red de comunicación, es capaz de enviar miles de voltajes eléctricos por segundo, que van y vienen por los “cables” que llamamos nervios. Estas señales son generadas por actividad química. El cuerpo las utiliza para permitirnos hacer muchas actividades que damos por sentadas, como el movimiento muscular, los procesos mentales, la visión y la audición. En capítulos posteriores, analizaremos más usos de la electricidad, como los aparatos eléctricos, las computadoras, los instrumentos médicos, el sistemas de distribución de energía eléctrica y el cableado doméstico.

25 ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA Y DIFERENCIA DE POTENCIAL ELÉCTRICO
Es el trabajo en mover una carga dentro de un campo eléctrico 𝑈 𝑒 =𝑞𝐸𝑑 Diferencia de potencial eléctrico La diferencia de potencial eléctrico, ∆V, entre dos puntos cualesquiera en el espacio se define como el cambio en energía potencial por carga unitaria de prueba positiva:

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27 EJEMPLO DE APOYO: Métodos de energía para mover un protón: energía de potencial contra potencial
Imagine que un protón se mueve desde la placa negativa hasta la placa positiva del arreglo de placas paralelas (figura a). Las placas están 1.50 cm separadas, y el campo eléctrico es uniforme con una magnitud de 1500 N/C. a) ¿Cuál es el cambio en la energía potencial eléctrica del protón? b) ¿Cuál es la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre las placas? c) Si el protón se libera desde el reposo en la placa positiva (figura b), ¿qué rapidez tendrá justo antes de tocar la placa negativa? Razonamiento. a) El cambio en energía potencial puede calcularse a partir del trabajo requerido para mover la carga. b) La diferencia de potencial eléctrico entre las dos placas se determina dividiendo el trabajo efectuado entre la carga movida. c) Cuando se libera el protón, su energía potencial eléctrica se convierte en energía cinética. Conociendo la masa del protón, se puede calcular su rapidez.

28 EJEMPLO DE APOYO: Métodos de energía para mover un protón: energía de potencial contra potencial
b) Cuando se libera de la placa positiva, el protón acelera de regreso hacia la placa negativa, ganando energía cinética a costa de la energía potencial eléctrica. c) El trabajo efectuado para mover un protón entre dos puntos cualesquiera en un campo eléctrico, como Ay B o Ay B , es independiente de la trayectoria.

29 EJEMPLO DE APOYO: Métodos de energía para mover un protón: energía de potencial contra potencial

30 ACTIVIDAD 8: Creación de rayos X: aceleración de electrones
Los consultorios dentales modernos cuentan con aparatos de rayos X para diagnosticar problemas dentales ocultos (figura a). En general los electrones se aceleran a través de una diferencia de potencial eléctrico (voltajes) de V. Cuando los electrones golpean la placa positivamente cargada, su energía cinética se convierte en partículas de luz de alta energía llamadas fotones de rayos X (figura b). (Los fotones son partículas de luz.) Suponga que la energía cinética de un solo electrón está igualmente distribuida entre cinco fotones de rayos X. ¿Cuánta energía tendría un fotón?

31 Diferencia de potencial eléctrico debido a una carga puntual
. En la figura , la carga puntual es positiva. Como la localidad B está más cerca de la carga que A, la diferencia de potencial es positiva, es decir, VB −VA > 0 o VB> VA. De manera que B está a un mayor potencial que A. Esto fundamentalmente es porque los cambios en el potencial se determinan visualizando el movimiento de una carga de prueba positiva. Aquí se requiere un trabajo positivo para mover una carga de prueba de A a B.

32 ACTIVIDAD 9: Descripción del átomo de hidrógeno: diferencias de potencial cerca de un protón
En el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno, el electrón en órbita alrededor del protón puede existir sólo en ciertas órbitas circulares. La más pequeña tiene un radio de nm, y la siguiente mayor tiene un radio de nm. a) ¿Qué puede usted decir acerca del potencial eléctrico asociado con cada órbita? 1) La menor tiene un mayor potencial, 2) la mayor tiene un mayor potencial o 3) ambas tienen el mismo potencial. Explique su razonamiento. b) Verifique su respuesta en el inciso a calculando los valores del potencial eléctrico en localidades de las dos órbitas.

33 ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA DE VARIAS CONFIGURACIONES DE CARGA

34 EJEMPLO DE APOYO: La molécula de la vida: la energía potencial eléctrica de una molécula de agua
La molécula de agua es la base de la vida como la conocemos. Muchas de sus propiedades importantes (por ejemplo, que sea un líquido sobre la superficie de la Tierra) están relacionadas con el hecho de que es una molécula polar permanente. Una simple figura de la molécula de agua, incluidas las cargas, está dada en la figura. La distancia de cada átomo de hidrógeno al átomo de oxígeno es de 9.60 𝑥 1 0 −11 m, y el ángulo (𝜃) entre las dos direcciones de enlace hidrógeno-oxígeno es de 104°. ¿Cuál será la energía electrostática de la molécula de agua? Razonamiento. El modelo de la molécula de agua implica tres cargas. Se dan las cargas, pero la distancia entre los átomos de hidrógeno deben calcularse mediante trigonometría. La energía potencial electrostática total es la suma algebraica de las energías potenciales de los tres pares de cargas.

35 EJEMPLO DE APOYO: La molécula de la vida: la energía potencial eléctrica de una molécula de agua

36 EJEMPLO DE APOYO: La molécula de la vida: la energía potencial eléctrica de una molécula de agua

37 Unidad SI de capacitancia: coulomb por volt (C/V), o farad (F)
CAPACITORES Capacitancia significa carga almacenada por volt. Cuando un condensador tiene una capacitancia grande, guarda una gran cantidad de carga por volt, en comparación con uno de capacitancia pequeña. Unidad SI de capacitancia: coulomb por volt (C/V), o farad (F) Los capacitores o condensadores son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos eléctricos.

38 La capacitancia depende sólo de la geometría (tamaño, forma y separación) de las placas (y del material entre las placas), y no de la carga en las placas. Considere el condensador de placas paralelas que tiene un campo eléctrico dado por la ecuación

39 ACTIVIDAD 10: Condensadores de placa paralela: ¿qué tan grande es un farad?
a) ¿Cuál sería el área de placa de un condensador de placas paralelas lleno de aire a 1.0 F, si la separación de las placas fuese de 1.0 mm? ¿Sería realista planear la construcción de un condensador como ese? b) Ejercicio de refuerzo. En este ejemplo, ¿cuál debería ser la separación de las placas, si usted quisiera que el condensador tuviera una área de placa de 1 cm2? Compare su respuesta con un diámetro atómico típico de 1 0 −9 a 1 0 −10 m. ¿Es factible construir este condensador?

40 ENERGÍA ALMACENADA EN UN CONDENSADOR
La expresión para la energía almacenada en un condensador puede obtenerse por análisis gráfico, ya que Q y V varían durante la carga, por ejemplo cuando la carga se separa por medio de una batería. Una gráfica de voltaje contra carga para cargar un condensador es una línea recta con una pendiente de 1/C, ya que V = (1/C)Q (figura). La gráfica representa la carga de un condensador inicialmente descargado (Vo = 0) hasta un voltaje final (V). El trabajo efectuado es equivalente a transferir la carga total, usando un voltaje promedio V. Como el voltaje varía linealmente con la carga, el voltaje promedio es la mitad del voltaje final V:

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42 ACTIVIDAD 11: Condensadores al rescate: almacenamiento de energía en un desfibrilador cardiaco
a) Durante de un ataque cardiaco, el corazón late de manera errática llamada fibrilación. Una forma de lograr que el corazón vuelva a su ritmo normal es impartirle energía eléctrica suministrada por un instrumento llamado desfibrilador cardiaco (figura ). Para producir el efecto deseado se requieren aproximadamente 300 J de energía. Típicamente, un desfibrilador almacena esta energía en un condensador cargado por una fuente de potencia de 5000 V. a) ¿Qué capacitancia se requiere? b) ¿Cuál es la carga en las placas del condensador? b) Realice la lectura del libro de Física de Wilson Buffa. Sexta Edición. Editorial PEARSON: páginas 552.

43 CONDENSADORES EN PARALELO
Cuando los condensadores están conectados en paralelo, el voltaje individual V debe ser la misma en todas las placas: 𝑉= 𝑉 1 = 𝑉 2 = 𝑉 3 ………. la “caída de voltaje” es sólo otro nombre para el “cambio en energía potencial eléctrica por carga unitaria”. Así, cuando sumamos todas las caídas de voltaje en condensadores en serie: 𝑄 𝑇 =𝑄 1 + 𝑄 2 + 𝑄 3 +… La capacitancia equivalente es: 𝐶 𝑒 = 𝐶 1 + 𝐶 2 + 𝐶 3 +…….

44 CONDENSADORES EN SERIE
Cuando los condensadores están conectados en serie, la carga Q debe ser la misma en todas las placas: 𝑄 𝑇 =𝑄 1 = 𝑄 2 = 𝑄 3 =… la “caída de voltaje” es sólo otro nombre para el “cambio en energía potencial eléctrica por carga unitaria”. Así, cuando sumamos todas las caídas de voltaje en condensadores en serie: 𝑉= 𝑉 1 + 𝑉 2 + 𝑉 3 ………. La capacitancia equivalente es: 1 𝐶 𝑒 = 1 𝐶 𝐶 𝐶 3 +……..

45 ACTIVIDAD 12: Carga sin tarjeta de crédito: condensadores en serie y en paralelo
Dados dos condensadores, uno con una capacitancia de 2.50 𝜇 F y el otro de 5.00 𝜇F, ¿cuáles serán las cargas en cada uno y la carga total almacenada si están conectados a través de una batería de 12.0 volts a) en serie y b) en paralelo? En este ejemplo, determine qué combinación, en serie o en paralelo, almacena más energía. Realice un gráfico para cada caso

46 ACTIVIDAD 13: Un paso a la vez: combinación de condensadores en serie y en paralelo
Tres condensadores están conectados en un circuito como se muestra en la figura . ¿Cuál es el voltaje a través de cada condensador? En este ejemplo, encuentre a) la carga almacenada en cada condensador y b) la energía almacenada en cada uno.

47 EJERCICIOS DE REPASO 1.- Una carga de +2.0 𝜇C está inicialmente a 0.20 m de una carga fija de -5.0 𝜇 C y luego se mueve a una posición a 0.50 m de la carga fija. a) ¿Qué trabajo se requirió para mover la carga? b) ¿Depende el trabajo de la trayectoria sobre la cual se movió la carga? 2.- Se traslada un electrón del punto A al punto B y luego al punto C a lo largo de dos lados de un triángulo equilátero, cuyos lados tienen longitud de 0.25 m (figura). Si el campo eléctrico horizontal es de 15 V/m, ¿cuál es la magnitud del trabajo requerido? ¿Cuál es la diferencia de potencial entre los puntos Ay C? ¿Qué punto está a un potencial mayor?

48 EJERCICIOS DE REPASO 3.- Calcule la energía necesaria para juntar las cargas (desde una distancia muy grande) en la configuración mostrada en la figura. ¿Cuál es el valor del potencial eléctrico a) en el centro del triángulo y b) a medio punto entre q2 y q3 en la figura

49 4.- Una batería de 12.0 V se conecta a un condensador de placas paralelas con área de placa de 𝑚 2 y una separación de placas de 5.0 mm. a) ¿Cuál es la carga resultante sobre el condensador? b) ¿Cuánta energía se almacena en el condensador? 5.- Para el arreglo de tres condensadores en la figura, ¿qué valor de C1 dará una capacitancia equivalente total de 1.7 𝜇 F? 6.- a) Tres condensadores de igual capacitancia se conectan en paralelo a una batería, y juntos extraen una cierta cantidad de carga Q de la batería. ¿La carga en cada condensador será 1) Q, 2) 3Q o 3) Q/3? b) Tres condensadores de 0.25 𝜇 F cada uno están conectados en paralelo a una batería de 12 V. ¿Cuál será la carga en cada condensador? c) ¿Cuánta carga se extrae de la batería?

50 5.- Cuatro condensadores están conectados en un circuito como se ilustra en la figura . Encuentre la carga sobre cada uno de los condensadores, y la diferencia de voltaje a través de éstos.

51 6.- Calcule la energía necesaria para juntar las cargas (desde una distancia muy grande) en la configuración mostrada en la figura.