FISICA Cuantica

UNIDAD I

Electrostática

INTRODUCCIÒN

La ciencia de la electricidad nació con la observación de Tales de Mileto observó que cuando un pedazo de ámbar se frotaba con seda atraía trocitos de paja. Lo mismo sucedía con el magnetismo, se observo que podría resultar en la naturaleza (magnetita) atraía al hierro.

Estas ciencias se desarrollaron independientemente hasta 1820 cuando el físico danés Hans Christian Oersted observo que la corriente eléctrica de un conductor puede afectar la aguja imantada de una brújula.

Estas dos ciencias a partir de ese momento se fusionaron constituyendo lo que hoy es la ciencia del Electromagnetismo, la cual fue impulsada por muchos investigadores entre los que destacan: Faraday, Maxwell, Ampere, Hertz, Franklin, Heaviside, Lorentz, Volta, Edison,etc.

Carga Eléctrica

En la naturaleza existe dos tipos de carga eléctrica una positiva y otra negativa; las cuales se caracterizan porque cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen.

La materia en su estado normal o neutro contiene cantidades iguales de carga positiva y negativa. Y se presenta le efecto de atracción o repulsión efectiva cuando existe un exceso de algún tipo de carga en el cuerpo.

Conductores y Aislantes

El desplazamiento de partículas cargadas originan una corriente eléctrica, los portadores de esta carga pueden ser distintos; en una son átomos o moléculas cargados (iones) como es en el caso de la conducción electrolítica.

En otra carga la corriente es debida al movimiento de los electrones.

En la naturaleza, de acuerdo a la capacidad de transporte de carga eléctrica los materiales se clasifican en:

• Conductores: (cuerpos que conducen la electricidad )

• Aislantes: (cuerpos que no conducen la electricidad (Dioelectrica))

Por otro lado; los conductores se pueden clasificar en conducción de la 1º clase; que son conductores electronicos y se caracterizan por que durante el proceso de conducción no hay variación en la naturaleza química del campo; ni hay translación sensible de sustancias (Ejemplo. Materiales Metálicos)

La conducción de la 2º Clase; Electrolítica se caracteriza por que si pueden cambiar en la naturaleza química y translación significativa de sustancias cuando ocurre el proceso de conducción eléctrica. (Ejemplo. Solución Acida)

Mientras que los materiales aislantes o dieléctricos son aquellos que se oponen que circule carga eléctrica a través de ellos Ejemplo. Vidrio, Mica, porcelana, aire seco, etc.

Actualmente existen además materiales semiconductores (Silicio, Germanio) que proveen una pequeña conductividad eléctrica además de otras propiedades que permiten agrupárseles aparte.

La diferencia básica entre un conductor y un aislante es que en el conductor hay un electrón libre, mientras que en un aislador todos sus electrones están fundamentalmente unidos a sus átomos. Así en los conductores se tiene electrones libres que pueden moverse a través de la estructura cristalina; y que de acuerdo a la teoría molecular de la materia, los electrones libres tienen un movimiento térmico desordenado al azar. Pero si aparecen con campo eléctrico exterior este campo arrastra a los electrones con una fuerza (F=QE) y su desplazamiento crea la corriente eléctrica en el metal.

LEY DE COULOMB

Charles Agustín de Coulomb en 1785 midió por primera vez en forma cuantitativa la atracción y repulsión que existen entre la carga eléctrica y establecimiento entre la ley de la siguiente manera: “La fuerza F existente entre dos cargas puntuales q1 y q2 es directamente proporcional al producto de sus valores absolutos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que al separa”

Constante de Permitividad Eléctrica= 8.85418 × 10-12 coul2/ N-m2

→ 9.0 × 109 N-m2/ coul2

La unida de carga en el sistema MKS es el Coulomb (Coul). Un Coulomb se define como la cantidad como la cantidad de carga que por una sección transversal desde un alambre en 1 seg. si circulan por el alambre en una corriente constante de 1 ampere.

→

1 coul = (1 ampere)(1 seg.)

La unidad natural de carga eléctrica es la almacenada por un electrón (-e) o por un protón (+e) cuyo valor experimental es

Ejemplo:

Dos cargas de 5 microcoulomb están separados 0.5 m. en el aire ¿cuál es la fuerza de repulsión entre ellas?

Datos:

r=0.5 m

→

Ejemplo:

Cuatro cargas puntuadas de +2μC, +3μC, +2μC, y +2μC están colocadas en los vértices de un cuadrado que tiene de lado a=10cm ¿Cuál es la fuerza eléctrica que obra sobre la carga de +3μC ?

Si hay una de las cargas ----- (1) es aplicada a cada --- de carga que se pueda construir.

Si en la carga q1,q2,q3...etc. podemos calcular la fuerza ejercida sobre cual----de ellas -----q1 por todas las otras a partir de la Ecuación Vectorial

En donde , por ejemplo; es la fuerza ejercida por q2 sobre q1.

Cuantización de la carga eléctrica

La teoría atómica de la materia ha demostrado que los fluidos como el agua y el aire no son continuos si no que están constituidos de átomos, lo mismo sucede con el eléctrico el cual no es continuo sino que esta hecho de múltiples enteros de una cierta carga eléctrica mínima.

Esta carga fundamental, a la cual se le dará el símbolo tiene un valor de 1.6 × 10-19 Coul. Cualquier carga q que exista físicamente, se puede escribir como .

Como las cargas vienen en “paquetes” separados y no continuas, por eso se dice que al carga esta cuantizada.

El quantum de carga es tan pequeño (1.6 × 10-19 Coul) que la “granulación” de la electricidad no se pone de manifiesto en experimentos a gran escala (aire que respira, flujo de lagrimas)

PROPIEDADES DE LAS PARTICULAS

Partícula Símbolo Carga Masa

Protón P +e 1.67252 × 10-27 Kg.

Neutrón N 0 1.67482 × 10-27 Kg.

Electrón e- -e 9.1091 × 10-31 Kg.

CARGA Y MATERIA

La materia tal como se nos presenta puede considerarse como compuesta de 3 partículas elementales; el potrón, neutrón y electrón.

La masa del neutrón y del protón so aproximadamente iguales pero la masa del electrón es aproximadamente 1840 veces más ligera que la del neutrón.

Los átomos están constituidos por un núcleo denso, con carga (+) y rodeado por una nube de electrones. El núcleo varía de (1 × 10-15 m para el H2 hasta aproximadamente 7× 10-15 m para los átomos mas pesados.

Por otro lado la Ley de Coulomb describe en forma concreta de la fuerza eléctrica que ligan a los electrones en un átomo, así como la fuerza que unen los átomos entre sí para formar moléculas ; la fuerza que une entre sí a los átomos o moléculas para formar sólidos o líquidos la mayoría de las fuerzas que actúan a nuestro alrededor no son gravitacionales si no eléctricos.

CONSERVACION DE LA CARGA ELECTRICA

Cuando se frota una barra de vidrio con seda; aparece en la barra una carga (+). La medida cuantitativa muestra que aparece en la seda una carga negativa de igual magnitud. Esto hace pensar que el frotamiento no crea la carga, sino simplemente la transporta de un objeto a otro alterando ligeramente la neutralidad eléctrica de ambos.

Esta invariabilidad se ha comprobado en fenómenos a gran escala, así como en los dominios atómicos y moleculares; la cual se ha establecido como la LEY DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA.

CAMPO ELECTRICO

Se ha observado que cargas semejantes se repelen entre si y cargas diferentes se atraen, aun cuando los objetos no se tocan; eso nos lleva a pensar que existe una cierta región de influencia que rodea a los cuerpos cargados ; a esta región de influencia se denomina campo eléctrico.

Para cuerpos cargados pequeños esféricos la intensidad del campo eléctrico varia en forma inversa al cuadrado de la distancia del cuerpo.

El campo eléctrico se puede detectar colocando en la región de influencia de este una carga prueba q0(+) sobre la cual el campo la ejerce una fuerza (F). Además el campo eléctrico tiene dirección y sentido que coincide con la fuerza que actúa sobre la carga positiva .

En síntesis el campo eléctrico tiene las siguientes propiedades:

1) Todo cuerpo cargado posee un campo eléctrico.

2) El campo eléctrico es mas intenso cerca del cuerpo que lo produce; en los casos más sencillos la intensidad del campo eléctrico sigue la ley los inversos del cuadrado.

3) El campo eléctrico ejerce una fuerza sobre un cuerpo cargado.

4) La dirección y sentido del campo eléctrico tiene la misma dirección y sentido que la fuerza que actúa sobre una carga positiva

5) Un campo eléctrico no tiene mas ni sustancia; pueden existir en el vacío.

La magnitud de la Fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre

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