Tarea Carga Eléctrica y Campo eléctrico

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MATERIA

FISICA II

Tema tratado:

Carga Eléctrica y Campo eléctrico

circuitos por método analítico

Presentado a:

Daniel A. Varela Muñoz

CARGA Y CAMPO ELÉCTRICOS

Las interacciones electromagnéticas implican partículas que tienen una propiedad llamada carga eléctrica, un atributo que es tan fundamental como la masa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzas gravitacionales, los objetos cargados eléctricamente son acelerados por las fuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando frota sus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículas cargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas simplemente son flujos de partículas cargadas, que fluyen por cables en respuesta a las fuerzas eléctricas.

Incluso las fuerzas que mantienen unidos a los átomos para formar la materia sólida, y que evitan que los átomos de objetos sólidos se atraviesen entre sí, se deben fundamentalmente a interacciones eléctricas entre las partículas cargadas en el interior de los átomos. Cuando las cargas eléctricas están en reposo en nuestro marco de referencia, ejercen fuerzas electrostáticas entre ellas, las cuales tienen muchísima importancia en la química y la biología, además de tener diversas aplicaciones tecnológicas. En capítulos posteriores ampliaremos nuestro análisis para incluir cargas eléctricas en movimiento, lo que nos llevará a entender el magnetismo y, de manera sorprendente, la naturaleza de la luz.

 21.1 Carga eléctrica

los antiguos griegos descubrieron que cuando frotaban ámbar con lana, el ámbar atraía otros objetos. En la actualidad decimos que, con ese frotamiento, el ámbar adquiere una carga eléctrica neta o simplemente se carga. La palabra «eléctrico» se deriva del vocablo griego elektron, que significa ámbar.

Una aplicación de las fuerzas entre cuerpos cargados es una impresora láser. Mientras el tambor gira, un rayo láser ilumina algunas áreas seleccionadas de este y las deja con una carga negativa. Cuando una hoja de papel entra en contacto con el tambor, las partículas del tóner se adhieren a la hoja y forman la imagen.

Los protones y los neutrones en un átomo forman el núcleo, pequeño y muy denso, cuyas dimensiones son del orden de 10-15 m. Si un átomo midiera algunos kilómetros de diámetro, su núcleo tendría el tamaño de una pelota de tenis. Los electrones cargados negativamente se mantienen dentro del átomo debido a las fuerzas eléctricas de atracción ejercidas sobre ellos por el núcleo con carga positiva.

Observe que las masas del protón y del neutrón son casi iguales y aproximadamente

Más del 99.9% de la masa de cualquier átomo se concentra en el núcleo. En un átomo neutro, el número de electrones es igual al número de protones en el núcleo, y la carga eléctrica neta es exactamente igual a cero. El número de protones o electrones en un átomo neutro de un elemento se denomina número atómico de ese elemento. Si se pierden uno o más electrones de un átomo, la estructura con carga positiva que queda se llama ion positivo.

Un ion negativo es un átomo que ha ganado uno o más electrones.

Los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos para formar moléculas se deben a las interacciones eléctricas entre ellos, como los enlaces iónicos fuertes que unen a los átomos de sodio y cloro para formar la sal de mesa, y los enlaces relativamente débiles entre las cadenas de ADN que contienen nuestro código genético. La fuerza normal que ejerce sobre usted la silla en que se sienta proviene de fuerzas eléctricas entre las partículas cargadas de los átomos de usted y los de la silla. La fuerza de tensión en una cuerda que se estira y la fuerza de adhesión de un pegamento se parecen en que se deben a las interacciones eléctricas de los átomos.

21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidas
Por ejemplo, en la figura 21.6a se muestra un alambre de cobre sostenido por una cuerda de nailon. Cuando acerca otro cuerpo cargado a la esfera , esta será atraída o repelida, lo cual demuestra que se cargó eléctricamente. Se transfirió carga eléctrica entre la esfera y la superficie de la varilla de plástico, a través del alambre de cobre. El alambre de cobre recibe el nombre de conductor de electricidad.

Si se repite el experimento con una banda de caucho o una cuerda de nailon en lugar del alambre, se verá que no se transfiere carga a la esfera. Dentro de un sólido metálico, como el cobre, uno o más de los electrones externos de cada átomo se liberan y se mueven con libertad a través del material, exactamente como las moléculas de un gas se desplazan por los espacios entre los granos de arena en un recipiente. Los demás electrones permanecen unidos a los núcleos con carga positiva, que a la vez están unidos en posiciones casi fijas en el material. En un material aislante no hay electrones libres, o hay muy pocos, y la carga eléctrica no puede desplazarse con facilidad a través del material.

Carga por inducción

Una esfera de metal se puede cargar usando un alambre de cobre y una varilla de plástico eléctricamente cargada, como se indica en la figura 21.6a. En este proceso, algunos de los electrones excedentes en la varilla se transfieren hacia la esfera, lo cual deja a la varilla con una menor carga negativa. Hay otra técnica diferente con la que la varilla de plástico puede dar a otro cuerpo una carga de signo contrario, sin perder una parte de su propia carga. Cuando se le acerca una varilla con carga negativa, sin que llegue a tocarla , los electrones libres en la esfera metálica son repelidos por los electrones excedentes en la varilla, y se desplazan hacia la derecha, lejos de la varilla.

El sistema alcanza el equilibrio donde la fuerza hacia la derecha sobre un electrón, debida a la varilla cargada, queda equilibrada por la fuerza hacia la izquierda que se debe a la carga inducida. Si se retira la varilla cargada, los electrones libres regresan a la izquierda y se restablece la condición neutral original. Durante este proceso, no cambió la carga negativa de la varilla.

21.3 Ley de Coulomb
En 1784 Charles Agustín de Coulomb estudió con mucho detalle las fuerzas de interacción entre partículas cargadas. Coulomb descubrió que, en el caso de cargas puntuales, esto es, cuerpos cargados muy pequeños en comparación con la distancia r que los separa, la fuerza eléctrica es proporcional a 1r. La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales también depende de la cantidad de carga en cada cuerpo, la que se denotará con q o Q. De esa manera, él podía obtener un medio, un cuarto, etcétera, de cualquier carga inicial.

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