Unidad 1: Campo eléctrico y potencial eléctrico

Resultados de aprendizaje

RA3.1: Explicar de manera oral y/o escrita fenómenos de “campo y potencial eléctrico” utilizando determinados conceptos básicos de la física.
RA3.2: Aplicar conceptos físicos, matemáticos y herramientas gráficas para calcular cantidades físicas del ámbito “campo y potencial eléctrico”.

Unidad 1: Campo eléctrico y potencial eléctrico

​Algo de historia...

• En China documentos sugieren que el magnetismo se observó ya en el 2000 a.c.

• Los Griegos observaron los fenómenos eléctricos y magnéticos desde 700 a.c.

  Encontraron que el ámbar, al frotarse, se electrificaba y atraía trozos de paja o plumas. También descubrieron las fuerzas magnéticas observando la magnetita que atrae el hierro.

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​Algo de historia...

•1600, William Gilbert mostró que los efectos de la electrificación no se limitaban sólo al ámbar. Los efectos de la electrificación fueron fenómenos generales.

•1785, Charles Coulomb confirmó la forma de ley cuadrada inversa para las fuerzas eléctricas.

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Carga eléctrica

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Carga eléctrica

​Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una carga negativa se atraen.

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Estructura atómica

Los electrones en un átomo están en una nube que rodea al núcleo, y pueden separarse del átomo con relativa facilidad.

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Estructura atómica

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Transferencia de carga eléctrica

Cuando una barra de ámbar se frota con piel, algunos de los electrones de los átomos de la piel se transfieren al ámbar.

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Propiedades de las cargas eléctricas

• Existen dos tipos de cargas, llamadas positivas y negativas. Designadas así por Benjamin Franklin (1706-1790)

• Cargas de igual signo se repelen y cargas de signos diferentes se atraen.

• El portador de carga positiva en la naturaleza es el protón.

• Los protones no se mueven de un material a otro porque se mantienen firmemente en el núcleo.

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Propiedades de las cargas eléctricas

• El portador de carga negativa en la naturaleza es el electrón.

• Ganando o perdiendo electrones es cómo un objeto se carga.

• La carga eléctrica siempre se conserva.

• La carga no se crea, sólo se intercambia. Esto se denomina principio de conservación de la carga.

• Los objetos se cargan porque las cargas negativas se transfieren de un objeto a otro.

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Propiedades de las cargas eléctricas

• La carga está cuantificada

• Toda carga es un múltiplo de una unidad fundamental de carga, simbolizada por e

• Los electrones tienen una carga de -e

• Los protones tienen una carga de + e

• El átomo que ha perdido un electrón está ahora positivamente cargado - es un ion positivo

• El átomo que ha ganado un electrón está ahora cargado negativamente - es un ion negativo

• La unidad de carga SI es el Coulomb (C)

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Conductores

• Los conductores son materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven libremente en respuesta a una fuerza eléctrica.

• El cobre, el aluminio y la plata son buenos conductores, en general la mayoría de los metales.

• Cuando un conductor se carga en una pequeña región, la carga se distribuye fácilmente sobre toda la superficie del material.

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Aislantes

• Los aisladores son materiales en los que las cargas eléctricas no se mueven libremente, la mayoría son no-metales.

• El vidrio y el caucho son ejemplos de aisladores.

• Cuando los aisladores se cargan por frotamiento, sólo el área frotada se carga.

• No hay tendencia a que la carga se mueva a otras regiones del material

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Semiconductores

• Las características de los semiconductores están entre las de los aisladores y conductores; sus propiedades cambian con su composición química.

• El silicio y el germanio son ejemplos de semiconductores.

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Transferencia de carga eléctrica

Carga por inducción

• Una varilla de goma cargada negativamente se aproxima a una esfera metálica neutra.

• Las cargas en la esfera son redistribuidos.

• Algunos de los electrones en la esfera son repelidos por los electrones en la barra.

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Transferencia de carga eléctrica

Carga por inducción

• La región de la esfera más cercana a la barra cargada negativamente tiene un exceso de carga positiva debido a la migración de electrones lejos de esta ubicación.

• Un cable conductor conectado a tierra está conectado a la esfera.

• Permite que algunos de los electrones se muevan de la esfera al suelo.

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Transferencia de carga eléctrica

Carga por inducción

• Se retira el alambre del suelo, la esfera queda con un exceso de carga positiva inducida.

• La carga positiva sobre la esfera se distribuye uniformemente debido a la repulsión entre las cargas positivas.

• La carga por inducción no requiere contacto con el objeto que induce la carga.

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Polarización

• En la mayoría de los átomos o moléculas neutras, el centro de la carga positiva coincide con el centro de la carga negativa.

• En presencia de un objeto cargado, estos centros pueden separarse ligeramente.

• Esto da lugar a una carga más positiva en un lado de la molécula que en el otro lado.

• Este realineamiento de carga sobre la superficie de un aislador se conoce como polarización.

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Polarización

• El objeto cargado (a la izquierda) induce carga sobre la superficie del aislante.

• Un peine cargado atrae trozos de papel debido a la polarización del papel.

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Ley de Coulomb

Coulomb (1736 – 1806) mostró que la fuerza eléctrica tiene las siguientes propiedades:

•Está a lo largo de la línea que une las dos partículas y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación r, entre ellas.

•Es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas, |q₁| y |q₂| sobre las dos partículas.

•Es atractiva si las cargas son de signos opuestos y es repulsiva si las cargas tienen los mismos signos.

•Observación: usaremos el término de carga puntual al referirnos a una partícula de tamaño cero que llevará una carga eléctrica. Así el comportamiento eléctrico de electrones y protones está bien descrito al modelarlos como cargas puntuales.

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Ley de Coulomb

Matemáticamente, la ley de Coulomb da la fuerza entre dos cargas puntuales, su magnitud es:

​•k_e es la constante de Coulomb

k_e = 8.9875 x 109 N m²/C²

En términos de la permitividad eléctrica del vacío

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Ley de Coulomb

•Dos cargas puntuales carga están separados por una distancia r

•Cargas iguales producen una fuerza repulsiva entre ellas

•Las fuerzas eléctricas obedecen a la tercera ley de Newton.

•La fuerza sobre q₁ es igual en magnitud y de dirección opuesta a la fuerza sobre q₂

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Principio de superposición

La fuerza eléctrica total o neta sobre una carga puntual es la suma vectorial de todas las fuerzas ejercidas por las otras cargas presentes.

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Ejemplo

¿Cuál es la fuerza neta sobre la carga q₃?

q₁=2μC, q₂=-1μC, q₃=2μC, a=0.3 m

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Ejemplo

¿Dónde ubicar la carga q₃ para que la fuerza neta sea cero?

q₁=2μC, q₂=1μC, q₃=-2μC