UNIDAD 5 ELECTROESTATICA

El estadounidense Benjamín Franklin (1706-1790) observo que cuando un conductor con carga negativa terminaba en punta, los electrones se acumulaban en esa región y por repulsión abandonan dicho extremo

propuso aplicar las propiedades antes descritas en la protección de edificios, mediante la construcción de pararrayos.

Charles Coulomb (1736-1806) estudio las leyes de atracción y repulsión eléctrica, en 1777 invento la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o de repulsión por medio de una fibra fina y rígida a la vez.

Alessandro Volta (1745-1827). En 1775 invento el electróforo. Este dispositivo generaba y almacenaba electricidad estática.

Georg Ohm (1789-1854) quien describió la resistencia Eléctrica de un conductor y en 1827 estableció la Ley Fundamental de las Corrientes Eléctricas al encontrar la resistencia de un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica

Michael faraday (1791-1867) propuso la teoría sobre la electrización por influencia, al señalar que un conductor hueco forma una pantalla para las acciones eléctricas.

El físico ingles james joule(1818-1889) estudio los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos eléctricos.

Carga eléctrica Toda materia, es decir, cualquier

tipo de cuerpo, se compone de átomos y estos de partículas como los electrones, protones y neutrones. Los electrones y protones tienen una propiedad llamada carga eléctrica.

Los neutrones son eléctricamente neutros por que carecen de carga, los electrones poseen una carga negativa, mientras que la de los protones es positiva.

Un átomo puede ganar electrones y quedar con carga negativa o bien perderlos y adquirir carga positiva.

Por ejemplo; cuando el cabello se peina con vigor pierde algunos electrones, adquiriendo entonces carga positiva, mientras tanto el peine gana dichos electrones y su carga final es negativa.

Esta observación permite comprender la Ley de la Conservación de la Carga dice: es imposible producir o destruir una carga positiva sin producir al mismo tiempo una carga negativa de idéntica magnitud.

Interacción en cargas de igual o diferente signo

Principio fundamental de la electricidad: cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. Este principio puede demostrarse fácilmente mediante el empleo de un péndulo eléctrico, que consiste en una esferita de medula de sauco o bien una esferita de Unicel sostenida por un soporte con un hilo de seda aislante

Formas de electrizar los cuerposLos cuerpos se electrizan al perder o ganar electrones,

los cuerpos se electrizan por:

Frotamiento: los cuerpos producen pequeñas chispas como sucede cuando al quitarnos un suéter o un traje de lana

contacto: se origina cuando un cuerpo saturado de electrones cede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto.

Inducción: esta forma de electrización se presenta cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado.

Materiales Conductores Y Aislantes

Los materiales conductores de electricidad son aquellos que se electrizan en toda su superficie, aunque solo se frote un punto de la misma. En cambio, los materiales aislantes o malos conductores de electricidad, también llamados dieléctricos, solo se caracterizan donde hacen contacto con un cuerpo cargado, o bien en la parte frotada.

En general, los materiales son aislantes si al electrizarlos por frotamiento y sujetarlos con la mano, conservan su carga aun estando conectado con el suelo por medio de algún cuerpo. Los materiales son conductores si se electrizan por frotamiento solo cuando no están sujetos con la mano y se mantienen apartados del suelo por medio de un cuerpo aislante

Unidades De Carga Eléctrica

Un cuerpo tiene carga negativa si tiene exceso de electrones y carga negativa si tiene carencia de electrones. Por tal motivo, la unidad elemental para medir carga eléctrica es el electrón pero como es una unidad muy pequeña se utilizan unidades practicas de acuerdo con el sistema de unidades empleado. En el sistema internacional (SI) se utiliza el coulomb ©. Un coulomb representa la carga eléctrica que tienen 6 trillones 240 mil billones de electrones…

Es decir: 1 coulomb = 1c = 6.24 x 10^18 electrones

Por tanto si un cuerpo tuviera una carga negativa de un coulomb, significaría que tiene exceso de 6.24 x 10^18 electrones; o una carencia de igual cantidad de electrones, si su carga fuera positiva. El coulomb es una unidad de carga eléctrica muy grande, por lo cual es común utilizar submúltiplos, como el mili coulomb (mC=1x10^-3C), el micro coulomb (µC = 1x10^-6C), o el nano coulomb (nC = 1x10^-9C)

Ley De Coulomb

La ley de Coulomb es muy similar tanto en su enunciado como en su fórmula a la Ley gravitacional de Newton. La ley de Coulomb se enuncia como sigue: “La fuerza de atracción o repulsión que existe entre 2 cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.

Matemáticamente esta ley se expresa como:

F = k q1q2

r2

donde F = fuerza de atracción o repulsión entre las cargas en Newtons o dinas.k = constante cuyo valor es de 9 x 109 Nm2/C2 En el Sistema Internacional. k = 1 dinacm2/ues2

En el sistema CGS.q1 y q2= cargas 1 y 2 en Coulombs o en estatcoulomb.

r = distancia que existe entre las cargas en metros o en centímetros.

La fuerza de repulsión tendrá un signo positivo, si las cargas tienen signos iguales (2 cargas positivas o dos negativas) de acuerdo a la regla de los signos de la multiplicación.

La fuerza de atracción tendrá signo negativo, si las cargas tienen signo diferente, también por la regla de la multiplicación.

La ecuación anterior de la Ley de Coulomb, sólo es válida cuando las cargas se encuentran en el vacío o aproximadamente si están en el aire. Pero si entre las cargas existe una sustancia o medio aislante, la fuerza eléctrica de interacción entre éstas sufrirá una disminución, la cual será mayor o menor dependiendo del medio

La relación que existe entre la fuerza eléctrica de dos cargas en el vacío y la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia aislante, recibe el nombre de permitividad relativa o coeficiente dieléctrico εr de dicho medio o sustancia; por lo tanto:

εr = F

F’

Donde: εr = permitividad relativa del medio (Sin unidades)

F = Fuerza eléctrica entre las cargas en el vacío en Newtons (N) o dinas.

F’ = Fuerza eléctrica entre las mismas cargas colocadas en el medio en Newtons o dinas.

En el cuadro siguiente se enlistan algunos valores de permitividad relativa para algunos medios. Observe que la permitividad del aire es casi igual a la del vacío, por ello al resolver problemas de cargas eléctricas en el aire, las consideraremos como si se encontraran en el vacío.

Modelo Aislador Permitividad Relativa Er

Vacio 1.0000

Aire 1.0005

Gasolina 2.35

Aceite 2.8

Vidrio 4.7

Mica 5.6

Glicerina 45

Agua 80.5

Calcular el valor de la fuerza eléctrica entre 2 cargas cuyos valores son q1= 2 mili coulombs y q2= 4 mili coulombs al estar separadas en el vacío una distancia de 20 cm.

Datos Fórmula F = ? F = kq1q2 q1= 2 mC r2 q2 = 4 mC R = 30 cm = 0.3 m K = 9 x109 N C2/m2

Sustitución y resultado.

F = 9 x109 NC2/m2 2 x10-3C x 4 x10-3 C=8x10^5N (0.3 m)2

Determinar el valor de la fuerza eléctrica entre 2 cargas cuyos valores son q1= -3 μC y q2= 4 μC al estar separadas en el vacío una distancia de 50 cm.

Datos Fórmula F = ? F = kq1q2 q1= - 3 μC r2 q2 = 4 μC R = 50 cm = 0.5 m K = 9 x109 N C2/m2

Sustitución y resultado.

F=9 x109 NC2/m2 -3 x10-6C x 4 x10-6 C =-0.432N (0.5 m)2

Una carga de -3 nano coulombs se encuentra en 0.15 m sobre otra carga de -4 nano coulombs.

Calcular: ¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica entre ellas?

¿Cuál seria el valor de la fuerza eléctrica entre ellas si estuvieran sumergidas en aceite?

Datos Fórmula F = ? F = kq1q2 q1= - 3 nC r2 q2 = - 4 nC R = 0.15 m K = 9 x109 N C2/m2

Sustitución y resultado.

F=9 x109 NC2/m2 -3 x10-9C x - 4 x10-9 C = -4 x10-6 (0.15 m)2

F= -4 x10-6 Er’(aceite)=2.8

Er=F/F’

F’=F/Er

-4 x10-6 = 1.71 x10-6 N

2.8