Electrostatica: estructura de la materia.

Es la rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los

cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las

cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos

cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del

problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los

fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y

repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Estructura de la materia

La materia esta formada por una estructura muy pequeña llamada ÁTOMO, que

se compone por un núcleo donde encontramos dos tipos de partículas llamadas

Neutrones y Protones, alrededor del núcleo orbitan otras partículas llamadas

Electrones.

Un átomo puede ser representado simbólicamente en un modelo que recrea

nuestro sistema solar, el cual tiene en el centro el sol y los planetas girando en

órbitas alrededor de él.

En el modelo de Dalton el afirma que la materia esta formada por partículas muy

pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden separar.

Protón: El Protón es una partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a

la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los

núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. La

masa de un protón es de 1,6726 × 10-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del

electrón.El número atómico de un elemento indica el número de protones de su

núcleo, y determina de qué elemento se trata. Los protones son parte esencial de

la materia ordinaria, y son estables a lo largo de periodos de miles de millones,

incluso billones, de años.

Neutrón: El Neutrón es una partícula eléctricamente neutra, de masa 1.838,4

veces mayor que la del electrón y 1,00014 veces la del protón; juntamente con los

protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y

se les considera como dos formas de una misma partícula: el nucleón.

La existencia de los neutrones fue descubierta en 1932 por Chadwick; estudiando

la radiación emitida por el berilio bombardeado con partículas, demostró que

estaba formada por partículas neutras de gran poder de penetración, las cuales

tenían una masa algo superior a la del protón.

El número de neutrones en un núcleo estable es constante, pero un neutrón libre,

en decir, fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos 1000

segundos, dando lugar a un protón, un electrón y un neutrino.

Electrón:El Electrón, comúnmente representado como e− es una partícula

subatómica, que forman parte de la familia de los Leptones. En un átomo los

electrones rodean el núcleo, compuesto de protones y neutrones. Los electrones

tienen la carga eléctrica más pequeña, y su movimiento genera corriente eléctrica.

Cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.

Ley de Coulomb: enunciación, inclinación y aplicación.

La primera investigación teórica acerca de las fuerzas eléctricas entre cuerpos

cargados fue realizada por Charles Augustin de Coulomb en 1784, El llevo a cabo

sus investigaciones con una balanza de torsión para medir la variación de la

fuerza con respecto a la separación y la cantidad de carga. La separación entre

dos objetos cargados se define como la distancia en línea recta entre sus

respectivos centros. La cantidad de carga se puede considerar como el numero de

electrones o de protones que hay en exceso en un cuerpo determinado.

Coulomb encontró que la fuerza de atracción o de repulsión entre dos objetos

cargados es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

En otras palabras, si la distancia entre dos objetos cargados se reduce a la mitad,

la fuerza de atracción o de repulsión entre ellos se cuadruplicará.

El concepto de cantidad de carga no se comprendía con claridad en la época de

Coulomb. No se había establecido aun la unidad de carga y no había forma de

medirla, pero en sus experimentos se demostraba claramente que la fuerza

eléctrica entre dos objetos cargados es directamente proporcional al producto de

la cantidad de carga de cada objeto. Actualmente, estas conclusiones se enuncian

en la ley de Coulomb:

Campo Eléctrico: definición, ecuación, unidades, intensidad de

campo eléctrico.

Es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la

interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.1 Se

describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor

sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

(1)

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con el

campo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo

electromagnético Fμν.2

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en

campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos

eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas,

pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James

Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se

tiene en cuenta la variación del campo magnético. Esta definición general indica

que el campo no es directamente medible, sino que lo que es observable es su

efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea de campo eléctrico fue

propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en

el año 1832. La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Culombio

(N/C), Voltio por metro (V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s−3·A−1 y la ecuación

dimensional es MLT-3I-1.

Potenciales eléctricos: definición, ecuaciones, unidades y

aplicaciones.

Es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga

positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de

carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza

externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta

el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica a velocidad constante.

Matemáticamente se expresa por:

El potencial eléctrico sólo se puede definir para un campo estático producido por

cargas que ocupan una región finita del espacio. Para cargas en movimiento debe

recurrirse a los potenciales de Liénard-Wiechert para representar un campo

electromagnético que además incorpore el efecto de retardo, ya que las

perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la

velocidad de la luz. Si se considera que las cargas están fuera de dicho campo, la

carga no cuenta con energía y el potencial eléctrico equivale al trabajo necesario

para llevar la carga desde el exterior del campo hasta el punto considerado. La

unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo

eléctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial. Una

forma alternativa de ver al potencial eléctrico es que a diferencia de la energía

potencial eléctrica o electrostática, él caracteriza sólo una región del espacio sin

tomar en cuenta la carga que se coloca allí.

Diferencia de potencial eléctrico: definición, ecuación y aplicación.

Considérese una carga de prueba positiva en presencia de un campo eléctrico y

que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio.

Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la diferencia

de potencial eléctrico se define como:

El trabajo puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial

eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el potencial

eléctrico en A. La unidad en el SI para la diferencia de potencial que se deduce de

la ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva

unidad, el voltio, esto es: 1 voltio = 1 joule/coulomb.

Un electronvoltio (eV) es la energía adquirida para un electrón al moverse a través

de una diferencia de potencial de 1 V, 1 eV = 1,6x10 -19 J. Algunas veces se

necesitan unidades mayores de energía, y se usan los kiloelectronvoltios (keV),

megaelectronvoltios (MeV) y los gigaelectronvoltios (GeV). (1 keV=103 eV, 1 MeV

= 106 eV, y 1 GeV = 109 eV).

Condensadores: definicion, utilidad, constitucion y tipos.

Dos Conductores cualesquiera separados por un aislador se dice que forman un

condensador. El parámetro de circuito de la capacidad se representa con la letra C

y se mide en Faradios.

De la ecuación de capacidad anterior surgen dos observaciones importantes.

Primero, el voltaje no puede cambiar de forma instantánea en las terminales del

condensador. Dicha ecuación indica que este cambio produciría una corriente

infinita, lo que físicamente es imposible.

Segundo, si el voltaje en las terminales es constante, la corriente en el

condensador es cero. Esto se debe a que no se puede establecer una corriente de

conducción en el material dieléctrico del condensador. La corriente de

desplazamiento solo se puede producir con un voltaje que varíe con el tiempo. Por

lo tanto un condensador se comporta como un circuito abierto si el voltaje es

constante

Los condensadores tienen muchas aplicaciones en circuitos eléctricos. Se utilizan

para sintonizar los circuitos de radio, para suavizar la corriente rectificada

suministrada por una fuente, para eliminar la chispa que se produce cuando se

abre repentinamente un circuito con inductancia. El sistema de encendido de los

motores de un coche tiene un condensador para eliminar chispazos al abrirse y

cerrarse los platinos.

Condensadores de laminas paralelas: definicion, ecuaciones y

aplicaciones.

Es un condensador que no tiene dieléctrico sólido ni líquido, tiene dieléctrico de

aire y es equivalente a que estuviera en el vacío, sin dieléctrico.

Las primeras tres placas estan conectadas al terminal positivo,

mientras que que las otras tres estan conectadas al terminal

negativo. De esta forma, la diferencia de potencial entre las

placas del condensador es la misma para todas. La carga

sumunistrada por la fuente se reparte entre los tres

condensadores. En resumen:

a.- La carga total es igual a la suma de las cargas de cada

condensador.

b.-La diferencia de potencial es la misma en cada uno de los

condensadores.

Es posible sustituir el conjunto de condensadores por uno

solo, sabemos que:

Y asi para Q1, Q2  y  Q3. Introduciendo en (6.6) y

desarrollando:

Es decir, al colocar los condensadores en paralelos, su

capacidad aumenta.

Capacidad electrica: definicion,unidades y ecuacion.

Es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica (no

confundir con la capacitancia1 ). La capacidad también es una medida de la

cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial

eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es

el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente

entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se

describe mediante la siguiente expresión matemática:

donde:

es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental

Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse

submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.

es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;

es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.

Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende

de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico,

esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre

las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del

material no conductor introducido, mayor es la capacidad.

En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la

siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivando respecto al tiempo la

ecuación anterior.

Donde i representa la corriente eléctrica, medida en amperios.

Asociacion de condensadores: ecuaciones y aplicaciones.

Son elementos eléctricos ampliamente usados en una gran variedad de circuitos

eléctricos. Se utilizan, por ejemplo, en los circuitos filtros, en circuitos

sintonizadores, etc. Esencialmente, el condensador es un elemento que acumula

energía eléctrica en términos del campo eléctrico producido en su interior como

consecuencia de las cargas eléctricas que se depositan en sus placas.

El condensador es un sistema de dos cuerpos conductores, denominados placas o

armaduras, aislados entre sí y de cualquier otro cuerpo eléctrico. Cada placa del

condensador se carga con carga de igual valor y distinto signo, de manera tal que

se establece una diferencia de potencial entre las placas,

, siendo V+ el potencial eléctrico que adquiere la placa cargada positivamente y V-

el potencial en la placa negativa. Este sistema de cargas genera un campo

eléctrico en toda la región entre placas, orientado desde la placa positiva hacia la

placa negativa, obteniéndose así una inducción completa pues todas las líneas de

fuerzas originadas en la placa positiva terminan en la placa negativa. Además,

como cada placa del condensador es conductora, el campo eléctrico en cualquier

punto interior a la placa es cero, y toda la carga de la placa debe distribuirse sobre

su superficie.