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¿Cómo se evaluará el curso de Física C?
Lea el Texto
Guía!
Prueba de lectura
• 10 puntos: preguntas de múltiples opciones del capítuloa iniciar.
• 30 puntos: problemas y preguntas del capítulo terminado.
• 60 puntos: examen parcial(1ra Eval.) o final (2da Eval.)
• El examen final (2da Eval.) es acumulativo.
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Exámenes
Ley de Coulomb & Cualitativa
Conductores & Aislantes
Fuerzas y Cargas Eléctricas
Conservación de la Carga
Concepto de Electrostática
¿Qué aprenderemos en este capítulo?
Carga por Fricción
Carga por Contacto
Carga por Inducción
Polarización de la Carga
Generador Van de Graff
Electrostática
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ELECTRICIDAD
• Todo lo que nos rodea en el mundo tiene que ver con el electromagnetismo.
•Luz eléctrica, TV, Radio, Computadoras, Arco Iris, Vehículos, Micrófonos, Voz, Contracción Muscular, Reacciones Químicas, Pensar, Latidos del Corazón.
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Concepto de Electrostática
La electrostática es la parte de la física queestudia la electricidad en la materia.
Se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos
De los fenómenos asociados a las cargaseléctricas en reposo
A. Los aisladores se pueden cargar eléctricamente
B. Objetos cargados atraen a objetos neutros
C. Neutros no significa „no cargas‟
D. La carga no es un objeto – es una propiedad de la materia
E. No hay razón fundamental de que los electrones tengan que ser negativos.
F. No hay diferencia entre carga y corriente.
Una de las alternativas es falsa ¿cuál es?
PRE-VUELO
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Los conductores tienen un número significativo deelectrones que pueden movilizarse fácilmente a través delmaterial, ésta característica no la poseen los aislantes odieléctricos.
LOS ELECTRONES “LIBRES”
• Carga, ej. electrones libres, existen en conductores con una densidad, ne (ne ~ 1029 m-3)
Conductores & Aislantes
Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargaseléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio.
Conductores son los que llevan la electricidad y la dejan pasar por ellos.
Aislantes al contrario son los que no dejan pasar la electricidad y aíslan la electricidad. Al depositar carga
sobre ellos, esta se queda en el lugar en que se la coloca.
Los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semi-libertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales.
En las sustancias aislantes, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.
Los semiconductores pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad mejorando prodigiosamente su conductividad, ya sea con pequeños cambios.
Conductores, Aislantes & Semiconductores
Super Conductores
A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero, esos son los superconductores.
Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.
Conductores, semiconductores, y
aisladores (dieléctricos)
Conductores: En estosmateriales las cargas son libresde moverse. Los metales son buen ejemplo de conductores.
Semiconductores. las cargas se pueden mover libremente solo cuando
ciertas condiciones se cumplen(calor, suficiente voltaje, etc)
Aisladores, una vez que son cargados, las cargas no tienen libertadpara moverse. (Plásticos, vidrios, madera)
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FLORENCIO PINELA-ESPOL
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ESTRUCTURA DE LA MATERIA
LA CARGA ELÉCTRICA
Es una magnitud fundamental de la física, responsable de lainteracción electromagnética.
En el S.I. La unidad de carga es el Culombio (C) que sedefine como la cantidad de carga que fluye por un punto deun conductor en un segundo cuando la corriente en elmismo es de 1 A.
Submúltiplos del Culombio
1 mC = 10-6 C
1 nC = 10-9 C
1 mC =10-3 C
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¿Cuál es la menor carga posible? Experimento de la gota de aceite de Millikan
En 1910, Millikan fue capaz de medir la carga de un electrón Recuerde: Los atomos tienen un núcleo y una nube de
electrones fuera de él
Recuerde: el núcleo está formado de protones y neutrones. Los protones tienen carga equivalente a la del electrón. Los neutrones son neutros
La menor carga posible es
1.602 x 10-19 Coulomb (C)Esto significa que la carga que adquiera unmaterial será siempre un múltiplo entero dela carga de un electrón
Definición del CoulombAbreviación: C
Cantidad de carga que pasa a través de unasección-transversal de alambre en 1 segundocuando por el alambre circula una corrientede 1 Amperio (A).
1 C = 6,24 x 1018electrones
Características de la carga
i) Dualidad de la carga: Todas las partículas cargadas
pueden dividirse en positivas y negativas, de forma que
las de un mismo signo se repelen mientras que las de
signo contrario se atraen.
ii) Conservación de la carga: En cualquier proceso físico,
la carga total de un sistema aislado se conserva. Es
decir, la suma algebraica de cargas positivas y
negativas presente en cierto instante no varía.
iii) Cuantización de la carga: La carga eléctrica siempre
se presenta como un múltiplo entero de una carga
fundamental, que es la del electrón.
Existen dos tipos de carga: Cargas diferentes se atraen; cargas iguales se repelen.
Atracción molecular
Atracción de cargas de signo diferente
Repulsión de cargas de igual signo
Carga por Fricción
La fricción como ya se sabe, trae muchas cosas por descubrir una de ellas es la transferencia de electrones de un material a otro, nos podemos dar cuenta de esto cuando nos peinamos o acariciamos un gato.
Hay materiales que mediante la fricción quedan electrizados durante un tiempo, y esto es por la transferencia de electrones de un cuerpo a otro.
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Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros!!.
Al transferirse la carga de un cuerpo a otro,
ellos quedan cargados eléctricamente
Hay una transferencia de carga eléctrica entre
la niña y la esfera
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Los cuerpos adquieren carga eléctrica cuando reciben o entregan electrones
Conservación de la Carga
Todo objeto cuyo número de electrones sea distinto al
de protones tiene carga eléctrica. Si tiene más
electrones que protones la carga es negativa. Si tiene
menos electrones que protones, la carga es positiva.
Cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad
de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual
a la que cede el otro
La conservación de la carga es una de las piedras
angulares de la física, a la par con la conservación de
la energía y de la cantidad de movimiento.
EL ELECTROSCOPIO:
Dispositivo quepermite el estudiocualitativo de la conducción e inducción de cargaeléctrica.
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Los conductores tienen un número significativo deelectrones que pueden movilizarse fácilmente através del material, ésta característica no la poseenlos aislantes o dieléctricos.
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Conexión a tierra
Es la conexión de un conductor a otro conductor, de tal forma que los electrones puedan fluir entre ellos. Nuestro planeta es un excelente conductor, por tanto, conectarnos
a ella satisface la condición.
El electroscopio está cargado negativamente. Al conectarlo a tierra, los
electrones libres fluyen a tierra hasta que el electroscopio queda neutro.
El electroscopio está cargado positivamente. Al conectarlo a tierra, los
electrones libres fluyen de tierra al conductor hasta que el electroscopio
queda neutro.
Carga por Inducción
Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora.
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.
Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.
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Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga
negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre.
Carga por Inducción
CARGA DE UN CONDUCTOR POR INDUCCION
Al acercarse un objeto con carga negativa, se repelen los electrones libres y las esferas
quedan con carga de igual magnitud y signos diferentes.
Al separar las esferas y retirar el objeto con carga
negativa, las esferas quedan cargadas eléctricamente.
La carga neta de las esferas sigue siendocero, si el sistema se mantiene aislado
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Se puede transferir electrones de un material a otro por simple contacto.
Si el objeto es buen conductor la carga se distribuye en toda su superficie porque las cargas iguales se repelen entre sí.
Si se trata de un mal conductor puede ser necesario tocar con la barra varias partes del objeto para obtener una distribución de carga más o menos uniforme.
Carga por Contacto
CARGA DE UN CONDUCTOR POR CONTACTO
Los electrones libres son repelidos y se transportan hacia la parte inferior. Al
tocarse la lámina los electrones fluyen a tierra. Al retirarse la carga negativa el electroscopio queda cargado
positivamente.
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CARGA DE UN CONDUCTOR UTILIZANDO CONEXION A TIERRA
Al acercar un cuerpo con carga negativa a la esfera conductora, se repelen electrones libres del
conductor. Al conectarse la esfera a tierra los electrones
fluyen. Si en esta configuración se desconecta la conexión a
tierra y luego se retira el cuerpo con carga negativa, la esfera conductora quedará cargada
positivamente.
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PREGUNTA DE CONCEPTO
La esfera de la figura tiene una carga eléctrica de + 10-10 C. ¿Qué es verdad respecto a lo acontecido a la esfera?
A) Se transfirieron 6,25 x108
protones a la esfera.B) Se retiraron 6,25 x108
electrones de la esfera.C) Se retiraron 1,6 x109
electrones de la esfera.D) Se retiraron 6,25x1019
electrones de la esfera.E) Ninguna es correcta
El diagrama de abajo a la derecha muestra la carga inicial y posición de tres esferas metálicas, X, Y, y Z, sobre pedestales aislantes.
La esfera X se pone en contacto con la esfera Y y luego se separan. Luego la esfera Y es puesta en contacto con la esfera Z y luego se separan. ¿Cuál es el valor de la carga sobre la esfera Z después que este procedimiento se ha completado?
A) +1x 10–6 C B) +3 x 10–6 CC) +2 x 10–6 C D) +4 x 10–6 C
PRE-VUELO
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La figura de abajo muestran dos situaciones separadas en las que se involucran esferas metálicas que están inicialmente en contacto. La barra cargada positivamente se acerca la misma distancia a las esferas. Las esferas son luego separadas simultáneamente una de otra usando un mango aislador. Finalmente la barra cargada es retirada de la presencia de las esferas . ¿Cuál de las esferas adquiere la menor carga eléctrica (valor absoluto)?
Actividad
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Por inducción un lado del átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto,por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado.
Si se acerca un objeto negativo los objetos que van a ser atraídos van a mandar los electrones al otro extremo mientras que los positivos van a estar más pegados al objeto.
Se presenta el fenómeno de polarización cuando trozos de papel neutros son atraídos por un objeto cargado o cuando se coloca un globo cargado en una pared. (Siguiente diapositiva)
Polarización de la Carga
!Un material eléctricamente neutro siempre será atraído por otro cuerpo cargado, independiente del signo de su carga!
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Polarización
+++++
+++++
------
+++++
La “Física C” mantiene unido al universo!!!
La Electrostática en la Materia
Fuerza en Modelo Base de la Atracción Ejemplo
Atomo Cargas opuestas H
Cristal Iónico
Cargas Opuestas NaCl
Enlace Covalente
Nucleídos –comparten pares e-
H - H
Metales Metal cationes y electrones
delocalizados
Au
–
+
Dos cargas q = + 1 μC y Q = +10 μC se colocan una próxima a la otra como se muestra en la figura.
¿Qué pasará con el valor de la fuerza entre ellas, si q se duplica y la distancia entre ellas se reduce a la mitad?
+10 μC+1 μC
Pregunta de concepto
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PREGUNTA DE PRE-VUELO
A) Se hace el dobleB) Se hace 4 veces mayorC) Se hace 8 veces mayorD) Se mantiene igualE) Se reduce a la mitad.
" La fuerza repulsiva entre dos pequeñas esferas cargadas con el mismo tipo de electricidad está en relación inversa al
cuadrado de la distancia entre los centros de las esferas y en proporción directa al
producto de las cargas"q2q1
r
1 2
2
q qF
r
k: Constante de Coulomb, cuyo valordepende del sistema de unidades y delmedio en el que trabajemos.
En el vacío
S.I.
1 2
2ˆ
q qF k r
r
9 2 28.99 10 /k N m C
0
1
4k
12 2 2
0 8.85 10 /C N m
Llamada la permitividad del espacio libre
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Ley de Coulomb (cargas puntuales)
Cargas iguales
Cargas diferentes
1 2
2ˆ
q qF k r
r
Dos cargas q = + 1 μC y Q = +10 μC se colocan unapróxima a la otra como se muestra en la figura.
¿Cuál de los siguientes diagramas describe mejor la fuerza actuando sobre las esferas?:
+10 μC+1 μC
a)
b)
c)
Pregunta de concepto
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PREGUNTA DE CONCEPTO
Una carga Q se mantiene fija como se indica en la figura, una partículade carga q y masa m se mantiene en equilibrio sobre la carga Q comose indica en la configuración A. Luego de transcurrido un ciertotiempo se observa que la partícula se encuentra en equilibrio a unadistancia igual a la mitad que la posición inicial (B). ¿Qué puede decirrespecto a la carga de la partícula de masa m en la configuración B?
A) Sigue siendo la misma carga q
B) Se redujo a la mitad
C) Se redujo a la cuarta parte
D) Se duplicó
E) Se hizo cuatro veces mayor
PREGUNTA DE ACTIVIDAD
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Felec
Fgrav=
q1q2
m1m2
1
40
G
r
F Fq1
m1
q2
m2
Felec = 1
40
q1q2
r2
Fgrav = Gm1 m2
r 2
* La carga más pequeña “vista”
en la naturaleza!
Para un electrón:
* |q| = 1.6 10-19 C
m = 9.1 10-31 kg F
F
elec
grav
+417 10
42.
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Dos esferas de igual masa se suspenden del tumbado con alambres no-conductores. Una esfera tiene carga +3q y la otraTiene una carga de +q.
g+q+3q
Cuál de las siguientes representa mejor la posición de equilibrio?
(b)
+3q+q
(a)
+3q+q
(c)
+3q +q
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PREGUNTA DE ACTIVIDAD
mgmg
TT
FeFe
l l
r
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Las cargas Q, -Q, y q tienen la misma magnitud y son colocadas en los vértices de un triángulo equilátero, como se muestra abajo a la izquierda. ¿En qué dirección se aceleraría la carga – Q, por acción de las fuerzas eléctricas, si se la dejara libre?
PRE-VUELO
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Las fuerzas Electrostáticas obedecen el principio de superposición.
Las fuerzas causadas por múltiples cargas deben ser añadidas comovectores.
Considere las cargas mostradas en la figura. Para calcular la fuerzaneta ejercida por las otras cargas sobre q3, se deben calcularindividualmente las fuerzas ejercidas por q2 y q1 sobre q3, y luego estasdos fuerzas se suman vectorialmente.
Superposición de fuerzas electrostáticas
Fneta
= F23
+ F13
Three point charges lie at the vertices of
an equilateral triangle as shown. All three
charges have the same magnitude, but
Charges #1 and #2 are positive (+q) and
Charge #3 is negative (–q).
The net electric force that Charges #2 and
#3 exert on Charge #1
A. is in the +x direction
B. is in the –x direction
C. is in the +y direction
D. is in the –y direction
E. none of the above
Pregunta de concepto
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Dos cargas puntuales, +2 nC y –1 nC, están fijas en posiciones a lo largo de una línea como se muestra en el diagrama inferior. A lo largo de la línea se sitúa una tercera carga de +1 nC de tal forma que la fuerza electrostática resultante sobre la misma es cero. ¿En cuál de las tres regiones I, II, III, podría colocarse la tercera carga
I II III
+ 2 nC - 1 nC
A. Región I solamente
B. Región II solamente
C. Región III solamente
D. Regiones I o III
Actividad
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05/04/2009FLORENCIO PINELA-ESPOL 51
Dos esferas, una con carga Q1 = +Q y la otra con carga Q2 = +2Q, se mantienen fijas a una separación d = 3R como se muestra.
+2Q
+2Q
Q2Q13R
+Q
R
Q2Q1
+Q
Q3
2R
(a) La fuerza sobre Q3 puede ser cero si Q3 es positiva.
(b) La fuerza sobre Q3 puede ser cero si Q3 es negativa.
(c) La fuerza sobre Q3 nunca puede ser cero, sin importarel valor de la carga Q3.
• Otra esfera con carga Q3 es introducida
entre Q1 y Q2 a una distancia = R desde Q1.
• ¿Cuál de los siguientesenunciados es verdadero?
ACTIVIDAD
Ejemplo
05/04/2009
FLORENCIO PINELA-ESPOL52
Una carga positiva de 0.1 mC se localiza en el origen, otra carga de +0.2 mC se localiza en (0.0 cm, 1.5 cm), y una de -0.2 mC en el punto (1.0 cm, 0.0 cm). ¿ Cuál es la fuerza eléctrica sobre la carga negativa?
-0.2 mC(1.0 cm, 0.0 cm)
0.2 mC(0.0 cm, 1.5 cm)
0.1 mC(0 cm. 0cm)
1
3
2
Dos cargas Q y -Q se alinean sobre el eje de lasy, como se muestra en la figura. Q = 1 mC. Lasdistancias en la figura están en metros. Lacomponente Fy de la fuerza eléctrica sobre unacarga de +1 C ubicada en el punto P es:
A) – 216 N
B) + 216 N
C) – 432 N
D) + 432 N
E) – 86,4 N
05/04/200953FLORENCIO PINELA-ESPOL
Determine la relación entre los valores de las
cargas q1 /q2, para que la fuerza sobre la carga
q3 se encuentre en la dirección indicada.
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Cuatro cargas puntuales se ubican en los vértices de uncuadrado de lado a como se indica en la figura.Determine la magnitud de la fuerza eléctrica sobre unacarga +qo colocada en el punto p.
2
2) okqq
Aa
2
4) okqq
Ba
2
2)
2
okqqC
a
2
2)
4
okqqD
a
2)
2
okqqE
a
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05/04/2009FLORENCIO PINELA-ESPOL 56
Cuatro cargas de igual valor –Q son colocadas en las cuatro esquinas de un cuadrado. Una carga de valor „q‟ es colocada en el centro del cuadrado, si el sistema se encuentra en equilibrio, el valor de „q‟ es
(a) –Q(1+2√2)/4
(b) Q(1+2√2)/4
(c) –Q(1+2√2)/2
(d) Q(1+2√2)/2
-
-
a
a
-
-
