Electrostatica teoria
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1) El documento describe la teoría electrónica, explicando que los átomos están compuestos de electrones que giran alrededor de un núcleo central compuesto de protones y neutrones. 2) Explica que la electricidad se produce cuando los electrones se mueven de un punto a otro, y que los cuerpos pueden tener carga negativa, positiva o neutra dependiendo de si tienen un exceso, déficit o igualdad de electrones respectivamente. 3) Describe cómo funciona un electroscopio para detectar la presencia de cargas eléct
Electrostatica teoria
- 1. Capítulo 13 ELECTRICIDAD TEORÍA ELECTRÓNICA En esta sección se analizará las cualidades del electrón, para lo cual se tomará como muestra una gota de agua, para así obtener una explicación simple y sencilla. Supongamos que usted posee un súper microscopio capaz de aumentar las imágenes tanto como vuestra imaginación desee. Una gota de agua (H2O). La gota inicial se dividió en partículas. Una partícula se dividió a su vez en partículas más pequeñas. Esta división de partículas se puede seguir realizando, sin embargo llegará un momento en que la gotita sea tan pequeña que toda nueva división le hará perder Según la teoría cinético – molecular, una molécula de las características de agua. A esta partecita se le deno- agua está conformada por tres átomos ( 2 de hidrógeno y 1 de oxigeno): H2O. mina, Molécula. Si analizamos uno de estos átomos, por ejemplo el de hidrógeno, se comprobará que éste es como un sistema solar (un Sol con un planeta que gira a su alrededor). Al planeta se le conoce como el electrón y al Sol como núcleo.
- 2. Jorge Mendoza Dueñas 276 Dentro del núcleo se encuentra el protón (es) y los neutrones. Electrón : carga negativa Protón : carga positiva Neutrón : sin carga statCoulomb (stC) Equivalencia + + = 0 1 C = 3×109 stC OBSERVACIONES 1.- Sistema Adicional CUANTIFICACIÓN DEL ELECTRÓN Y PROTÓN En el átomo el número total de electrones que giran alrededor del núcleo es exactamente igual al número de cargas positivas contenidas en el núcleo (estado neutro del cuerpo). MASA CARGA Los números de protones, neutrones y electrones dependen del átomo del cuerpo en referencia. 9,02×10−31 kg −1,6×10−19 C Protón 2.- Electrón 1,66×10−27 kg +1,6×10−19 C Como se verá el electrón y protón tienen la misma carga pero de signo contrario; además: ELECTRICIDAD q = ne Es el efecto que produce los electrones al trasladarse de un punto a otro. La palabra electricidad proviene del término elektron (en griego electrón) que significa ámbar. Donde: q = carga del cuerpo e = carga del electrón n = número entero CARGA ELÉCTRICA (q) Ejemplo.- El siguiente cuerpo muestra la presencia de cuatro electrones y un protón; determinar el número “n” . Es una propiedad fundamental del cuerpo, la cual mide el exceso o defecto de electrones. La carga fundamental, es la carga del electrón. Cuerpo descargado Cuerpo cargado negativamente Cuerpo cargado positivamente Unidades de carga eléctrica en el S.I. Coulomb (C) Solución: El cuerpo muestra un exceso de electrones: q = 3e De donde se deduce que el número entero n es 3
- 3. Electricidad 277 INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICA dos de sus órbitas e incorporarse al otro. El material que capta a los electrones tendrá carga negativa, mientras el material que pierde electrones adquirirá carga positiva. Concepto de Electrostática Es una parte de la electricidad que se encarga de estudiar las cargas eléctricas en reposo. Conductor (buen conductor de la electricidad) Es aquel cuerpo en el cual las cargas eléctricas se mueven sin encontrar mayor resistencia; ejemplo: Los metales, el cuerpo humano, etc. Aislador o dieléctrico (mal conductor de la electricidad) Algunos materiales que producen electricidad estática fácilmente son: el vidrio, el ámbar, la bakelita, ceras, franela, seda, rayón, etc., así tenemos: si se frota PVC con lanilla, la varilla gana electrones y se carga negativamente, mientras que la lanilla adquiere carga positiva. Es aquel cuerpo en el cual las cargas eléctricas encuentran gran resistencia para poder moverse. REPRESENTACIÓN: ESTADOS ELÉCTRICOS DE UN CUERPO Después de ser frotados, ambos quedan cargados. Un cuerpo en su estado natural tiene el mismo número de electrones que protones en el núcleo. NOTA La Tierra es considerada como un gran manantial de electrones, por tener una inmensa cantidad de electrones. ± Si un electrón recibe un exceso de energía, debido a un fenómeno externo, el electrón puede escaparse del átomo, entonces se habrá electrizado el cuerpo. El átomo tendrá mayor cantidad de protones que electrones, se habrá cargado entonces positivamente. El caso contrario: el átomo puede recibir uno o más electrones de otro átomo, se cargará entonces negativamente. FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO A) Por frotamiento Si se frotan dos materiales entre sí, los electrones de uno de ellos pueden ser expulsa- B) Por Inducción Cuando un cuerpo cargado negativamente (inductor) se acerca a un cuerpo “conductor” los , electrones libres del conductor serán repelidos hacia el otro extremo, de manera que un lado del conductor (inducido) queda cargado positivamente y el otro lado negativamente.
- 4. Jorge Mendoza Dueñas 278 C) Por Polarización ¿Cómo funciona el electroscopio? Cuando un cuerpo cargado positivamente por ejemplo (inductor) se acerca a un extremo de un cuerpo “aislador” se produce un , reordenamiento de las cargas en dicho aislador ya que se produce en él, un movimiento pequeño (menor que el diámetro atómico) por parte de los electrones. El electroscopio funciona cumpliendo la cualidad de fuerzas de atracción y repulsión entre cuerpos cargados eléctricamente así como la conductividad en los metales. En el ejemplo se tomará una barra cargada positivamente, para hacer funcionar un electroscopio se puede ejecutarlo por “contacto” o “inducción” . A) Por inducción.- Cuando la barra cargada positivamente se acerca a la bola de metal (sin tocarla), se producirá una inducción electrostática en el electroscopio. Los electrones serán atraídos por la barra trasladándose éstas a la bola de metal quedando las cargas positivas en las hojas, rechazándose entre si, por lo cual éstas se abrirán. Al alejar la barra del electroscopio, los electrones ubicados en la bola se trasladarán a las hojas quedando neutro dichas hojas, motivo por el cual éstas se cerrarán. B) Por contacto.- Cuando la barra cargada positivamente toca a la bola de metal, los electrones del electroscopio pasan a la barra creando en él una deficiencia de electrones quedando cargado positivamente; como quiera que ahora las láminas tienen cargas del mismo signo, se rechazarán y por lo tanto se abrirán. Al alejar la barra del electroscopio, éste quedará cargado positivamente (signo de la barra) y por lo tanto las hojas permanecerán abiertas (debido a la repulsión electrostática). CONSERVACIÓN DE LA CARGA En la electrización de un cuerpo, las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen, tan sólo sufren un intercambio de éstas, en otras palabras la carga total se ha conservado. ANTES DESPUÉS EL ELECTROSCOPIO Es un instrumento que sirve para determinar la presencia o ausencia de cargas eléctricas de un cuerpo. Para esto, el cuerpo cargado se acerca o se pone en contacto a la esferita metálica, en esta situación las hojas metálicas se abrirán.
- 5. Electricidad 279 ¿Cómo determinar el signo de una carga eléctrica empleando el electroscopio? Para ello en primer lugar hay que tener un electroscopio cargado cuyo signo se conoce. Supongamos que empleamos el electroscopio cargado positivamente. a) Si las hojas se alejan.- Las hojas se abren más debido al incremento de la fuerza electrostática y ésta debido al aumento de cargas positivas para lo cual los electrones del electroscopio han debido escapar a la barra producto de una atracción de cargas eléctricas (cargas de signo contrario) lo cual significa que la barra tendrá carga positiva. Electroscopio cargado positivamente. b) Si las hojas se abren más, la barra o cuerpo tendrá el mismo signo. Si las hojas se acercan Electroscopio cargado positivamente. Al conectar el electroscopio a Tierra, los electrones de ésta subirán y entrarán a dicho aparato neutralizando las cargas positivas. Electroscopio cargado negativamente. Al conectar el electroscopio a Tierra, los electrones del primero escaparán hacia Tierra hasta que el electroscopio logre ser descargardo. PODER DE LAS PUNTAS Una superficie puntual tiene área muy pequeña y si está cargada, la densidad de carga eléctrica se hace máxima en dicha punta, tanto así que las cargas ahí acumuladas tienden a escaparse más o menos con gran fuerza, generando él llamado “viento eléctrico” capaz de apagar una vela. Una aplicación directa de este fenómeno es el pararrayos. Electroscopio cargado positivamente. Si las hojas se cierran un tanto, la barra tendrá signo contrario (negativo). ¿Cómo descargar un electroscopio cargado eléctricamente? Para descargar un electroscopio cargado negativa o positivamente, bastará conectarlo a Tierra; ya que ésta tiene un gran manatial de electrones, de tal manera que ganar o perder electrones no difiere la carga total de la Tierra.
- 6. Jorge Mendoza Dueñas 280 CARGA - CAMPO ELÉCTRICO LEYES DE LA ELECTROSTÁTICA 1RA LEY (LEY CUALITATIVA) “Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signos diferentes se atraen” . R = F1, 2 + F1, 3 + F1, 4 Observar que la fuerza actúa a lo largo de la línea imaginaria que une las cargas. CAMPO ELÉCTRICO 2DA LEY (LEY CUANTITATIVA) “La fuerza de atracción o repulsión qué existe entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional a la carga de cada cuerpo e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa” . Se le llama también ley de Coulomb. F= Es aquella región de espacio que rodea a una carga eléctrica y que está conformada por la materia en estado disperso. Este campo funciona como un transmisor mediante el cual una carga interacciona con otra que está a su alrededor. KQ1Q2 d2 Carga de prueba(q) Unidades F Q d K S.I. N C m 9 × 109 Sistema adicional dina stC cm 1 N − m2 C2 dina − cm2 bstCg 2 PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN En el caso de la presencia de varias cargas, la fuerza resultante es la suma vectorial de las fuerzas debido a cada una de las cargas. Carga ficticia que sirve para verificar si un punto está afectado del campo eléctrico generado por “Q”; si “q” sufre repulsión o atracción, significa que dicho punto está afectado del campo.
- 7. Electricidad 281 INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO (E ) Es aquella magnitud vectorial que nos indica cual es la fuerza que aplica el campo en un punto sobre la unidad de carga. Se le representa mediante un vector que tiene la misma dirección y sentido que la fuerza electrostática. Representación del campo eléctrico de una carga puntual positiva. F E = q E = Representación del campo eléctrico de una carga puntual negativa. KQ d2 Unidades de E en el S.I. Newton Coulomb Otras Unidades: dina statCoulomb OBSERVACIÓN Si se presentan varias cargas y se desea calcular el campo eléctrico en un punto “P”; se aplica el principio de superposición. LÍNEAS DE FUERZA Son líneas imaginarias creadas por Miguel Faraday y se utiliza para representar un campo eléctrico. Sus características son: − − − − − A) En una esfera conductora maciza o hueca en “equilibrio electrostático” el exceso de car, gas eléctricas se distribuye sobre la superficie externa. Las cargas eléctricas se repelen entre ellas y los electrones libres se alejan entre si lo más que puedan. ± Zona electrizada por frotamiento, inducción, etc. Después de un lapso muy pequeño de tiempo las cargas eléctricas regresan a su estado de reposo pero ahora ubicadas en la superficie externa del cuerpo. ± − Las líneas de fuerza comienzan en las cargas positivas y terminan en las negativas. El número de líneas que abandonan una carga puntual positiva o entran en una carga negativa es proporcional a la carga. Las líneas se dibujan simétricamente saliendo o entrando a la carga puntual. La densidad de líneas es proporcional al valor del campo. Las líneas de fuerza nunca se cortan. La tangente a la línea en cualquier punto es paralela a la dirección del campo eléctrico en ese punto. CAMPO ELÉCTRICO EN UNA ESFERA CONDUCTORA
- 8. Jorge Mendoza Dueñas 282 B) En una esfera conductora maciza o hueca en “equilibrio” el campo eléctrico en el interior de dicha , esfera es cero, como no hay campo eléctrico, tampoco habrá líneas de fuerza en el espacio interno, estas empezarán a partir de la superficie externa y serán perpendicular a dicha superficie. Si “E” fuese diferente de cero en el interior de la esfera, los electrones libres estarían en movimiento, lo cual contradice la condición del estado de reposo de las cargas eléctricas. C) Las líneas de fuerza son perpendicular a la superficies del conductor. Si tuviera una componente, las cargas se moverían sobre ella, lo cual no puede ser pues el cuerpo se encuentra en equilibrio electrostático. Para cualquier punto que se encuentre fuera de la esfera, la intensidad de campo eléctrico es igual al de una carga eléctrica situada en el centro de la esfera. En el punto “P”: E= KQ d2 Benjamin Franklin Nació en Boston, Estados Unidos, en 1706. En ese tiempo (siglo XVIII) era escaso el conocimiento sobre la electricidad. Fue entonces que Franklin, un periodista y autodidacta que había leído los escritos de los grandes científicos entre ellos los de Isaac Newton, empezó a interesarse por dicho tema recién a los 40 años de edad, paradójicamente con la historia de otros científicos que realizan la cumbre de sus investigaciones en plena juventud. Con él apareció una nueva rama de la ciencia después de Newton: La electricidad. Benjamín Franklin descubrió lo que hoy se conoce con el nombre de “conservación de la carga”, inventó el condensador plano paralelo, demostró que las nubes están eléctricamente cargadas, demostró también que el rayo es una descarga eléctrica, inventó el pararrayos. Todo en corto tiempo, ya que más tarde se dedicó a la política. Muchos afirman que Franklin no fue Científico puro, si no más bien inventor, sin embargo dichos inventos y demostraciones surgieron producto de una investigación científica. Falleció en 1 790 a los 85 años de edad.
- 9. Ciencia y Tecnología Electricidad 283 electrostática El peine atrae al cabello: atracción electrostática Al peinarnos, generamos frotamiento entre el peine y el cabello, hasta llegar cargar electrostáticamente dicho peine. Al acercar el peine cargado al cabello, se producen fuerzas de atracción electrostática, haciendo erizar los pelos de la persona. Esta experiencia se hace más evidente en la sierra que en la costa, ya que en este último, la humedad neutraliza las cargas del peine. Generador de Van de Graaff Este aparato es una máquina electrostática que sirve para producir cargas eléctricas extraordinarias en la superficie externa de una esfera conductora hueca. Para ello se hace uso de la propiedad de la distribución de cargas eléctricas en la superficie externa de una esfera conductora.
- 10. 284 Jorge Mendoza Dueñas Ciencia y Tecnología Xero Copiadora Xerox El principio está basado en el uso de una placa o tambor recubierta con un material semiconductor y fotoconductor, es decir cuando dicha placa recubierta es cargada electrostáticamente, en la oscuridad dichas cargas permanecen estáticas, ya que la placa se comporta como un perfecto aislante. Cuando la luz ingresa e incide en la placa recubierta, ésta se convierte en material conductora e inmediatamente empezarán a fluir las cargas hasta descargarse la zona en contacto con la luz. Al colocar la “original” (papel con texto o dibujo, el cual se quiere copiar) frente a la placa recubierta, la luz pasa por la original y luego llega a dicha placa; la zona donde incide la luz se hará conductora y por tanto se descargará, mientras que la zona donde no llega la luz seguirá cargada. Luego de esto, la placa es bañado por un polvo negro (toner) el cual se sentirá atraído por las cargas positivas y quedaran atrapados por ésta, formándose así la figura o texto deseado. Finalmente se coloca sobre la placa un papel el cual se cargará positivamente por el lado posterior; mediante un proceso de inducción electrostática, el otro lado del papel atraerá al toner de la placa y la figura o texto se trasladará a dicho papel; la imagen se fija al papel por acción del calor.