Física, Electricidad y Magnetismo PDF

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Física, Electricidad y Magnetismo Ing. Danny Ochoa Correa, PhD. Carreras: Ingeniería en Electricidad Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones [email protected] Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  En este capítulo se estudia la “electros...

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Física, Electricidad y Magnetismo Ing. Danny Ochoa Correa, PhD. Carreras: Ingeniería en Electricidad Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones

[email protected]

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

 En la antigüedad (600 A.C.), los griegos descubrieron que cuando frotaban ámbar contra lana, el ámbar atraía otros objetos.  La palabra “eléctrico” se deriva del término griego elektron, que significa ámbar.

Danny Ochoa Correa, PhD. 2020©

 En este capítulo se estudia la “electrostática”, es decir, la interacción entre cargas eléctricas en reposo.

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

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 Carga eléctrica: Experimentos de electrostática.

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

Benjamín Franklin (1706-1790) observó que los cuerpos se cargaban de dos modos distintos de forma que: Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una negativa se atraen.

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 Carga eléctrica

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico

 Por tanto, en el ejemplo anterior:  La piel “transfiere” electrones al plástico (cargándose este último negativamente).  El vidrio “trasfiere” electrones a la seda (cargándose el primero positivamente).

Video: experimentos electrostática

Piel

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 Experimentos realizados a lo largo de la historia han permitido clasificar a los materiales en una serie “triboeléctrica”. En esta serie, cuanto más baja es la ubicación de un material, mayor es su afinidad por captar electrones.

Más facilidad de captar electrones

1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico  Física atómica (repaso)

(1808) Una partícula maciza cuya masa dependía del elemento. (1897) Planteó la existencia de electrones impregnados en la partícula maciza del modelo de Dalton.

(1911) El átomo no es una partícula maciza sino que tiene espacios vacíos que no ocupan ni los electrones ni su núcleo. Fuente: https://www.timetoast.com/timelines/models-of-atoms--2

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1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo (1913) Modelo atómico eléctrico planetario: los electrones  Física atómica (repaso)

(1920-actualidad) Desarrollado por: Schrödinger y Heisenberg. Respeta el modelo planetario de Bohr pero la posición de los electrones es incierta y se define mediante funciones probabilísticas. Fuente: https://www.timetoast.com/timelines/models-of-atoms--2

Video: curiosidades subatómicas

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1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

orbitan el núcleo del átomo. (1932) Demostró que el núcleo del átomo está formado por protones y neutrones.

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo Átomo de eléctrico Litio 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades Número atómico (Z): número de electrones que posee un átomo. Electrones por órbita/nivel: Desde la órbita interna hacia la externa (valencia) Masa atómica (M): Peso del átomo en [g/mol]

Elemento de la tabla periódica Tabla periódica en línea: https://www.ptable.com/?lang=es

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 Física atómica (repaso)

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

 Un átomo neutro tiene tantos electrones como protones.  Si un átomo ha ganado o perdido electrones, ha experimentado un fenómeno conocido como “ionización”.  Un ion positivo tienen un déficit de electrones.  Un ion negativo tiene exceso de electrones

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 Física atómica (repaso)

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  Un cuerpo cargado positivamente (carga eléctrica neta positiva) es aquel que ha perdido un determinado número de electrones.  Un cuerpo cargado negativamente (carga eléctrica neta negativa) es aquel que ha ganado un determinado número de electrones.  Dado que la cantidad de electrones transferidas de un material a otro es un número entero, la carga neta de cualquier cuerpo es un múltiplo de “e-” que es la carga del electrón. Por tanto, la carga está cuantizada (no es continua, aunque a fines prácticos lo parezca). Número de Carga de un − electrones Q = N  e material [C] Coulomb [A·s] Número de Avogadro: número de moléculas/átomos de cualquier sustancia.

Carga del electrón: unidad fundamental de carga eléctrica.

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 Cuantización de la carga

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante.

En cualquier proceso de carga, ésta no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro.

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 Conservación de la carga

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

Impresora láser

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 Aplicaciones de la electrostática:

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.1. Carga eléctrica y sus propiedades

Video: Pintura con fijación electrostática

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 Aplicaciones de la electrostática:

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.2. Ley de Coulomb

La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si las cargas tienen signos opuestos.

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 En 1784 Charles Coulomb estudió minuciosamente las fuerzas de atracción/repulsión de partículas cargadas. Concluyó que:

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.2. Ley de Coulomb

Las dos fuerzas obedecen la tercera ley de Newton; siempre tienen la misma magnitud y dirección opuesta, aun cuando las cargas no tengan igual magnitud.

Los vectores de fuerza se sitúan sobre la línea que separa a las cargas

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 Formulación:

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.2. Ley de Coulomb

Escalar

Vector

Cte. de Coulomb

k= Permitividad eléctrica del vacío (constante dieléctrica)

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 Formulación:

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.2. Ley de Coulomb

Vector unitario de distancia

La fuerza siempre está a lo largo de la recta que une las cargas

Cargas puntuales: cuerpos cargados que son muy pequeños en comparación con la distancia que los separa.

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 Formulación:

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico 1.2. Ley de Coulomb  a) ¿Cuál es el módulo de la fuerza electrostática ejercida por el protón sobre el electrón?  b) Cuantificar el orden de magnitud de esta fuerza (aceleración sobre el electrón) y comparar con la aceleración de la gravedad terrestre.  c) Relacionar esta fuerza electrostática con la fuerza gravitacional ejercida sobre las mismas partículas. ¿Qué conclusión se saca de esta comparativa? Este número tan asombrosamente grande muestra que, en esta situación, la fuerza gravitatoria es despreciable por completo en comparación con la fuerza eléctrica. Ello siempre se cumple para interacciones de partículas atómicas y subatómicas. No obstante, para objetos del tamaño de un ser humano, de un planeta o de las estrellas, las cargas positivas y negativas prácticamente se neutralizan; en tanto que la fuerza eléctrica neta por lo general es mucho menor que la gravitatoria.

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 Ejercicio 1: En el átomo de hidrógeno, el electrón está separado del protón por una distancia promedio de aproximadamente 5.3x10-11m.

Capítulo 1: Cargas, fuerzas y campo eléctrico  Ejercicio 2: En la fisión nuclear, el núcleo del uranio-238 (el cual contiene 92 protones) es dividido en dos pequeñas esferas, cada una con 46 protones y un radio de 5.9x10-15m. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza repulsiva entre las dos esferas?

Fin de la LECCIÓN 1

Video: Fisión nuclear (Extracto serie Chernobyl)

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1.2. Ley de Coulomb...