01° Clase - Carga Eléctrica y Ley de Coulomb

Centro de Docencia de Ciencias Básicas para Ingeniería

Unidad de Aprendizaje 1: Carga y Fuerza Eléctrica

Profesores: Sebastián Acevedo Humberto Castaing Juan Carlos Osorio

Carga Eléctrica 

La electricidad reside en la materia sin importar su estado (sólido, líquido, o gaseoso). “Toda la materia del universo es esencialmente eléctrica por naturaleza. Los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos que forman las moléculas, se  deben a interacciones eléctricas entre los átomos”. Estructura Atómica : Protones Neutrones Electronos ���������

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Carga Eléctrica La Carga Eléctrica es una propiedad intrínseca de las partículas dentro de los átomos que componen la materia. 

“Cuando decimos que un objeto está cargado, lo que queremos decir es que tiene un exceso de carga; que puede ser positiva (deficiencia de electrones) o negativa (exceso de electrones)”

“Ionización, corresponde a la pérdida o ganancia de electrones”  Un ión positivo a perdido electrones. Un ión negativo a ganado electrones .

 Ley de Polaridad   Dos cargas positivas o  negativas se repelen. Una carga positiva y otra  negativa se atraen.

Carga Eléctrica Ejemplos de objetos cargados eléctricamente:

Carga Eléctrica  Electrostática (electricidad estática) “Fenómeno que se debe a la acumulación de carga eléctrica en un objeto” “Es la interacción de cargas eléctricas en reposo.” 

La madre y la hija disfrutan de los efectos de cargar eléctricamente sus cuerpos, cada cabello de su cabeza se carga y ejerce una fuerza de repulsión con el resto de los cabellos dando como resultado el efecto que se observa.

Carga Eléctrica  El Electroscopio “Instrumento que permite detectar la presencia de un cuerpo u objeto  cargado eléctricamente por el fenómeno de separación de cargas por inducción”  Creador del Electroscopio

¿Qué ocurre en el Electroscopio?

William Gilbert, Médico Ingles (1544 – 1603)

Carga Eléctrica Cargas Inducidas Inducción eléctrica, es el traspaso de carga eléctrica sin el contacto entre dos cuerpos. Ejemplo Carga Inducida: Inicialmente se tiene una esfera metálica Neutra, con números iguales de cargas positivas y negativas. Los electrones en la esfera neutra se redistribuyen cuando una barra de goma se coloca cerca de la esfera. Cuando se pone a tierra la esfera, algunos de sus electrones se van a través del alambre de tierra. Cuando se quita la conexión tierra, la esfera tiene exceso de carga positiva que se distribuye de manera NO uniforme. Cuando se quita la barra de goma, los electrones restantes se redistribuyen uniformemente y se provoca una red de distribución uniforme con la carga positiva en la esfera.

Carga Eléctrica Conductores y Aislantes Conductividad, es la capacidad de conducir electrones. Metales en general son conductores. En un metal, la carga eléctrica se extiende en todo su espacio.

“Se puede decir que los metales abren las puertas a los electrones”

Aislamiento, es la resistencia a la conducción de electrones. Los materiales aislantes evitan el paso de los electrones. En un aislante, la carga eléctrica permanece donde está.

Plástico Madera Cerámica

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ley matemática de atracción y repulsión entre cargas puntuales 

La Carga eléctrica es una causa de la Fuerza eléctrica.

Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806) Físico e Ingeniero Francés

¿Qué relación hay entre carga y fuerza eléctrica?

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos  cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.

donde usaremos Ɛ 0

es la Permitividad Eléctrica del Vacio

Para efectos de cálculo, consideraremos  K con el siguiente valor:

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Dos cargas puntuales separadas por una distancia “ r”, ejercen una fuerza que está dada por la Ley de Coulomb. Ejemplo Conceptual: La fuerza F21 ejercida por q2 sobre q1, es igual en magnitud que la fuerza F 12 ejercida por q1 sobre q2, pero su dirección varía según el signo (polaridad) de las cargas.

Cuando dos cargas son de signos iguales, la fuerza es repulsiva.

Cuando dos cargas son de signos opuestos, la fuerza es atractiva.

En ambos casos las fuerzas obedecen a las tercera Ley de Newton:

Fuerza Eléctrica

Ley de Coulomb

Principio de Superposición de Fuerzas Cuando dos cargas puntuales ejercen fuerzas simultáneamente sobre una tercera caga, la fuerza total que actúa sobre esa tercera carga, es la suma vectorial de las  fuerzas que las dos cargas ejercen individualmente.

Ejemplo Conceptual: La fuerza que ejerce q 1 sobre q3 es F13 La fuerza que ejerce q 2 sobre q3 es F23 Por lo tanto:

La fuerza resultante ejercida sobre q 3 es la suma vectorial de F 13 y F23  El Principio de Superposición de  Fuerzas es válido para cualquier  número de cargas.

Fuerza Eléctrica

Ley de Coulomb

Principio de Superposición de Fuerzas Ejemplo Conceptual: Si la fuerza resultante que actúa en q 3 es cero: La fuerza F13 ejercida por q1 sobre q3 , dirección contraria a la fuerza F 23 ejercida por q2 sobre q3. La distancia x depende del valor de las cargas q1 y q2 para que la magnitud de las fuerzas sean iguales.

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ejercicio Ejemplo 1: Dos Cargas puntuales, q1= +50 nC y q2= -100 nC, están separadas por una distancia de 2 cm. Encuentre la magnitud y la dirección de: a) La fuerza eléctrica que q 1 ejerce sobre q2 b) La fuerza eléctrica que q 2 ejerce sobre q1

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ejercicio Ejemplo 2: Dos cargas puntuales están situadas en el eje positivo de las x de un sistema de coordenadas. La carga q1= 1 nC está a 2 cm del origen, y la carga q2= -3 nC está a 4 cm del origen. ¿Cuál es la Fuerza total que ejercen estas cargas sobre una carga q3= 5 nC situada en el origen?

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb

Ejercicio Ejemplo 3: En la figura. Con q1 = q3 = 7 uC, = . . 2= Determinar la fuerza resultante que se ejerce sobre q3.

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ejercicio Ejemplo 4: Una carga puntual de 24 nC se coloca a 6 cm de una carga de -12 nC, en un mismo eje horizontal. Encontrar: a) Fuerza resultante sobre una carga de 3 nC colocada en el punto medio que une las dos cargas dadas. b) ¿En que punto debe colocarse una carga de 6 nC para que la fuerza resultante sobre ella sea nula?.

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ejercicio Propuesto 1: Dado el sistema de la figura que sigue, donde q 1= 20 nC; q2= 1 nC; q3= -40 nC; Q= 1 nC; a= 6 cm y b= 8 cm. Determinar la Fuerza resultante en Q.

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ejercicio Propuesto 2: Tres cargas puntuales iguales a q, se encuentran ubicadas en los vértices de un triángulo equilátero de lado  a, como . Determine la magnitud de la fuerza eléctrica que experimenta cada una de ellas

Fuerza Eléctrica Ley de Coulomb Ejercicio Propuesto 3: Dos pequeñas esferas de masa m están suspendidas de un punto común mediante cuerdas de longitud L. Cuando cada una de las esferas tiene carga q, las cuer as orman un ngu o con a vert ca como indica la figura. a) Demuestre que la carga q viene dada por donde k es la constante de Coulomb. b) Determine q si m = 10g, L = 50cm y θ = 10°