2150502_XX Trabajo Colaborativo Fase 1

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

Trabajo colaborativo fase 1 Unidad 1 Fuerza Eléctrica, Campo Eléctrico, Energía Potencial y Capacitancias

Presentado por xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Presentado a xxxxxxxxxxxxxxxxxx Ingeniero Electrónico Tutor Curso Electricidad y Electromagnetismo Grupo: xxxxxxxxxxxxx Chinchiná Caldas 21 - Marzo - 2015

INTRODUCCION

La sociedad actual se ha convertido en una sociedad dependiente de la electricidad. Si miramos a nuestro alrededor la cantidad de aparatos que depende directa o indirectamente de ella es tal, que no podemos imaginarnos un solo día sin ella. Iluminación de viviendas, electrodomésticos, relojes, ordenadores, móviles, motores de vehículos, semáforos, bombas de agua y un sinfín de aparatos que dependen de la electricidad. Sin embargo no necesitan el mismo tipo de corriente eléctrica todos los aparatos. Unos necesitan pequeñas corrientes continuas, como las que entregan las pilas y otros necesitan grandes corrientes alternas, como la que entrega la red eléctrica. La fuerza eléctrica es una fuerza significativamente poderosa, que puede ser atractiva o repulsiva, de carácter central y además es una fuerza conservativa. Es la responsable de los enlaces de la materia, explica el movimiento de los electrones en una pantalla de televisión, nos ayuda a comprender el fenómeno del galvanizado, justifica la estática de las nubes; es una fuerza especial de la naturaleza que está muy cerca de nosotros. Comprender y manejar los campos eléctricos estáticos, es decir, aquellos campos eléctricos que no dependen del tiempo, es muy importante para justificar y analizar el comportamiento de muchos equipos, dispositivos o fenómenos de la industria relacionados con este campo del saber. El paso de la corriente eléctrica por un conductor crea un campo magnético alrededor del conductor siguiendo la regla de la mano derecha. A este campo magnético generado eléctricamente se le llama electromagnetismo. El presente trabajo, tiene como objetivo, repasar los temas vistos en la primera unidad del módulo de estudio, a través del desarrollo de 4 ejercicios, el desarrollo de una experiencia práctica y la investigación de un tema relacionado con los temas de esta unidad y aplicado al programa que estamos estudiando.

1. Determinen la fuerza eléctrica que actúa sobre las cargas q 1 = + 1 x 10-6 C y q2 = + 2,5 x 10 C, las cuales se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.

-6

|Dibujen un esquema del ejercicio. La ley de coulomb dice que la fuerza eléctrica es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esto es:

F=k

(

q 1∗q 1 d

2

)

Donde F=Fuerza eléctrica entre lascargas ( N) q1 , q2 =Magnitudes de las cargas eléctricas bajo consideración ,(C ) d=Distancia de separación entre las cargas ,(m) k =Constante de proporcionalidad ,( Nm 2/C 2)

Teniendo en cuenta que k =9 x 10 9(N m 2 /C2 ) y d=5 cm=0,05 m

q2

+

q1

d = 5 cm

−6 −6 N m2 (1∗10 C∗2.5∗10 C) F=9 x 10 ( 2 ) C (0.05)2 m 9

F=90 N . Como la respuesta obtenida es de signo positivo (+) nos está indicando que la fuerza es de repulsión. La fuerza de repulsión tiene un módulo de 9N. Pero debemos indicar además en un esquema grafico las demás características del vector tal como se indica en el gráfico. ⃗ F

+

+ −6

q1 =+1 x 10

d=5

⃗ F −6

q 2=+2.5 x 10 C

2. Determinen el valor del campo eléctrico en un punto A sabiendo que si se coloca un electrón en dicho punto recibe una fuerza de F = 6,4 x 10-14 N. Recuerden que la carga del electrón es e- = -1,6 x 10-19 C. Dibujen un esquema del ejercicio. El campo eléctrico (E) en un punto en el espacio se define como la fuerza eléctrica actúa sobre una carga de prueba positiva

q0

F

que

colocada en dicho punto, dividida ente la

magnitud de la carga de prueba. Formula del Campo Eléctrico E=

F q0

,

Datos:

(N/C)

Newton

F=6,4 x 10−14 N . q0 =

−1,6 x 10−19 C .

E=

F q0

E=

6,4 x 10−14 N −19 −1,6 x 10 C .

E=−4 x 105 N /C

A

e-

Como la carga del electrón es negativa, el sentido de la fuerza es opuesto al del campo, dado que es una operación donde el escalar es negativo, el resultado del campo nos da negativo lo que nos está señalando que el vector fuerza y campo son colineales pero de sentidos opuestos. Respuesta: El campo eléctrico en el punto vale 4 x 105 N/C y además debemos indicar en un esquema gráfico las demás características del vector (dirección, sentido y punto de aplicación) tal como se indica en el esquema gráfico

3. Un campo eléctrico uniforme de valor 200 N/C tiene la dirección x positiva. Se deja en libertad una −6 carga puntual Q=3 x 10 C , inicialmente en reposo y ubicada en el origen de coordenadas. a) Cuál es el cambio en energía potencial del sistema, si la carga se desplaza desde x=0 m hasta x=4 m?

¿

B

V B −V A =−∫ ⃗ E . d ⃗l A

E=

−V AB N →−V AB =E∗d AB=−200 ∗4 m=−800 V → V AB=−800 V d AB C

b) ¿Cuál es la diferencia de potencial ΔV (0-4) = V (4m) - V (0m)?

W =U=V q

−6

−3

∆ U P=V AB∗Q=−800 V∗3. 10 C=2.4∗10 J

4. Calculen la capacidad equivalente a los condensadores: C1 = 3 mF, C2 = 6 mF y C3 = 12 mF, si: a)

están conectados en serie y b) están conectados en paralelo. Recuerden que el prefijo “ m ” es de “ mili ” y equivale a 10-3

a. Capacidad equivalente de los condensadores cuando están conectados en serie:

Cr =

1 1 1 + + 3 mF 6 mF 12mF

−1

Cr =5,83 X 10 mF

b. capacidad equivalente a los condensadores cuando están conectados en paralelo:

Cr =3 mF +6 mF +12mF

Cr =21 mF

5. Desarrollo de las actividades del entorno práctico.

PRACTICA 1 CARGAS ELECTRICAS Para entender bien lo que sucede con nuestro laboratorio vamos a partir del concepto que los elemento a utilizar tanto las esferas como el chaleco están configurados por protones y electrones lo que se denomina electricidad en estado de equilibrio es decir tenemos cargas eléctricas positivas y negativas cuando estas cargas son acumuladas observaremos fenómenos de atracciones o repulsiones 1. Frota la esfera azul en el chaleco

Es esta primera practica podemos observar que a medida que se va frotando el chaleco con la esfera azul se produce una fricción que inicia a cargar positivamente el chaleco y la esfera se carga negativamente, generando un fuerza de atracción entre los dos elementos. Los objetos están formados por átomos que tienen el mismo número de cargas positivas y de cargas negativas. Si no se ejerce una acción sobre ellos, se encuentran en equilibrio eléctrico y la suma de sus cargas es igual a cero. Por lo general las cargas están distribuidas de manera uniforme. 2. Frota la esfera amarilla en el chaleco y acércala a la esfera azul.

Electricidad por fricción es importante hacer una breve referencia fenómeno o principio de electricidad recordar al científico Griego Tales de Mileto 600 años A.C.

Al frotar la esfera amarilla en el chaleco después de cierto intervalo de tiempo la esfera amarilla y la azul se repelen ya que vemos que la esfera amarilla se alcanza a cargar negativamente, pero ambas esfera siguen atraídas directamente con el chaleco generando una fuerza de atracción debido a sus cargas eléctricas positivas (Chaleco) y negativas (esferas). 3. Frota la regla contra el chaleco y llévala al papel.

Al frotar la regla con el saco se produce una fricción donde se crea un desequilibrio de cargas el saco perdió electrones donde la regla quedo con una polaridad negativa como este desequilibrio no puede mantenerse en los cuerpos estos buscan equilibrarse nuevamente al tratar de equilibrarse la regla trata de expulsar esos electrones y lo hace sobre el papel picado hasta que llega un momento en que podría terminar esa atracción por causas secundarias como retirarlas forzadamente. El dipolo está constituido por dos cargas iguales y opuestas, colocadas muy cercanas entre sí, de tal manera que sus campos separados en puntos alejados casi se anulan, pero no totalmente. La regla al ser frotada con el chaleco es electrizada con carga negativa y al ser acercada a los trozos de papel estos son atraídos a la regla ya que estos tienen carga positiva.

4. Acerca la regla a las esferas

En este proceso podemos observar que al acercar la regla a las bolas se repelen ya que tanto las bolas como la regla tienen la misma carga negativa, pero a la vez observamos otro fenómeno que las bolas se ven como intermitentes y esto sucede que a la vez que estas se repelen son atraídas por el chaleco. En este caso cuando las dos esferas son frotadas con el chaleco se genera carga negativa en cada una mientras el chaleco genera cargas positivas, cuando la regla se frota con el chaleco pasa lo mismo la regla se carga con negativos, y al momento de acercar la regla que es de carga negativa con las esferas que también son de cargas negativas significa que cuando se tienen objetos cargados con la misma fuerza eléctrica tienden a rechazarse ya que cargas eléctricas de misma carga tienden a separarse.

5. Enciende y apaga la opción de ignorar el chaleco y observa la diferencia

La diferencia es que al deshabilitar la opción ignorar el chaleco, la esfera amarilla se desprende del chaleco y me permite observar que si le acerco la regla a la esfera amarilla esta se repele con la carga negativa de la regla sucede lo mismo con la esfera azul al acercar la regla se repelen. (Cargas del mismo signo se repelen (-) Fuerza de repulsión al acercar la regla esta intentara equilibrarse pero como la esfera se encuentra en las mismas condiciones no será posible. Observamos que al momento de poner la opción de quitar las cargas del chaleco la esfera azul ya no se tiende a atraer por las cargas del chaleco ya que fueron retiradas, tiende a caer por la fuerza de gravedad pero al mantener la otra esfera y la regla con la misma carga se mantienen separadas una de otra ya que por ser cargas iguales siguen rechazándose con la misma fuerza y ninguna se siente atraída por el chaleco.

PRACTICA 2 LEY DE COULOMB 1. Colocar dos cargar positivas

Podemos observar que en el primer caso al poner dos cargas del mismo valor y al acercarlas cada vez más se repelen con más fuerza esto se da ya que por ser de la misma carga al tratar de juntarlos cada vez más se va a querer separar por que se genera un desequilibrio eléctrico y se aplica una fuerza de contrarios. 2. Colocar dos cargas negativas

En el segundo caso que pide poner las dos cargas negativas ocurre exactamente lo mismo que en el primer caso ya que por ser cargas del mismo valor tienden a separarse con mayor fuerza y no permite que se junten por ningún motivo ya que se genera una fuerza de rechazo por tener cargas del mismo valor.

3. Coloca una carga positiva y una negativa

En este caso podemos observar que se cumple correctamente la teoría del equilibro eléctrico, en donde los polos opuestos se unen ya que por ser de cargas contrarias se atraen y entre más cerca estén más se atraen.

4. Coloca dos cargas con valores iguales y una con valor distinto.

En este caso podemos observar que al poner dos cargas del mismo valor y una de valor contrario se aplica el desequilibrio eléctrico y la fuerza ya que al juntar las dos cargas del mismo valor con un de valor contrario por la fuerza que tienen las dos cargas del mismo valor se repele de forma inmediata la carga de distinto valor y no permite que se junten las tres.

5. Coloca tres cargas con valores distintos.

En este caso al poner las tres cargas de valores distintos observamos que las dos cargas negativas se repelen generando un desequilibrio eléctrico, al tratar de acercar la carga positiva a las dos negativas se mantiene un campo de fuerza entre las dos negativas que hace que la del valor de carga positiva se mantenga en el medio de las dos y no se permite que se acerque a ninguna de las cargas de valor contrario. 6. Modifica la distancia entre las cargas.

Al modificar en este caso la distancia de alguna de las fuerzas negativas observamos que el campo que genera una de las cargas negativas ya no interfiere con el campo de la misma carga y así las cargas restantes que son la de valor negativo y positivo generan un equilibrio eléctrico y se atraen de forma normal sin tener ningún tipo de afectación en la atracción de cargas opuestas.

CONCLUSIONES 

El desarrollo del presente trabajo, nos sirvió para poder repasar los temas vistos en la primera unidad del módulo de estudio, poner en práctica a través de diferentes ejercicios de aplicación y una experiencia práctica lo visto, al mismo tiempo que nos permitió ampliar los conceptos de campo magnético aplicándolos a nuestro campo de estudio.



La obtención del campo eléctrico producido por una distribución de cargas puntuales se reduce esencialmente a un problema de suma de vectores.



En la electricidad estática por fricción de dos cuerpos de diferente naturaleza se friccionan entre si se producirá un desequilibrio eléctrico cuando uno pierde electrones y otro gana esos electrones y de ahí se originan los estados eléctricos de los cuerpos y podremos decir que un cuerpo está cargado eléctricamente negativo y el otro estará eléctricamente positivo.



El átomo es la unidad más pequeña que puede tener la materia y está compuesta principalmente por tres partículas subatómicas: los protones, los neutrones y los electrones.



Los cuerpos se encuentran en equilibrio al tener la misma cantidad de protones y electrones, pero se puede producir un desequilibrio al obtener o liberar electrones. Los cuerpos quedan cargados eléctricamente.



Al acercar cuerpos cargados eléctricamente, las cargas del mismo signo se repelerán y las cargas de diferente signo se atraerán.



Al poner en practica la teoría de coulomb podemos concluir que es la mejor forma práctica de conocer y aplicar las teorías de cargas y sus reacciones en diferentes posiciones y espacio mirando siempre y teniendo en cuenta que es importante tener claridad en los diferentes casos cuando las cargas son iguales o cuando son diferentes manipulando así con diferentes ejercicios prácticos y aplicando y definiendo cada caso con el nombre que se le da científicamente como la terminología de que es fuerza, cuando cumple o no un equilibrio o desequilibrio eléctrico y cuál es su razón de ser por medio de la aplicación usada.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Datateca.unad.edu.co/. (s.f.). campo electrico. Obtenido http://datateca.unad.edu.co/contenidos/2150502/U1_new/leccin_3__campo_elctrico.html

de

Datateca.unad.edu.co/. (s.f.). ley de coulomb. Obtenido http://datateca.unad.edu.co/contenidos/2150502/U1_new/leccin_2__ley_de_coulomb.html

de

Gettys, W. K. (s.f.). Carga y Campo Eléctrico. Obtenido de Física para Ciencias e Ingenierías,Tomo 2.: http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica3/170308/teo/teo1.pdf Portalacademico.cch.unam.mx. (s.f.). Cargas electricas. Obtenido http://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/aprende/fisica2/cargaselectricas

de

Portalacademico.cch.unam.mx. (s.f.). Ley Coulomb. http://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/aprende/fisica2/leyCoulomb

de

Rela,

Obtenido

A. (2010). Electricidad y Electronica. Obtenido http://www.ifdcvm.edu.ar/tecnicatura/Ciencias_Nat_y_las_Matematicas/5.pdf

de

Tipler, P. y. (2007). Física para la Ciencia y la Tecnología, Volumen 2. (5ª ed). Obtenido de Carga y Campo Eléctrico.: http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica3/170308/teo/teo1.pdf