Práctico Cero
Fundamento Teórico
La esencia de la electricidad es la carga eléctrica.
Existen dos clases distintas, que se denominan cargas positivas y negativas.
Estas tienes dos cualidades fundamentales:
·
Cargas iguales se repelen.
·
Cargas distintas se atraen.
Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas,
sino que el proceso de adquirir cargas eléctricas consiste en ceder
algo de un cuerpo a otro, de modo que una de ellas posee un exceso y la otra un
déficit de ese algo (electrones). Coulomb
ideó un método ingenioso para hallar como depende de su carga
la fuerza ejercida por o sobre un cuerpo cargado. Para eso
se basó en la hipótesis de que si un conductor esférico cargado se pone
en contacto con un segundo conductor idéntico, inicialmente descargado, por
razones de simetría la carga del primero se reparte por igual entre ambos. De
este modo dispuso de un método para obtener cargas iguales a la mitad, la
cuarta parte, etc., de cualquier carga dada. Los resultados de sus experimentos están de acuerdo con la conclusión de que la
fuerza entre dos cargas puntuales, q y q', es proporcional al producto de éstas. La expresión completa de la fuerza
entre dos cargas puntuales es.
Ley de Coulomb
Este teorema aplicado al campo eléctrico creado por
una carga puntual es equivalente a la ley de Coulomb de la interacción electrostática.
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb
Según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas.
2.- Expresión matemática. La ley de Coulomb
Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10-9 Nm2/C2.
Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio
material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas
eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a
la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia
que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La comprobación experimental de la
existencia de un campo eléctrico en un punto cualquiera consiste simplemente en
colocar un cuerpo cargado en dicho punto, este cuerpo de denomina carga de
prueba, existe un campo eléctrico en el punto. Se dice
que existe un campo eléctrico en un punto si sobre un cuerpo cargado en dicho
punto se ejerce una fuerza de origen eléctrico. Dado que la fuerza es
una magnitud vectorial, el campo eléctrico es un campo de vectores cuyas propiedades quedan determinadas si se
especifican el valor (módulo), la dirección y el sentido de una fuerza eléctrica.
Intensidad de campo eléctrico
La carga eléctrica de los cuerpos altera el espacio
que los rodea. La magnitud que mide esta alteración en un punto determinado es
la intensidad del campo
eléctrico en dicho punto. Se define como la fuerza ejercida sobre
la unidad de carga positiva situada en ese punto. En la escena siguiente
dispones de un punto azul móvil; imaginarás que lleva una carga de 1 Culombio
cuando hayas creado un campo eléctrico a su alrededor.
Donde Q es la carga puntual que genera el campo
eléctrico r, la distancia entre la carga que genera el campo y el punto (P)
donde se quiere terminar la intensidad del campo. Si se supone que la
prueba (qo) colocada
en (P), se experimentara una fuerza dada por:
Se sabe que el valor del campo en P viene dado por:
Si la fuerza en la primera expresión se reemplaza por la segunda se obtiene:
La anterior formula sirve para calcular el campo
eléctrico generado por la carga Q a una distancia r. Se observa que el campo
depende de la carga que lo genera y de la distancia de la carga al punto donde
se calcula.
El flujo del campo eléctrico a través de una
superficie cerrada arbitraria permite formular la ley de Gauss, lo que es
equivalente a la dependencia de la interacción electrostática de la inversa del
cuadrado de la distancia.
Para aplicar la ley de Gauss a una distribución de cargas, es necesario seguir una cierta estrategia:
1.
Determinar la dirección del campo
eléctrico, de acuerdo a la simetría de la distribución de cargas (esférica,
cilíndrica, plana).
2.
3.
Elegir una superficie cerrada
apropiada que contenga carga, y calcular el flujo.
4.
Calcular la carga en el interior
de la superficie cerrada.
5.
Aplicar la ley de Gauss y
despejar el módulo del campo eléctrico.
Enunciado del teorema de Gauss: Si en una región del
espacio existen N cargas qi, cada una creando un campo eléctrico de
la forma:
Entonces:
En física y en análisis matemático, la ley de Gauss relaciona el flujo
eléctrico a través de una superficie cerrada y la carga eléctrica encerrada en
esta superficie. De esta misma forma, también relaciona la divergencia del
campo eléctrico con la densidad de carga.
También llamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva
unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; en realidad se
habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB). La
unidad de diferencia de potencial es el (V).
Un generador de corriente eléctrica permite mantener
una diferencia de potencial constante y, en consecuencia, una corriente
eléctrica permanente entre los
extremos de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de
potencial, los distintos conductores difieren entre sí en el valor de la
intensidad de corriente obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo.
Existe una relación de proporcionalidad, dada por la ley de Ohm, entre la diferencia de potencial entre los extremos
de un conductor y la intensidad que lo recorre. La constante de
proporcionalidad se denomina resistencia del
conductor y su valor depende de su naturaleza, de sus dimensiones geométricas y
de las condiciones físicas, especialmente de la temperatura.
La diferencia de potencial entre dos puntos de un
circuito se mide con un voltímetro, instrumento que se coloca siempre en
derivación entre los puntos del circuito cuya diferencia de potencial se quiere
medir.
En lugar de manejar directamente la energía potencial
Ep de una partícula cargada, es útil introducir el concepto más general de
energía potencial por unidad de carga. Esta magnitud se denomina potencial; el
potencial en cualquier punto de un campo electrostático se define como la
energía potencial por unidad de carga en dicho punto.
El potencial se representa por la letra v. Tanto la
energía potencial como la carga son escalares, de modo que el potencial es una
magnitud escalar.
La diferencia Va-Vb se denomina diferencia de
potencial a y b, y se designa abreviadamente por Vab. El término
"diferencia de potencial" se sustituye a veces por el de
"voltaje" entre a y b. La diferencia entre b y a, Vb-Va es opuesta a
la que existe entre a y b:
Vab=Va-Vb = -(Vb-Va)=-Vba
Considérese una carga de prueba positiva (qo) en
presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B
conservándose siempre en equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la
diferencia de potencial eléctrico se define como:
El trabajo (WAB) puede
ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial eléctrico en B será
respectivamente mayor, menor o igual que el potencial eléctrico en A. La unidad
en el SI para la diferencia de potencial que se deduce de la ecuación anterior
es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el voltio, esto es:
1 voltio = 1 Joule/Coulomb.
Un electrón volt (eV) es la energía adquirida para un
electrón al moverse a través de una diferencia de potencial de 1V, 1 eV =
1,6x10^-19 J. Algunas veces se necesitan unidades mayores de energía, y se usan
los kiloelectrón volts (keV), megaelectrón volts (MeV) y los gigaelectrón volts
(GeV). (1 keV=10^3 eV, 1 MeV = 10^6 eV, y 1 GeV = 10^9 eV).
Aplicando esta definición a la teoría de circuitos y desde un punto de vista más intuitivo, se
puede decir que el potencial eléctrico en un punto de un circuito representa la
energía que posee cada unidad de carga al paso por dicho punto. Así, si dicha
unidad de carga recorre un circuito constituyéndose en corriente eléctrica,
ésta irá perdiendo su energía (potencial o voltaje) a medida que atraviesa los
diferentes componentes del mismo. Obviamente, la energía perdida por cada
unidad de carga se manifestará como trabajo realizado en dicho circuito
(calentamiento en una resistencia, luz en una lámpara, movimiento en un motor, etc.). Por el contrario, esta energía perdida se
recupera al paso por fuentes generadoras de tensión. Es conveniente
distinguir entre potencial eléctrico en un punto (energía por unidad de carga
situada en ese punto) y corriente eléctrica (número de cargas que atraviesan
dicho punto por segundo).
Desarrollo de las Actividades
Actividad 1
OBJETIVO
Ø Motivar el trabajo en clase
Introducción
Este experimento permite que los estudiantes se
interesen en discutir sobre la ciencia.
Este experimento es una opción de cómo trabajar en
clase, para empezar el tema o para hacer un popurrí de prácticos permita
mostrar fenómenos físicos relacionados con la electricidad y el magnetismo,
temas que se encuentran en primer año de bachillerato
Este tipo de actividad puede ser motivadora, porque su proximidad a nuestra
experiencia cotidiana.
Tema: Electrostática
Son los motivadores de ellos porque son más próximos
de nuestra experiencia cotidiana.
Materiales
ü Varilla de plástico
ü Péndulo electroestático esfera de metal
ü Hilo
ü Soporte aislado aislante
ü Paño
Desarrollo de la actividad
En primera instancia vamos a frotar la varilla de plástico con el paño
Aproximamos la varilla de plástico frotada al péndulo
electroestático
Al frotar se están cargando, tanto la varilla como el
paño. En este proceso se busca que una parte del sistema quede cargada positivamente y otra
negativamente.
Luego cuando aproximamos esta varilla cargada al
péndulo electroestático tenemos un efecto de atracción, pero cuando taca a la varilla
se repele, a la parte de atracción se llama inducción y el contacto es otro proceso.
Actividad 2
OBJETIVO
Ø Motivar el trabajo en clase
Materiales
ü Globo
ü Varilla de plástico
ü Paño hilo
Desarrollo de la actividad
En primera instancia vamos a frotar la varilla de plástico sobre el paño
Aproxime la varilla de plástico frotada, sobre el
atado en el hilo
Frotar el globo sobre su pelo, y aproximar este sobre
la puerta.
Luego cuando
aproximamos esta varilla cargada al globo atado en el hilo, tenemos un efecto
de atracción, en este no hay repulsión porque el proceso ya no es mas de
inducción y si de polarización.
El proceso por el cual cargo el globo es el de
fricción http://www.google.com/search?aq=0&oq=experimentos++de+carga&sugexp=chrome,mod=6&sourceid=chrome&ie=UTF-8&q=experimentos+de+cargas+electricas#hl=es&sa=X&ei=W-XoT4zxIa2N6AHHxeD4DA&ved=0CFMQBSgA&q=imagenes+experimentos+de+cargas+electricas&spell=1&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.r_qf.,cf.osb&fp=f1dcd791614d2b84&biw=1138&bih=535
Actividad 3
OBJETIVO
Ø Motivar el trabajo en clase
Materiales
ü Vela fosfora
ü Varilla de plástico
ü Paño
ü Soporte
ü Globo
Desarrollo de la actividad
En primera instancia vamos a frotar la varilla de plástico sobre el paño
Aproxime la varilla de plástico frotada, sobre el
atado en el hilo
Frotar el globo sobre su pelo, luego aproximar la canilla con agua corriente
Frotar el globo sobre su pelo, luego aproximar el globo a la llama de la vela
La llama de la vela son partículas cargadas, en teoría
si es un proceso de electrización, puedo
inducir las cargas que están alrededor de la vela y deformar la llama de la
vela.
Al cercar el
globo sobre el chorro de agua laminada
se produce en fenómeno de atracción. El agua está cargada, porque se mueve por
la cañería, se carga electroestáticamente
Luego de haber
flotado el globo sobre el paño y aproximarla a la llama de la vela, en
teoría si es un proceso de
electrización, puedo inducir las cargas que están alrededor de la vela y
deformar la llama de la vela..
Actividad 4
OBJETIVO
Ø Motivar el trabajo en clase
Materiales
ü Electroscopio casero
ü Electroscopio profesional
ü Para analiza
los fenómeno electroestáticos generalmente se utiliza un electroscopio
Electroscopio
El electroscopio es un aparato que permite detectar la
presencia de campos eléctricos en un cuerpo e identificar el signo de los
mismos.
El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica
vertical que tiene una esfera en la parte superior (gaz) y en el extremo opuesto dos láminas deoro o de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de
una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la
esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de
electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la
cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se
equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las
láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede
determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera.
Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo
tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y
el electroscopio tienen signos opuestos.
Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello
la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo
eléctrico o se
descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire
ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la
radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos. El
electroscopio de hojuelas de oro fue inventado por William Guilbert en 1600.1
Explicación
de su funcionamiento
Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la
presencia de un objeto cargado aprovechando el fenómeno de separación de cargas
porinducción.
Si acercamos un cuerpo desnudo cargado con carga positiva, por
ejemplo un bolígrafo que ha sido frotado con un paño, las cargas negativas del
conductor experimentan una fuerza atractiva hacia el bolígrafo. Por esta razón
se acumulan en la parte más cercana a éste. Por el contrario las cargas
positivas del conductor experimentan una fuerza de repulsión y por esto se
acumulan en la parte más lejana al bolígrafo.
Lo que ha ocurrido es que las cargas se han desplazado, pero la
suma de cargas positivas es igual a la suma de cargas negativas. Por lo tanto
la carga neta del conductor sigue siendo nula.
Consideremos ahora que pasa en el electroscopio. Recordemos que un
electroscopio está formado esencialmente por un par de hojas metálicas unidas
en un extremo. Por ejemplo una tira larga de papel de
aluminio doblada al
medio.
Si acercamos el bolígrafo cargado al electroscopio, como se indica
en la figura, la carga negativa será atraída hacia el extremo más cercano el
bolígrafo, mientras que la carga positiva se acumulará en el otro extremo, es
decir que se distribuirá entre las dos hojas del electroscopio.
La situación se muestra en la figura: los dos extremos libres del
electroscopio quedaron cargados positivamente y como las cargas de un mismo signo
se rechazan las hojas del electroscopio se separan.
Si ahora alejamos el bolígrafo, las cargas positivas y negativas
del electroscopio vuelven a redistribuirse, la fuerza de repulsión entre las
hojas desaparece y se juntan nuevamente.
¿Qué pasa si tocamos con un dedo el extremo del electroscopio
mientras esta cerca del bolígrafo cargado? La carga negativa acumulada en ese
extremo "pasará" a la mano y por lo tanto el electroscopio queda
cargado positivamente. Debido a esto las hojas no se juntan cuando alejamos el
bolígrafo
Determinación
de la carga a partir del ángulo de separación de las láminas
Electroscopio simplificado
.
Un modelo simplificado de electroscopio consiste, en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos
hilos de longitud l, tal
como se indica si la figura. A partir de la medida del ángulo Φ que forma una esfera con la vertical,
se puede calcular su carga q.
En el equilibrio: T sinΦ=F (1) y T cosΦ=mg (2).
Dividiendo (1) entre (2) miembro a miembro, se obtiene:
Midiendo el ángulo θ se obtiene, a partir de la fórmula anterior,
la fuerza de repulsión F entre las dos esferas cargadas.
y
Entonces, como "l" se conoce y "F" ha sido calculado, despejando "q" se obtiene
Queda demostrada entonces la utilidad del electroscopio para
determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo (+ -).
Actividad 5
Materiales
Martillo piezo eléctrico
Desarrollo de la actividad
Los fenómenos electroestáticos se pueden conseguir por un procedimiento
menos conocido por el gran público, pero
muy usando por casi todos (ejemplo los encendedores a presión electroestáticos,
generalmente poseen una piedrita de cuarzo que es un material Piezo eléctrico;
producen electricidad a partir de la presión, si cambiamos la presión en un
pedazo de cuarzo esta produce una chispa eléctrica), la chispa eléctrica se
produce debido a la diferencia potencial, conseguida al apretar la pieza de
cuarzo con un material.
Cristian Netto Cardozo, Física2 Cerp del Norte
Qué aplicaciones tiene un capacitor?
