Naturaleza eléctrica de la materia, electrostática y conservación de la carga

TEMA 19 NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA. ELECTROSTÁTICA.

DISCONTINUIDAD Y CONSERVACIÓN DE LA CARGA. CARACTER CONSERATIVO DEL CAMPO ELECTROSTÁTICO. ESTUDIO ENERGÉTICO DE LA INTERACCIÓN ELÉCTRICA.Contenido

1. INTRODUCCIÓN 4
2. CARGA ELÉCTRICA 4

3. PROPIEDADES DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS, mirar internet 5

4. CONDUCTORES, SEMI-CONDUCTORES y AISLANTES 6
5. LEY DE COULOMB 7
6. EL CAMPO ELÉCTRICO Debuxo de como visualizalo 8

7. CAMPO ELÉCTRICO DE UNA CARGA PUNTUAL 9

8. SUPERPOSICIÓN DE CAMPOS ELÉCTRICOS 10

9. CAMPO ELÉCTRICO DEBIDO A DOS CARGAS. DIPOLOS ELÉCTRICOS 11

10. LINEAS DE CAMPO ELÉCTRICO 12

11. FLUJO ELÉCTRICO 13
12. LEY DE GAUSS 14

13. CARGA PUNTUAL DE UNA SUPERFICIE ESFÉRICA. ... 14

14. CARGA PUNTUAL DENTRO DE UNA SUPERFICIE NO ESFÉRICA 15

15. FORMA GENERAL DE LA LEY DE GAUSS 16

16. APLICACIONES DE LA LEY DE GAUSS A VARIAS DISTRIBUCIONES DE CARGA 17

17. CAMPO DE UNA ESFERA CONDUCTORA CON CARGA. 17

18. CAMPO DE UNA ESFERA CON CARGA UNIFORME 18

19. CAMPO DE UNA CARGA LINEAL 19

20. CAMPO DE UNA LÁMINA PLANA INFINITA CARGADA. 20

21. CAMPO ENTRE LAMINA CONDUCTORAS PARALELAS CON CARGAS OPUESTAS 21

22. CARGAS EN CONDUCTORES 22

23. CONDUCTOR CON UNA CAVIDAD 22

24. JAULA DE FARADAY por exemplo de exercicio para os chavales 23

25. CAMPO EN LA SUPERFICE DE UN CONDUCTOR 23

26. ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA 24

27. ENERGIA POTENCIAL ELÉCTRICA EN UN CAMPO UNIFORME 25

28. ENERGIA POTENCIAL ELÉCTRICA DE DOS CARGAS PUNTUALES 26

29. ENERGIA POTENCIAL ELÉCTRICA DE VARIAS CARGAS PUNTUALES 27

30. POTENCIAL ELÉCTRICO 28

31. RELACIÓN ENTRE POTENCIAL Y CAMPO ELÉCTRICO 28

32. SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES 30

33. POTENCIAL DE UN DIPOLO ELÉCTRICO 318.3. POTENCIAL ELÉCTRICO DEBIDO A DISTRIBUCIONES DE CARGA CONTINUAS 32

34. POTENCIAL ELÉCTRICO A CAUSA DE UN CONDUCTOR CON CARGA 32
35. INNOVACIÓN 33
36. RELACIÓN CURRICULAR 34
37. CONCLUSIÓN 34

1. INTRODUCCIÓN

"¿Alguna vez te has preguntado por qué sientes una pequeña descarga al tocar una puerta después de caminar sobre una alfombra? ¿ O qué hace que tu cabello se ponga de punta cuando frotas un globo en tu cabeza? Bienvenidos al emocionante mundo de la 'Naturaleza Eléctrica de la Materia'. Aquí, exploraremos no solo estas preguntas cotidianas, sino que nos adentraremos en los secretos fundamentales del electromagnetismo que gobiernan el universo. ¿ Estás listo para descubrir las fuerzas invisibles que dan forma a nuestro mundo?"

2. CARGA ELÉCTRICA

Definición de Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que determina su interacción electromagnética. Es una de las propiedades fundamentales de la materia, comparable en importancia a la masa. La existencia de carga eléctrica es la razón por la cual las partículas subatómicas ejercen fuerzas atractivas o repulsivas unas sobre otras, a través del campo electromagnético.

Tipos de Carga Eléctrica

Existen dos tipos fundamentales de carga eléctrica, conocidas como carga positiva y carga negativa. Estas cargas se caracterizan por su capacidad de atraerse y repelerse entre sí: cargas del mismo tipo se repelen, mientras que cargas de tipos opuestos se atraen. Esta dualidad es esencial para la comprensión de la interacción electromagnética:

• Carga Positiva: Asociada generalmente con los protones, que se encuentran en el núcleo atómico.
• Carga Negativa: Asociada con los electrones, que orbitan alrededor del núcleo atómico.

Ejemplos de Carga Eléctrica

• Electricidad Estática: La acumulación de carga en un objeto, como cuando frotamos un globo contra el cabello, resulta en que el globo adquiere una carga que puede atraer objetos ligeros.
• Rayos en una Tormenta: Las nubes se cargan eléctricamente a través del movimiento y fricción de partículas de agua y hielo, lo que eventualmente puede resultar en una descarga eléctrica masiva, o rayo, hacia la tierra.

Unidad de Carga Eléctrica

La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Coulomb (símbolo: C). Esta unidad se define en términos de la corriente eléctrica, donde un Coulomb es igual a la cantidad de carga transferida por una corriente de un amperio en un segundo.

Historia de la Carga Eléctrica

La comprensión de la carga eléctrica ha evolucionado significativamente a lo largo de la historia:

• Antigua Grecia: Los griegos antiguos notaron que frotar ámbar con piel podía atraer objetos ligeros, una de las primeras observaciones registradas de efectos electrostáticos.
• Siglo XVIII: Benjamin Franklin, en sus experimentos con electricidad, contribuyó significativamente a la teoría de la carga eléctrica, introduciendo los conceptos de carga positiva y negativa.
• Siglo XIX: La formulación de la ley de Coulomb por Charles-Augustin de Coulomb cuantificó la fuerza electrostática entre cargas, lo que fue un avance fundamental para el desarrollo de la teoría electromagnética.
• Época Moderna: El descubrimiento del electrón por J.J. Thomson en 1897 y el desarrollo de la teoría cuántica en el siglo XX profundizaron aún más nuestra comprensión de la carga eléctrica y su papel en la física atómica y subatómica.

La exploración de la carga eléctrica ha sido un pilar en el avance de la física y ha facilitado el desarrollo de innumerables tecnologías eléctricas y electrónicas que forman la base de la sociedad moderna.

2.1. PROPIEDADES DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS, mirar internet

Tipos de Cargas Eléctricas

• Dualidad de la Carga: Existencia de dos tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa.
• Descubrimiento por Franklin: Benjamin Franklin identificó estos dos tipos a través de experimentos sencillos.
• Ejemplo Experimental: Uso de varillas de hule y vidrio frotadas con piel y seda, respectivamente, para demostrar atracción y repulsión entre cargas.

Interacción entre Cargas

• Ley Fundamental de Carga: Cargas del mismo tipo se repelen, mientras que cargas opuestas se atraen.
• Observación Experimental: Evidencia de repulsión y atracción en diferentes configuraciones de cargas.
• Principio de Atracción y Repulsión: Establecimiento de la base para entender las fuerzas eléctricas en la materia.

Distribución de Carga en Materiales

• Cargas en Átomos: Los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva.
• Neutralidad Eléctrica: En un átomo neutro, el número de electrones es igual al número de protones.
• Transferencia de Carga: Los átomos pueden ganar o perder electrones, llevando a cargas positivas o negativas netas.

Conservación de la Carga

• Principio de Conservación: La carga total en un sistema cerrado se conserva; no puede ser creada ni destruida.
• Ejemplos de Conservación de Carga: Observaciones en fenómenos naturales y experimentos controlados.

Aplicaciones y Relevancia de las Cargas

• Importancia Tecnológica: Uso de las propiedades de carga en electrónica, ingeniería y ciencias.
• Ejemplos Cotidianos: Manifestaciones de carga estática en la vida diaria y su impacto en materiales y dispositivos.

2.2. CONDUCTORES, SEMI-CONDUCTORES y AISLANTES

Conductores

• Definición y Características: Materiales que permiten un fácil movimiento de cargas eléctricas (electrones libres).
• Ejemplos Comunes: Metales como cobre y aluminio.

Aislantes

• Definición y Propiedades: Materiales que impiden el flujo libre de cargas eléctricas.
• Ejemplos Típicos: Plástico, vidrio y goma.

Semiconductores

• Características: Materiales con propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes.
• Importancia Tecnológica: Uso en dispositivos electrónicos como transistores y circuitos integrados.
• Ejemplos: Silicio y germanio.

Cargas Inducidas

• Proceso de Inducción: Generación de cargas en un material sin contacto directo, bajo influencia de un campo eléctrico.
• Aplicaciones: En dispositivos como condensadores y sensores.

Métodos de Electrización

• Por Frotamiento: Transferencia de cargas mediante el roce de dos materiales diferentes.
• Por Contacto: Transferencia de cargas al entrar en contacto directo con un cuerpo cargado.
• Por Inducción: Reorganización de cargas en un material debido a la influencia de un campo eléctrico cercano.

Diferencia entre Conductores, Aislantes y Semiconductores

• Comparativa: Basada en la capacidad de cada material para permitir el movimiento de cargas eléctricas.
• Relevancia en Diseño de Circuitos: Elección de materiales adecuados para aplicaciones específicas en electrónica y electricidad.

3. LEY DE COULOMB

Descubrimiento de la Ley de Coulomb

• Historia: Descubierta por Charles-Augustin de Coulomb en el siglo XVIII.
• Experimentos Clave: Uso de la balanza de torsión para medir la fuerza entre cargas eléctricas.

Principios Fundamentales de la Ley de Coulomb

• Fuerza entre Cargas: La ley describe cómo la fuerza entre dos cargas está directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
• Fórmula Matemática: F=k 9192 f donde F es la fuerza entre las cargas (vector), k es la constante de Coulomb (8.987×109Nm2/C2), q1 y q2 son las magnitudes de las cargas, r es la distancia entre las cargas, y î es el vector unitario que apunta de una carga a otra.
• Ejemplo de ejercicio para 2º de bachillerato: Calcular la fuerza eléctrica entre dos cargas de 2uC y -3uC, separadas por una distancia de 5cm en el vacío. Solución: 1. Convertir unidades: 2uC=2×10℃; - 3 uC =- 3×10℃; 5 cm=0.05 m. 2. Aplicar la ley de Coulomb: F=(8.987×109).[2×10-6)-(-3x10-6) 0,052 3. Calcular: F =- 8.59x10-3N.La fuerza es negativa, lo que indica que es atractiva, coherente con el hecho de que las cargas son de signos opuestos.

Importancia y Aplicaciones de la Ley de Coulomb

• Base para Electrostática: Fundamental para entender la interacción entre cargas eléctricas en reposo.
• Aplicaciones en Física y Tecnología: Desde el estudio de campos eléctricos hasta el diseño de dispositivos electrónicos.

Factores que Influyen en la Fuerza

• Distancia entre Cargas: La fuerza disminuye con el aumento de la distancia.
• Magnitud de las Cargas: La fuerza aumenta con la magnitud de las cargas involucradas.

Ejemplos y Experimentación

• Demostraciones Prácticas: Experimentos en laboratorio que ilustran la ley de Coulomb.
• Relevancia Educativa: Parte esencial de la enseñanza de la física en escuelas y universidades.

4. EL CAMPO ELÉCTRICO Debuxo de como visualizalo

Concepto de Campo Eléctrico

• Definición: Una región del espacio donde una carga eléctrica experimenta una fuerza debido a su presencia.
• Fundamento Físico: Representa cómo la influencia eléctrica se 'transmite' a través del espacio.

Representación del Campo Eléctrico

Campo Eléctrico Representación del Campo Eléctrico

• Líneas de Campo: Usadas para visualizar la dirección y la fuerza del campo eléctrico.
• Dirección: Las líneas de campo apuntan en la dirección en que una carga positiva se movería.
• Densidad de Líneas: Indica la intensidad del campo; un mayor número de líneas significa un campo más fuerte.

+ Carga positiva Carga negativa + Campo eléctrico producido por dos cargas de signo contrario