Página 1 de 7 INSTITUCION EDUCATIVA COLEGIO DE SAN SIMON IBAGUE -2014GUIA 1 DE ELECTROSTATICA UN POCO DE HISTORIA Los fenómenos eléctricos en la Naturaleza son conocidos desde la antigüedad, aunque no fue hasta aproximadamente el 600 A.C. cuando Thales de Mileto comprobó las propiedades eléctricas del ámbar, el cual al ser frotado con una pieza de lana era capaz de atraer pequeños objetos. A su modo, ofreció una verdadera hipótesis científica al afirmar: "estas substancias encierran alma, están vivas, puesto que pueden atraer hacia si materias inanimadas, como mediante una aspiración del soplo". También se descubrió que dos varillas de ámbar luego de ser frotadas se repelían, la razón de estos fenómenos no era comprendida.
palabra electricidad para describir sus experimentos sobre electricidad y magnetismo. En su obra De Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure escribió que algunas sustancias como el vidrio, el azufre y la resina se comportaban como el ámbar, y cuando eran frotadas atraían objetos livianos; mientras que otras como el cobre o la plata no ejercían ninguna atracción. A las primeras las llamó "eléctricas", mientras que a las segundas las denominó "aneléctricas"1.
William Gilbert (1544-1603)
CARGA ELECTRICA
El ámbar se forma de la resina vegetal fosilizada de árboles que datan de hace 25 a 40 millones de años
Tales de Mileto (625ac – 547ac)
Pasaron más de 2.000 años sin avances desde Tales de Mileto hasta que el inglés Guillermo Gilbert, médico de cámara de la reina Isabel I, retomó alrededor del año1600 los estudios de los griegos y empleo por primera vez la
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Por naturaleza los átomos tienden a mantenerse equilibrados eléctricamente, esto es, a tener igual número de protones y de electrones. Sin embargo ese equilibrio es relativamente fácil de alterar, basta con frotar un cuerpo para que pierda o gane electrones, cuando este desequilibrio ocurre se dice que el cuerpo ha adquirido carga eléctrica. Al frotar un globo atrae pequeños papelitos porque ha adquirido carga eléctrica y busca igualar su número de electrones y protones tomando electrones de los papelitos. Entre mayor sea el número de electrones ganados o perdidos mayor es la carga eléctrica que adquiere el cuerpo.
1
Historia de la electricidad, Epec, direccion en Internet: http://www.epec.com.ar/docs/educativo/instituc ional/historia.pdf
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Página 2 de 7 Es importante observar que la carga eléctrica se debe a la falta o exceso de electrones que el cuerpo ha perdido o ganado de otro cuerpo, pero no hay intercambio de protones debido a que estos últimos están en el núcleo del átomo y no son fáciles de remover. Se establece que un cuerpo tiene carga negativa cuando tiene un exceso de electrones y carga positiva cuando le faltan electrones para igualar el número de protones
6250000000000000000 electrones. Así también la ausencia de este número de electrones en un cuerpo equivale a una carga positiva de un Coulomb. La unidad Coulomb se simboliza con C mayúscula. Debido a que un Coulomb es una cantidad de carga grande para muchas aplicaciones prácticas se hace uso frecuentemente de submúltiplos del Coulomb, los más utilizados son:
LEY FUNDAMENTAL DE LAS CARGAS
milicoulomb: microcoulomb:
El primero en proponer la designación de cargas positivas y negativas para los dos tipos de carga fue Benjamín Franklin. La ley fundamental de las cargas se enuncia: Las cargas de signos diferentes se atraen y las cargas del mismo signo se rechazan.
mC=10-3C µC=10-6C
LEY DE COULOMB Charles Agustín Coulomb concluyo que si los cuerpos cargados se atraen o se rechazan deben aplicarse mutuamente una fuerza para poder atraerse o rechazarse, y se propuso calcular esta fuerza. Para lograr su propósito coloco cuerpos pequeños con carga en un aparato muy sensible llamado balanza de torsión. Después de muchos experimentos logro concluir una expresión matemática para calcular la fuerza entre las cargas, esta fuerza se ha llamado la fuerza de Coulomb. La magnitud de una carga eléctrica se distingue usualmente con la letra q y la distancia entre dos cargas con la letra r, la fuerza de Coulomb se simboliza con F acompañada de subíndices: F12 es la fuerza que la carga 1 aplica sobre la carga 2 y F21 es la fuerza que la carga 2 aplica sobre la carga 1 q1
q2
F21
F12
r
Benjamín Franklin y la cometa UNIDAD DE CARGA ELECTRICA La unidad de carga eléctrica es el Coulomb. Un cuerpo tiene una carga negativa de un coulomb cuando tiene en exceso 6,25x1018 electrones. Este es un número muy grande, si lo escribimos en notación decimal:
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Las conclusiones que llevaron a Coulomb a su fórmula matemática fueron las siguientes: a. Entre mayor sea la magnitud de las cargas, mayor es la fuerza que se aplican entre ellas b. La fuerza que la carga 1 aplica sobre la carga 2 es igual a la que la carga 2 aplica sobre la carga 1. Este par de fuerzas son de acción y reacción.
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Página 3 de 7 c. Entre mayor sea la distancia entre las cargas menor es su atracción, pero esta variación es con el inverso del cuadrado: es decir, si se duplica la distancia la fuerza se reduce a la cuarta parte, si se triplica la distancia la fuerza se reduce a la novena parte, si se cuadruplica la distancia la fuerza se reduce a la dieciseisava parte, etc. La ley de Coulomb se expresa de la siguiente manera:
3. ¿Cuál debe ser la distancia entre dos cargas de 5µC para que su fuerza de repulsión sea de 10N 4. Tres cargas q1=0.2mC, q2=-0.1mC y q3=0.05mC se encuentran en los vértices de un triángulo equilátero de 0,4m de lado. A. Dibuje la fuerza electrostática que cada carga ejerce sobre las demás. B. Calcule F21 , F13 y F23 q1
Donde K es la constante que Coulomb encontró como resultado de su gran trabajo de experimentación.
rc
ra
q3
q2 rb
Este valor de la constante de Coulomb es válido cuando los cuerpos con carga se encuentran en el vacío o en el aire.
5. Un muñeco metálico con brazos móviles se construyó con papel aluminio, alambre y corcho, como se ilustra en la figura:
PROBLEMAS 1. Consulte para resolver las siguientes preguntas ¿Cuáles son las formas de cargar eléctricamente un cuerpo? ¿Qué es polarización eléctrica? ¿Cómo se explica el fenómeno natural de los rayos? ¿Qué es un electroscopio? ¿Cómo funciona? Construya un diagrama para explicar.
2. Dos esferas se encuentran a 0,5m de distancia, cargadas con 0.2C y -0.3C. Calcule la fuerza electrostática entre ellas ¿Qué significa el menos en la respuesta. q1=0,2C
q2=-0,3C
0,5m
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Un muñeco cargado negativamente se une a otro muñeco descargado y luego se separan. De esta situación se puede afirmar que A. el muñeco cargado se descarga, cargando al muñeco descargado. B. el muñeco descargado, descarga al primer muñeco, quedando ambos neutros. C. un muñeco queda cargado positivamente y el otro negativamente. D. ambos muñecos quedan cargados negativamente. 6. Las esferas metálicas que se muestran en la figura se cargan con 1C cada una. La balanza se equilibra al situar el contrapeso a una distancia x del eje
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Página 4 de 7 De los siguientes, la figura que ilustra las fuerzas eléctricas sobre las esferas cuando se acercan la una a la otra es
Se pone una tercera esfera a una distancia 2d por debajo de la esfera A y cargada con -2C. Para equilibrar la balanza se debe A. B. C. D.
agregar carga positiva a la esfera A mover la esfera B hacia abajo mover el contrapeso a la derecha mover el contrapeso a la izquierda
Responda las preguntas 9 y 10 de acuerdo con la siguiente información Las esferas conductoras 1 y 2 de radios R y 1.5R respectivamente, se encuentran muy alejadas una de la otra y se disponen con un interruptor a como ilustra la figura. Las esferas 1 y 2 tienen cargas 2Q y -Q respectivamente. 9. El esquema que muestra la distribución de carga eléctrica en cada una de las esferas después de cerrar el interruptor a, cuando el sistema está en equilibrio, es
7. Dos esferas (1 y 2) con cargas iguales se encuentran sobre una superficie lisa no conductora y están atadas a un hilo no conductor. La esfera 1 está fija a la superficie. Al cortar el hilo, la gráfica de aceleración contra x de la esfera 2 es
10. A. B. C. D.
8. Dos esferas metálicas cargadas eléctricamente penden de hilos no conductores como se ilustra en la figura.
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En esta situación se debe satisfacer que Q1 + Q2 = 3Q Q 1 + Q2 = Q Q1 + Q2 = 2,5Q Q1 + Q2 = 0,5Q
11. Se tienen dos barras A y B en contacto, apoyadas sobre soportes aislantes como se muestra en la figura. La barra A es metálica y la B es de vidrio. Ambas se ponen en contacto con una barra cargada C. Después de un momento se retira la barra C. Posteriormente se acercan dos péndulos de esferas conductoras neutras, una en cada extremo de este montaje.
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Página 5 de 7 A. duplicar la distancia entre las cargas B. reducir a la mitad la distancia entre las cargas C. duplicar la magnitud de las dos cargas D. duplicar la magnitud de una de las dos cargas La afirmación que mejor describe la posición que adoptarán los péndulos después de retirar la barra C es A. El péndulo próximo a la barra A se aleja al igual que lo hace el otro péndulo de la barra B B. El péndulo próximo a la barra A se acerca al igual que lo hace el otro péndulo a la barra B C. El péndulo próximo a la barra A se acerca a ella y el péndulo próximo a la barra B se mantiene vertical D. El péndulo próximo a la barra A se mantiene vertical y el péndulo próximo a la barra B se acerca Responda las preguntas 12 y 13 de acuerdo con la siguiente situación 12. Una carga de +2C se encuentra a 2m, de una carga de -2C, como muestra la figura
Si la magnitud de la fuerza eléctrica que una carga ejerce sobre otra es , donde entonces la fuerza que ejerce la carga positiva sobre la negativa es A. 9x109 N en la dirección positiva del eje x B. 9x109 N en la dirección negativa del eje x C. x109 N en la dirección positiva del eje x D.
x109 N en la dirección negativa del eje x
13. De las siguientes sugerencias que se dan para duplicar los valores de las fuerzas anteriores, la acertada es
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La figura muestra dos partículas cargadas (1 y 2) en donde la partícula 1 está fija.
14. En estas condiciones es cierto que A. La fuerza electrostática sobre 2 vale cero, porque la carga neta es cero B. Para mantener a 2 en reposo se debe ejercer sobre ella una fuerza de valor en la dirección positiva del eje x C. LA distancia d puede variar sin que se modifique la fuerza eléctrica de q sobre -q D. Es posible mantener a 2 en reposo ejerciendo sobre ella una fuerza mayor en magnitud a , formando un ángulo θ apropiado con el eje x 15. Si sobre la partícula 2 se ejerce una fuerza ⃗ paralela al eje X tal que la distancia entre 1 y 2 aumenta linealmente con el tiempo, es cierto que A. La fuerza neta sobre 2 es cero en todo instante B. Como la interacción eléctrica disminuye, el valor de ⃗ aumenta C. El movimiento de 2 es uniformemente acelerado debido a la interacción eléctrica con la partícula 1 D. El valor de ⃗ permanece constante 16. Un camarógrafo aficionado filmó el momento en el que se producían dos descargas eléctricas entre tres esferas cargadas sujetas en el aire por hilos no
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Página 6 de 7 conductores. La figura muestra un esquema aproximado de lo que sucedió, indicando la dirección de la descarga. De lo anterior es correcto afirmar que inmediatamente antes de la descarga, las esferas
A. B. C. D.
2 y 3 estaban cargadas positivamente 2 y 1 estaban cargadas positivamente 3 y 1 estaban cargadas positivamente Estaban cargadas positivamente
Charles- Augustin de Coulomb2
(Angulema, Francia, 14 de junio de 1736 París, Francia, 23 de agosto de 1806) fue un físico e ingeniero francés. Se recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor la unidad de carga eléctrica lleva el nombre de coulomb (C). Entre otras teorías y estudios se le debe la teoría de la torsión recta y un análisis del fallo del terreno dentro de la Mecánica de suelos. 2
Biografia de Charles Agustin de Coulomb. Disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/CharlesAugustin_de_Coulomb
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Fue el primer científico en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas investigaciones sobre: magnetismo, fricción y electricidad. Sus investigaciones científicas están recogidas en siete memorias, en las que expone teóricamente los fundamentos del magnetismo y de la electrostática. En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre sí dos cargas eléctricas, y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo establecer el principio, que rige la interacción entre las cargas eléctricas, actualmente conocido como ley de Coulomb: Coulomb también estudió la electrización por frotamiento y la polarización, de él introdujo el concepto de momento magnético. El culombio o coulomb (símbolo C), es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para la medida de la magnitud física cantidad de electricidad (carga eléctrica). Nombrada en honor de CharlesAugustin de Coulomb. Fue educado en la École du Génie en Mézieres y se graduó en 1761 como ingeniero militar con el grado de Primer Teniente. Coulomb sirvió en las Indias Occidentales durante nueve años, donde supervisó la construcción de fortificaciones en la Martinica. En 1774, Coulomb se convirtió en un corresponsal de la Academia de Ciencias de París. Compartió el primer premio de la Academia por su artículo sobre las brújulas magnéticas y recibió también el primer premio por su trabajo clásico acerca de la fricción, un estudio que no fue superado durante 150 años. Durante los siguientes 25 años, presentó 25 artículos a la Academia sobre electricidad, magnetismo, torsión y aplicaciones de la balanza de torsión, así como varios cientos de informes sobre ingeniería y proyectos civiles. Coulomb aprovechó plenamente los diferentes puestos que tuvo durante su vida. Por ejemplo, su experiencia como ingeniero lo llevó a investigar la resistencia de materiales y a determinar las fuerzas que
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Página 7 de 7 afectan a objetos sobre vigas, contribuyendo de esa manera al campo de la mecánica estructural. Otro aporte de Coulomb es la llamada Teoría de Coulomb para presión de tierras, publicada en 1776, la cual enfoca diferente el problema de empujes sobre muros y lo hace considerando las cuñas de falla, en las que actúa el muro, además toma en cuenta el ángulo de inclinación del muro y del suelo sobre el muro de contención. También hizo aportaciones en el campo de la ergonomía. Coulomb murió en 1806, cinco años después de convertirse en presidente del Instituto de Francia (antiguamente la Academia de Ciencias de París). Su investigación sobre la electricidad y el magnetismo permitió que esta área de la física saliera de la filosofía natural tradicional y se convirtiera en una ciencia exacta. La historia lo reconoce con excelencia por su trabajo matemático sobre la electricidad conocido como "Leyes de Coulomb".
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