Electromagnetismo: Carga y Fuerza Eléctrica

Fundamentos de Electromagnetismo: Carga Eléctrica y Fuerza Eléctrica

• Al finalizar la sesión, el estudiante identifica que la interacción eléctrica está presente en la vida cotidiana y evalúa fuerzas eléctricas para diversas distribuciones de carga.
• La agenda incluye carga eléctrica, fuerza eléctrica, ley de Coulomb y principio de superposición.
• Las notas de la clase incluyen los siguientes acrónimos: PC - Práctica Calificada, LC - Laboratorio, EP - Participación en clase, TF - Trabajo Final.

Electricidad

• La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas.
• Su energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos.
• Puede observarse de forma natural en fenómenos atmosféricos como los rayos.
• Es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas.
• Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen fuerzas electrostáticas.
• Cuando las cargas eléctricas están en movimiento relativo se ejercen fuerzas magnéticas.
• La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de un mismo fenómeno físico denominado electromagnetismo.
• El movimiento de una carga eléctrica produce un campo magnético.
• La variación de un campo magnético produce un campo eléctrico.
• El movimiento acelerado de cargas eléctricas genera ondas electro

Magnetismo

• El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.
• Algunos materiales presentan propiedades magnéticas detectables fácilmente, como el níquel, hierro, cobalto, y sus aleaciones.
• El magnetismo también es un componente de la radiación electromagnética, como la luz.
• En 1269, Maricourt descubre que una aguja se orienta a lo largo de líneas que pasan por puntos extremos (polos del imán).
• En 1600, Gilbert descubre que la Tierra es un imán natural.
• En 1750, Michell demostró que la fuerza ejercida por un polo sobre otro es inversamente proporcional a r².
• En 1820, Oersted observa una relación entre electricidad y magnetismo, lo que llevó al descubrimiento del electromagnetismo.

Electromagnetismo

• Es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos.
• Es una teoría de campos donde las aplicaciones y predicciones se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo.
• Describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos, y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

Carga Eléctrica

• La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta de dos tipos: cargas positivas y negativas.
• Se puede obtener por frotación, por contacto y por inducción.
• La carga eléctrica mide cuántos electrones le sobran o le faltan a un cuerpo.
• Se dice que tiene carga positiva si le faltan electrones y carga negativa si le sobran.
• La unidad de medida de la carga en el Sistema Internacional es el Coulomb [C].
• La carga del electrón es -1.6021765 × 10^-19 C.

Ley de Coulomb

• La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales (q1 y q2) es proporcional a la cantidad de carga, en módulo, y al inverso del cuadrado de la distancia (d) entre las cargas puntuales.
• La constante de Coulomb es k = 1/(4πε0) ≈ 9 x 10^9 Nm²/C², donde ε0 ≈ 8.8542 x 10^-12 C²/Nm².
• La Ley de Coulomb solo es aplicable para cargas puntuales y sistemas electrostáticos (cargas en reposo).
• En forma vectorial, la fuerza eléctrica que la carga puntual q1 ejerce sobre la carga puntual q2 se escribe como:
  • F12 = k (q1q2 / |r2 - r1|^2) (r2 - r1)
  • Donde se deben considerar los signos de q1 y q2, y F21 = -F12.

Principio de Superposición

• La fuerza total ejercida sobre una carga debido a un grupo de cargas puntuales es la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada carga sobre la carga Q.
• F = Σ Fi = k Σ (qi Q / |ri|^2) ri, donde i va de 1 a N.

Distribución de Cargas

• Carga lineal: λ = dq/dl, Densidad de carga lineal (C/m).
  • q' = ∫ λ dP΄
  • P'
• Carga superficial: σ = dq/dA, Densidad de carga superficial (C/m²).
  • q' = ∫ σ dA
  • Α΄
• Carga volumétrica: ρ = dq/dV, Densidad de carga volumétrica (C/m³).
  • q' = ∫ ρ dV΄
  • V΄

Ejercicios

• Se tiene un alambre de longitud L, que posee una distribución lineal de carga λ=λ₀ (1+x) C/m. Se halla la carga total en el alambre.

No olvidar

• La carga eléctrica puede cuantificarse.
• La fuerza eléctrica es una magnitud vectorial.
• El principio de superposición permite analizar la interacción de múltiples cargas.