Electricidad 1.1 y 1.2.pdf

GENERALIDADES. UNIDAD1.1.1 Electricidad MTRA. MARIA LIDIA HDEZ. FRANCO CICLO ESCOLAR 23/1 Electricidad 1.1 Introducción a la Electrostática. Definición. Es la parte de la Física que estudia las cargas eléctricas en reposo.  Antecedente de la Electricidad. ...

GENERALIDADES. UNIDAD1.1.1 Electricidad MTRA. MARIA LIDIA HDEZ. FRANCO CICLO ESCOLAR 23/1 Electricidad 1.1 Introducción a la Electrostática. Definición. Es la parte de la Física que estudia las cargas eléctricas en reposo.  Antecedente de la Electricidad.  Ahora se abordara la rama de la física que se ocupa de los fenómenos eléctricos y magnéticos, mismos que desempeñan un papel importante en el funcionamiento de dispositivos como teléfonos inteligentes, televisores o pantallas, motores eléctricos, computadoras, aceleradores de alta energía y otros aparatos electrónicos. Incluso, en su forma más básica, las fuerzas interatómicas e intermoleculares responsables de la formación de solidos y líquidos son, en su origen, eléctricas. A su vez, las fuerzas eléctricas son la base de la ciencia de la química y son responsables del desarrollo de los organismos biológicos. Por tanto, la gravedad juega un papel en la naturaleza al permitir que los planetas existan.   En el estudio de la Mecánica, identificamos varios tipos de fuerzas: fuerzas normales perpendiculares a las Antecedentes. superficies, fuerzas de fricción paralelas a las superficies, fuerzas de tensión a lo largo de las cuerdas, Electricidad. fuerzas gravitatorias de los planetas, etc. Entre ellas, la fuerza de gravedad que es única (el peso), ya que es una fuerza fundamental en la naturaleza. Otras fuerzas en esta lista se deben a un segundo tipo de fuerza fundamental, la fuerza electromagnética y se estudiara una manifestación de esta fuerza, la fuerza eléctrica y descubriremos que tenemos más control sobre esta fuerza que sobre la gravedad. MODELOS ATOMICOS DE LA MATERIA  Uno de los científicos que sentaron las bases teóricas para estructurar los átomos fue J. J. Thompson, quien diseño un modelo atómico parecido a un a esfera gelatinosa a la que se le incrustó varias pasas, por está razón se conoce como “budín con pasas” a su modelo atómico, en el la esfera representa a los protones (+) y las pasas a los electrones (-).  Dalton plantea que es una esfera compacta homogénea cargada positivamente y se encuentran incrustados los electrones.  Ernest Rutherford elaboro su modelo atómico formado por un núcleo en donde se alojan los protones y neutrones y una nube constituida de electrones girando alrededor de ese núcleo, donde calculó el diámetro total del del átomo que es de 10-10 m y el diámetro del núcleo es de 10 -14 m. MODELOS ATOMICOS DE LA MATERIA  El átomo de Rutherford tuvo muchas limitaciones por lo que Niels Bohr, un científico contemporáneo a él, avanzo una etapa más en la comprensión de los fenómenos físicos al elaborar su modelo atómico, constituido por un núcleo central y los electrones girando alrededor de él describiendo órbitas perfectamente definidas.  1.1 Introducción a la  Estructura atómica de la materia( Empleando el Átomo de Bohr): Electrostatica.  En el átomo se han identificado cerca de 30 partículas subatómicas, de las cuales las más importantes son el protón, el electrón y el neutrón. De Acuerdo con la teoría atómica, y en términos generales, el átomo está estructurado como sigue.  El núcleo esta formado por protones y neutrones (el hidrogeno es el único átomo que tiene un neutrón.)  Los electrones que giran alrededor del núcleo. METODOS DE ELECTRIZACIÓN  En su estado natural los cuerpos son eléctricamente neutros, es decir tienen el mismo número de carga positiva que negativa, entonces decimos que un cuerpo se encuentra cargado eléctricamente, electrizado o simplemente cargado cuando se rompe este equilibrio.  LEY DE LA CARGA ELECTRICA: Está ley explica de manera cualitativa la manera en que se comportan las cargas eléctricas al interactuar entre sí, llegando a la conclusión de la LEY DE LA CARGA ELECTRICA que se enuncia como: CARGAS DEL MISMO SIGNO SE REPELEN CARGAS DE DIFERENTE SIGNO SE ATRAERÁN  METODOS DE ELECTRIZACION  FROTAMIENTO.- Cuando se toman dos materiales aislantes, (por ejemplo una varilla de ebonita con un paño de lana o piel de gato) estos normalmente están neutros al frotarlos vigorosamente uno de ellos se cargará positivamente (pierde electrones) y el otro negativamente ( gana electrones) en este caso solo se ha transferido carga de un lado a otro y este será el método de frotamiento.  CONTACTO.- Si con un objeto tocamos un material neutro (aislante o conductor) este se cargará eléctricamente y este será el método de contacto.  INDUCCIÓN.- cuando tenemos dos cconductores neutros que hacen contacto entre sí, es posible cargarlos eléctricamente sin frotarlos con algún aislante y sin tocarlos con otro cuerpo qué esté cargado.  1.1 Introducción a  Características de las subpartículas, también llamadas cargas la  elementales o unidades fundamentales de la carga. De las diversas propiedades que presentan estas partículas, la Electrostática. carga y la masa.  El protón tiene carga y masa, su carga es positiva.  Carga del protón: e+=1.6x10-19C :  Masa del protón mp=1.67x10-27 Kg.  El electrón tiene carga y masa, su carga es negativa.  Carga del electrón: e-=1.6x10-19C :  Masa del electrón me=9.11x10-31 Kg.  El neutrón tiene masa pero no carga.  La masa del neutrón es igual a la suma de la masa del electrón y la del protón  masa del neutrón: mn=1.675x10-27 Kg.  Principio de conservación de la carga: La Nota: suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante. Conductor es aquel cuerpo en el cual fácilmente se distribuyen las cargas eléctricas en su superficie. Tratándose de un elemento o cuerpo simple, si la última capa de sus átomos tiene de 1 a 3 electrones como máxim CLASIFICACION DE LOS MATERIALES  Los materiales se pueden clasificar según su comportamiento eléctrico en:  CONDUCTOR.- Es aquel cuerpo en el cuál fácilmente se distribuyen las cargas eléctricas en su superficie tratándose de un elemento o cuerpo simple, si la última capa de sus atómos tiene de 1 a 3 electrones como máximo decimos que se trata de un conductor.  AISLADOR, DIELECTRICO O AISLANTE.- Experimentalmente lo reconocemos porque la carga eléctrica no se distribuye en su superficie, sino que se queda en un solo lugar, es decir, en donde se le haya frotado o tomado contacto con otro cuerpo cargado. Tratándose de un elemento o cuerpo simple, cuando sus atómos tienen en la última capa u órbita 5,6 o 7 electrones como mínimo, entonces decimos que se trata de un aislante. Clasificación de los materiales  SEMICONDUCTOR.- Los identificamos experimentalmente cuando debido a las condiciones climatológicas unas veces se comportan como conductor y otras como aislantes, cuando se trata de un elemento semiconductor tendrá en la última capa atómos 3,4 o 5 electrones, causa por la que tiende a ser un semiconductor.  SUPERCONDUCTORES.- Se les denomina a estos así a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corrientes, resistencias y pérdidas de energía cercana a 0° en determinadas condiciones.Es una fase de ciertos materiales que se dan normalmente a bajas temperaturas no obstante no es suficiente con enfríar, también es necesario no exceder una corriente crítica para mantener el estado del superconductor. Está propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingonnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecia cuando se le enfríaba a 4°K (-263°C).  De todos los elementos y compuestos estudiados solo tres están en etapa de producción que son las aleaciones de (Nibio-Estaño) y (Nibio - Zirconio).  GENERADORES ELECTROSTATICOS  Los generadores electrostáticos también se conocen como máquinas electrostáticas estos son aparatos en los cuales se transforma la energía mecánica en energía eléctrica por la intervención de fenómenos ya sea de frotamiento ya sea de influencia o de ambos tipos. De acuerdo con esto ya es costumbre dividirlas en máquinas de frotamiento y máquinas de influencia, según que en las cargas intervengan el frotamiento o solo jueguen algún papel los fenómenos de influencia. Otros autores las clasifican en máquinas de adición y máquinas de multiplicación. En las primeras un conductor fijo, manteniéndose a carga constante es llamado PRODUCTOR influyendo sobre un conductor móvil llamado TRANSPORTADOR, que cede sus cargas a un tercer conductor aislado llamado COLECTOR en el cuál se suman estas cargas. En las máquinas de MULTIPLICACION hay dos colectores que funcionan a la vez deproductores y dos transportadores que son influenciados por ellos. Cada colector influye sobre un transportador que lleva su carga al otro colector. Las cuales son: a) Electroforo de Volta b) Máquina de Ramsden c) Máquina de Wimshurts d) Generador de Van Der Graff. 1.2 Carga  La carga eléctrica se representa por Q o q y su unidad Eléctrica. de carga en el sistema Internacional (S.I) es el coulomb, con símbolo C.  1C= 6.24x1018 electrones.  Definiéndose como la carga que colocada frente a otra igual a una distancia de un metro se rechaza con una fuerza de 9x109 N.  La carga es cuantificable y esta conformada por: Q=N x e- , donde:  N= numero de electrones y e-= la carga del electrón.  Ejemplos: Resolver.  1.- ¿Qué cantidad de carga expresada en coulomb hay en 500 millones de electrones?. R= 80x10-12 C   2.- Una esfera tiene una carga negativa de 2µC. Determinar el número de electrones excedentes que produce dicha carga. R= 1.25x1013 electrones.  EJERCICIOS  1.- Transforma de Notación desarrollada a notación científica:  A) 0.24 __________________ E) 135792468 ______________  B) 0.00327 _______________ F) 357000 _________________  C) 0.0000469 ____________ G) 327 ____________________  D) 0000000085 ___________ H) 47 _____________________  2.- una esfera tiene una carga negativa de 2 µC, Calcular el número de electrones excedentes que producen dicha carga.  3.- ¿Qué cantidad de carga expresada en Coulombs hay en 5 MegaC? 1.3 Ley de  Concepto de cargas puntuales. Coulomb.  Es una carga que ocupa un solo punto en el espacio. Se consideran cargas puntuales aquellas cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la distancia que la separa.  En la naturaleza lo más cercano a una carga puntual es la carga del electrón.  Ley de las cargas Eléctricas: Cargas de igual signo se repelen y cargas de signos contrarios se atraen.   Enunciado de la Ley de Coulomb: 1.3 Ley de  La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente Coulomb proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La expresión matemática de la ley de Coulomb se escribe como: 𝒒𝟏 𝒒𝟐 𝑭=𝒌 en newton N 𝒅𝟐 K=Cte. de proporcionalidad, representa el medio en que se encuentran las dos cargas su modelo matemático es: 𝟏 𝑵𝒎𝟐 𝒌= =9x109 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒆𝒍 𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒐 𝒗𝒂𝒄𝒊𝒐. 𝟒𝝅𝜺𝟎 𝒄𝟐 𝑐2 donde Ɛ0= 8.85x10-12 corresponde a la ℕ𝑚2 permitividad del medio, en este caso del aire o en el vacío. Ley de gravitación universal Ley de coulomb  Isaac Newton en 1687  Charles-Agustín de Coulomb, en 1785  Se refiere a la fuerza con la que se atraen dos masas y a la  Se refiere a la fuerza con la que se atraen o repelen las cargas fuerza de gravedad que justifica el peso eléctricas, a través de la balanza de torsión y corroboro la ley.  Fuerza gravitatoria  fuerzas electrostáticas Ley de gravitación universal vs ley de coulomb Semejanzas y diferencias  Ambas describen como son las fuerzas  K=9x109 Nm2/C2  G=6,67x10-11 Nm2/kg2  Las Fuerzas son de atracción o repulsión  La Fuerza es de atracción  Magnitudes depende de las cargas que se miden en culombios  Magnitudes depende de las masas que se miden en kg  Las cargas pueden ser positivas o negativas  Las masas no se les considera signo  La constante depende del medio en la que estén las cargas  La constante siempre tiene el mismo valor  A cargas puntuales e indivisibles al ojo humano  Se aplican en masas muy grandes  La constante tiene un valor más intenso  Las constante tiene un valor muy pequeño. Constante de proporcionalidad en otros medios materiales. 1.2 Ley de  Esta ley viene al caso siempre que se necesite conocer la fuerza eléctrica que actúa entre partículas cargadas. Coulomb. Plantear el problema utilizando los siguientes pasos.  1.- Haga un dibujo que muestre la ubicación de las partículas cargadas e indique la carga de cada una, Este paso tiene especial importancia si hay más de dos partículas cargadas.  2.-Si hay presentes dos o más cargas que no se localicen sobre la misma línea, elabore un sistema de coordenadas (x,y) o diagrama de cuerpo libre.  3.- Es frecuente que se necesite encontrar la fuerza eléctrica sobre una partícula dada. Si es así, debe identificarse ésta.  1.2 Ejercicio de la Ley de Coulomb  Determine la magnitud de la carga de cada esfera sabiendo que son iguales y tiene la misma masa de 8x10 -2 Kg, se encuentran en el Aire y cuelgan de un hilo de diferente longitud de ( 20 cm y 25 cm) y un ángulo entre ellas de 20°. 1.- Ley de Coulomb. Suma vectorial de fuerzas eléctricas en un plano  Ejercicio:  En los vertices de un cuadrado de 30 cm por lado hay cargas q0 =1µC positiva, q1 = 1µC positiva,q2= 2µC negativa y q3= 6µC negativa que se encuentran el vacio. Calcular la fuerza resultante sobre q0, que ejercen las otra tres cargas que estan colocadas en sentido anti- horario. Fin de la Gracias presentación Mtra. María Lidia Agosto 23”1” Hdez. Franco.