República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nacional UNEFA-Núcleo Anzoátegui Sección “B01”
Profesor: Marcos Rojas Integrantes: Bolívar, Arlex C.I:20.262.968 Gilberto, Moya C.I:22.996.115 Javier, Plaza C.I:22.706.478 Molinos, Rhaymari C.I. 19.490.760 Velásquez, Eleazar C.I:20.310.185
3 Semestre, Ing. Mecánica. San Tomé, junio del 2011.
Introducción.
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. Hacia finales del siglo XVII el científico inglés Robert Boyle (1627-1691) designó la causa de este fenómeno con el nombre de electricidad. Posteriormente, el ingeniero y físico francés Charles - Augustin de Coulomb (1736-1806) determinó la ley por la que se regían las manifestaciones eléctricas y estableció que en los cuerpos puntiformes electrizados "las acciones eléctricas son directamente proporcionales al producto de sus cargas e inversamente proporcionales al cuadrado de su distancia, y dependen del medio (aire, agua, vacío, etc.) en que ambos estén". La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forma parte de la enseñanza moderna; como el de comprobar cómo ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotadura y atraen, por ejemplo, pequeños trozos de papel o pelo a un globo que previamente se ha frotado con un paño seco. Los metales permiten un flujo fácil de electrones. Este flujo puede deberse a la acción de fuerzas electrostáticas. Cuando esto es así, se dice que los electrones están bajo el efecto de un campo electroestático, también llamado campo llamado campo eléctrico.
Objetivos. Analizar y comprender los diferentes aspectos en que se ve involucrada la
electricidad y como se producen fenómenos eléctricos en nuestra vida cotidiana, los cuales no pueden ser observados a simple vista, pero si pueden ser analizados. Conocer y entender los conceptos básicos de la electricidad tales como corriente, carga y campo eléctrico. Analizar las características de los diferentes métodos por los cuales los cuerpos pueden ser cargados Conocer de manera amplia la ley que rige la fuerza eléctrica, más conocida como “La ley de Coulomb”. Identificar la clasificación de la materia según sus propiedades eléctricas.
Marco teórico. La electroestática.
La electroestática es la parte de la física que estudia las acciones producidas entre cargas eléctricas en reposo y los fenómenos producidos por distribuciones de cargas eléctricas, esto es, el campo el campo electrostático de un cuerpo cargado. Campo electrostático.
Las cargas electrónicas no precisan de ningún medio material para influir entre ellas y por ello las fuerzas eléctricas son consideradas fuerzas de acción a distancia. En virtud de ello se recurre al concepto de campo electrostático para facilitar la descripción, en términos físicos, de la influencia que una o más cargas ejercen sobre el espacio que les rodea. El campo eléctrico (en unidades de voltios por metro) metro) se define como la fuerza (en newtons) por newtons) por unidad de carga (en coulombs) (en coulombs).. De esta definición y de la ley de Coulomb, se desprende que la magnitud de un campo eléctrico E creado creado por una carga puntual Q es:
Carga eléctrica
Es una de las propiedades básicas de la materia. Realmente, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos (moléculas, átomos y partículas elementales). Por ello se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Existen dos tipos de carga eléctrica, que se han denominado cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen. Carga inducida
La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una un a carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo).
Carga por fricción
En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.
Carga por inducción
Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargada. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales. Descarga electrostática.
La descarga electrostática (conocido por sus siglas en ingles ESD) es un fenómeno electrostático que hace que circule una corriente eléctrica repentina y momentáneamente entre dos objetos de distinto potencial eléctrico; como la que circula por un pararrayos tras ser alcanzado por un rayo. El término se utiliza generalmente en la industria electrónica y otras industrias para describir las corrientes indeseadas momentáneas que pueden causar daño al equipo electrónico. Conductores, aisladores y semiconductores:
Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio.
Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aisladores y los segundos conductores. Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa. Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación. Electrización.
Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. 1. Por contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva. 2. Por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. La ley de Coulomb.
Establece el valor de una fuerza electrostática. “La fuerza de repulsión o de atracción entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”. El valor de la fuerza electrostática viene dada por la fórmula:
Dónde: - F = fuerza electrostática que actúa sobre cada carga Q1 y Q2 - k = constante que depende del sistema de unidades y del medio en el cual se encuentran las cargas - r = distancia entre cargas En el vacío y utilizando el sistema de unidades MKS, la constante k es:
Dónde:
Entonces:
Con este valor de k, las cargas se expresan en coulombios, la distancia (r) en metros, para obtener una resultante de fuerza en Newtons. - Si las cargas son de signo opuesto (+ y -), la fuerza "F" será negativa lo que indica atracción - Si las las cargas cargas son del mismo signo (- y - ó + y +), la fuerza "F" será positiva lo que indica repulsión.
Nota: Sistema de unidades MKS (Metros, Kilogramos, Segundos)
Materiales y equipos.
Electroscopio: dispositivo que sirve para detectar y medir la carga eléctrica de un objeto. Icopor: Material de carga neutra. cuero: piel de animal preparada químicamente para producir un material robusto, flexible y resistente a la putrefacción. Seda: fibra de la que se compone el capullo que cubre al gusano de seda. Lana: fibras suaves y rizadas que se obtienen principalmente de la piel de las ovejas domésticas y se utilizan en la fabricación de textiles. Ebonita: Preparación de goma elástica, azufre y aceite de linaza, negra, muy dura, y que sirve para hacer cajas, peines, aisladores de aparatos eléctricos, etc. Vidrio: cuerpo sólido, transparente y frágil que proviene de la fusión a 1.200 ºC de una arena silícea mezclada con potasa o sosa. Aluminio: Es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su número atómico es 13 Fuente de voltaje (0 a 25 Kv): Permite la carga de los electrodos.
Procedimiento experimental.
1. Tuvimos una introducción a los elementos básicos de la electrostática tales como sus principios, fundamentos y formas ideales para cargar algunos cu erpos. 2. Esto lo hicimos mediante el frotamiento de una barra de aluminio y otra de ebonita con un pedazo de lana y otros elementos. 3. Las barras eran acercadas al electroscopio, en este observamos cómo sus hojas se repelen. 4. Estas barras también fueron acercadas a un recipiente plástico que contenía esferas de icopor (neutras).
Ejercicios.
1) Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = + 1 x 10-6 C. y q2 = + -6 2,5 x 10 C. Que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm. Solución: Para calcular la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo recurriremos a la ley de Coulomb por lo tanto previo transformar todas las magnitudes en juego a unidades del sistema internacional de medidas nos queda que:
Como la respuesta obtenida es de signo positivo nos está indicando que la fuerza es de repulsión. Respuesta: La fuerza de repulsión tiene un módulo de 9 N. pero debemos indicar además en un esquema gráfico las demás características del vector tal como se indica en el gráfico.
2)
Determinar la fuerza que actúa sobre las l as cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C. y q2 = -5 +2 x 10 C. Que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.
Solución: Para calcular la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo recurriremos a la ley de Coulomb por lo tanto previo transformar todas las magnitudes en juego a unidades del sistema internacional de medidas nos queda que:
Como la respuesta obtenida es de signo negativo nos está indicando que la fuerza es de atracción. -2
Respuesta: La fuerza de atracción tiene un módulo de 2,25 x 10 N. pero debemos indicar además en un esquema gráfico las demás características del vector lo que sería así:
Conclusión.
En el estudio de la electrostática y a grandes rasgos podemos resumir diciendo que la propiedad fundamental del campo electrostático es su acción sobre los cuerpos cargados. Se manifiesta a través de ciertas fuerzas, denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos. Su influencia en el espacio puede describirse con el auxilio de la noción física de campo de fuerzas. El campo eléctrico de las partículas cargadas en reposo no cambia al transcurrir el tiempo y se le llama campo electrostático. Es posible conseguir una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, las líneas de fuerza indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. Cuando los electrones pasan de un cuerpo a otro, el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente y el que gana electrones se carga negativamente. Este movimiento de electrones es lo que se llama corriente llama corriente eléctrica. Los cuerpos pueden ser electrizados por contacto. Existen dos clases de electrización llamadas positiva y negativa. Dos cuerpos con carga eléctrica diferente se atraen y los de carga igual se repelen.Con el frotamiento no sólo se electriza el cuerpo frotado sino también el utilizado para frotar, y ambos de tal forma que adquieren idéntica cantidad de electricidad, pero de signo contrario.
Bibliografía. http://www1.uprh.edu/labfisi/Labs/electrostatics.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_discharge http://asifunciona.com/electrotecnia/ke_electrostatica/ke_electrostatica_1.htm http://www.elprisma.com/apuntes/curso.asp?id=6941 Fishbane,
Gasiorowicz, Thornton, Volumen II, año 1994, FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA.
