• Author / Uploaded
• yaxter1992

• Categories
• Electricidad
• Electrón
• Electromagnetismo
• Fuerza
• Corriente eléctrica

Citation preview

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

APUNTES DE FÍSICA II Profesor: José Fernando Pinto Parra UNIDAD 5 INTRODUCCIÓN AL ELECTROMAGNETISMO INTRODUCCIÓN AL ELECTROMAGNETISMO. La ciencia de la electricidad se originó con la observación, realizada por Tales de Mileto en 600 A.C., de que un pedazo de ámbar al ser frotado atrae pequeños trozos de paja. El estudio del magnetismo se remonta al descubrimiento de la magnetita. Estas dos ciencias se desarrollaron independientemente hasta 1820, momento en que Hans Christian Fersted observó una relación entre ellas: la corriente eléctrica que circula por un alambre puede producir desviaciones en una brújula. En el desarrollo de la nueva ciencia del electromagnetismo intervinieron muchos investigadores, entre los más importantes Faraday y Maxwel, éste último, basado en el trabajo de sus antecesores, expresó las leyes del electromagnetismo que hoy conocemos como ecuaciones de Maxwell, desempeñan en el electromagnetismo el mismo papel que las leyes de Newton del movimiento y la gravitación en la mecánica.

Maxwell de dujo que la luz tiene una naturaleza electromagnética y que su rapidez puede determinarse mediante medidas puramente eléctricas y magnéticas. Así, la ciencia de la óptica se conectó en forma íntima con la electricidad y el magnetismo. El campo que abarcan las ecuaciones de Maxwell es considerable: incluye los principios fundamentales de todos los dispositivos electromagnéticos y ópticos que si fabrican en gran escala, tales como los motores, la radio, la televisión, el radar de microondas, los microscopios y los telescopios.

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

La característica de cualquier partícula que participa en la interacción electromagnética es la carga eléctrica. La determinación de la carga de una partícula se hace estudiando su trayectoria en el interior de un campo electromagnético conocido. La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de unidades es el culombio, C. Existen en la naturaleza dos tipos de cargas eléctricas que por convenio se miden unas con números positivos y las otras con números negativos. Todas las partículas eléctricamente cargadas llevan una carga igual en valor absoluto a una cantidad llamada carga elemental, e. El protón posee una carga +e y el electrón lleva una carga -e. Esta carga elemental equivale a 1,6 · 10-19 C. Las cargas eléctricas del mismo tipo interaccionan repeliéndose y las cargas de distinto tipo interaccionan atrayéndose. La magnitud de esta interacción viene dada por la ley de Coulomb.

SISTEMA DE UNIDADES. Las unidades empleadas para medir cuantitativamente toda clase de fenómenos electrostáticos y electromagnéticos, así como las características electromagnéticas de los componentes de un circuito eléctrico. La unidad de intensidad de corriente en el Sistema Internacional de unidades es el amperio. La unidad de carga eléctrica es el culombio, que es la cantidad de electricidad que pasa en un segundo por cualquier punto de un circuito por el que fluye una corriente de 1 amperio. El voltio es la unidad SI de diferencia de potencial y se define como la diferencia de potencial que existe entre dos puntos cuando es necesario realizar un trabajo de 1 julio para mover una carga de 1 culombio de un punto a otro. La unidad de potencia eléctrica es el vatio, y representa la generación o consumo de 1 julio de energía eléctrica por segundo. Un kilovatio es igual a 1.000 vatios.

Las unidades también tienen las siguientes definiciones prácticas, empleadas para calibrar instrumentos: el amperio es la cantidad de electricidad que deposita 0,001118 gramos de APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

plata por segundo en uno de los electrodos si se hace pasar a través de una solución de nitrato de plata; el voltio es la fuerza electromotriz necesaria para producir una corriente de 1 amperio a través de una resistencia de 1 ohmio, que a su vez se define como la resistencia eléctrica de una columna de mercurio de 106,3 cm de altura y 1 mm2 de sección transversal a una temperatura de 0 ºC. El voltio también se define a partir de una pila voltaica patrón, la denominada pila de Weston, con polos de amalgama de cadmio y sulfato de mercurio (I) y un electrólito de sulfato de cadmio. El voltio se define como 0,98203 veces el potencial de esta pila patrón a 20 ºC. En todas las unidades eléctricas prácticas se emplean los prefijos convencionales del sistema métrico para indicar fracciones y múltiplos de las unidades básicas. Por ejemplo, un microamperio es una millonésima de amperio, un milivoltio es una milésima de voltio y 1 megaohmio es un millón de ohmios.

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

CARGA ELÉCTRICA. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de algunas partículas sub-atómicas, que determina las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. Si se toma una varilla de vidrio y se la frota con seda colgándola de un hilo largo, también de seda, se observa que al aproximar una segunda varilla se produce repulsión mutua. Sin embargo, si se aproxima una varilla de ebonita, se observa que atrae a la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen entre sí. Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí

Los efectos eléctricos no se limitan a vidrio frotado con seda o a ebonita frotada con piel, cualquier sustancia frotada con cualquier otra, en condiciones apropiadas, recibe carga en cierto grado. Sea cual sea la sustancia a la que se le comunicó carga eléctrica se verá que, si repele al vidrio, atraerá a la ebonita y viceversa. No existen cuerpos electrificados que muestren comportamientos de otro tipo, es decir, no se observan cuerpos electrificados que atraigan o repelan a las barras de vidrio y de ebonita simultáneamente: si el cuerpo sujeto a observación atrae al vidrio, repelerá a la barra de ebonita y si atrae a la barra de ebonita, repelerá a la de vidrio. La conclusión de tales experiencias es que sólo hay dos tipos de carga y que cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Benjamín Franklin denominó positivas a las que aparecen en el vidrio y negativas a las que aparecen en la ebonita, él descubrió que cuando se frotan dos cuerpos, si uno de ellos se electriza positivamente, el otro adquiere, necesariamente, carga negativa.

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

Sin embargo, debemos señalar que el proceso de electrización consiste en transferencia de carga eléctrica el paso de electrones de un cuerpo hacia otro. La teoría atómica moderna afirma que toda materia está constituida, básicamente, por partículas: protones, electrones y neutrones. Los primeros poseen carga positiva (el tipo de carga con que se electrifica el vidrio), los segundos, carga negativa (el tipo de carga con que se electrifica la ebonita) y los neutrones carecen de carga eléctrica. Un cuerpo no electrizado posee el mismo número de neutrones que de protones. Cuando se frotan dos cuerpos hay una transferencia de electrones de uno hacia otro y el cuerpo que presenta exceso de electrones queda cargado negativamente, mientras que el que los perdió presenta un exceso de protones provocando la existencia de eléctrica positiva. Obsérvese que los electrones y protones no poseen en su seno nada positivo ni negativo, esto sólo es una denominación que se aplica a una propiedad intrínseca de la materia que se manifiesta mediante repulsiones y atracciones. CONDUCTORES Y AISLADORES. Una varilla metálica sostenida en la mano y frotada con una piel no manifiesta estar cargada. Sin embargo, es posible cargar esa varilla si se le provee de un mango de vidrio o ebonita y si el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que los metales, el cuerpo y la tierra son conductores de la electricidad y que el vidrio, la ebonita o los plásticos son aisladores (también llamados dieléctricos) Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido, estas sustancias se denominan conductores y a estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléctrica.

Conductores son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. Si establecemos la analogía con una tubería que contenga líquido, el conductor sería la tubería y el líquido el medio que permite el movimiento de las cargas. Cuando se aplica una diferencia de potencial a los extremos de un trozo de metal, se establece de inmediato un flujo de corriente, pues los electrones o cargas eléctricas de los átomos que forman las moléculas del metal, comienzan a moverse de inmediato empujados por la presión que sobre ellos ejerce la tensión o voltaje.

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

Hay una clase de materiales, llamados semiconductores, que es intermedia entre los conductores y los aisladores por lo que se refiere a su facultad para conducir electricidad, entre esos elementos o materiales se encuentran el silicio (Si), el galio (Ga) y el germanio (Ge). Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder electrones cuando los atraviesa una corriente eléctrica y su característica principal es dejarla pasar en un solo sentido e impedirlo en sentido contrario. El cristal de silicio es el elemento más utilizado en la actualidad como material semiconductor para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados y los microprocesadores que utilizan los ordenadores o computadoras personales, así como otros dispositivos digitales.

En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos, en consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos, estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita, la mica, la goma, la cerámica o el plástico son ejemplos típicos. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica. Es de relevancia tener en cuenta, y puede verificarse experimentalmente, que solamente la carga negativa se puede mover. La carga positiva es inmóvil y únicamente los electrones libres son los responsables del transporte de carga.

Un material puede ser aislante o conductor según su configuración atómica. Un ejemplo notable son los denominados superconductores, típicamente materiales a bajísima temperatura.

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

CONSERVACIÓN DE LA CARGA. En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso eléctrico la carga total se conserva, tal como pensó Franklin. Como se ha señalado, cuando se frota una barra de vidrio con seda, aparece en la barra una carga positiva, las medidas muestran que aparece en la seda una carga negativa de igual magnitud. Esto hace pensar que el frotamiento no crea la carga sino que simplemente la transporta de un objeto al otro, alterando la neutralidad eléctrica de ambos. Así, en un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea. Otro elemento que se comprobado experimentalmente, es el hecho de que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que lo valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima. Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. El conjunto de todos los hechos experimentales conocidos nos permite llegar a las siguientes conclusiones:  Existen dos tipos de cargas eléctricas, que condicionalmente se denominan positivas y negativas.  Las cargas pueden pasar de un cuerpo a otro (por ejemplo por contacto directo). A diferencia de la masa, la carga eléctrica no es una característica imprescriptible de un cuerpo dado. Un mismo cuerpo en diferentes condiciones puede tener diferente carga.  Las cargas de un mismo signo se repelen, mientras que las de diferente signo se atraen. En esto también se diferencian las fuerzas electromagnéticas de las gravitacionales. Las fuerzas gravitacionales siempre son fuerzas de atracción.  Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es la experimentalmente establecida Ley de la conservación de la carga: en un sistema aislado la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos se conserva:

Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como siendo N un número entero, positivo o negativo. Vale la pena destacar que para el electrón la carga es -e, para el protón vale +e y para el neutrón, 0. Se cree que la carga de los quarks, partículas que componen los núcleos atómicos, toma valores fraccionarios de esta cantidad fundamental. APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

Sin embargo, nunca se han observado quarks libres. Esto nos permite deducir que la carga de un cuerpo es la misma independientemente de la velocidad con la que se mueva. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se puede medir por el número de electrones en exceso o en defecto que posee, como se ha señalado, en el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C): 1 C = 6,25 × 1018 electrones. En consecuencia: la carga del electrón es LEY DE COULOMB. La ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb, su descubridor, físico francés que efectuó mediciones de las fuerzas existentes entre cargas puntuales utilizando una balanza de torsión similar a la usada por Cavendish, dichas mediciones permitieron determinar que:

1. La fuerza de interacción entre dos cargas duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas: en

consecuencia:

. 2. Si la distancia entre las cargas es r, al duplicarla, la fuerza de interacción disminuye en un factor de 4; al triplicarla, disminuye en un factor de 9 y al cuadriplicar r, la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16. En consecuencia, la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO MERIDA

Asociando las relaciones obtenidas en 1 y 2:

Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relación anterior en una igualdad:

El enunciado de la Ley de Coulomb que se desprende de la ecuación anterior es el siguiente: Dadas dos cargas puntuales separadas una distancia r en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud esta dada por la ecuación:

La constante k es la constante de Coulomb y su valor es

.

La experiencia muestra que las fuerzas de interacción coulombiana se someten al principio de superposición: Si un cuerpo cargado interactúa simultáneamente con varios cuerpos cargados, la fuerza resultante que actúa sobre el cuerpo dado, es igual a la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre dicho cuerpo por parte de todos los otros cuerpos cargados. La figura explica el principio de superposición tomando como ejemplo la interacción electrostática de tres cuerpos cargados.

APUNTES DE FÍSICA II

Electromagnetismo

Profesor: José Fernando Pinto Parra