ELECTROSTÁTICA

ELECTROSTÁTICA

1. DEFINICIÓN

   • Es la rama de la física que estudia las interacciones entre cargas eléctricas cuando las partículas electrizadas se hallan en reposo
     • Mientras que
       • La electrodinámica y el electromagnetismo estudian el comportamiento de las cargas cuando estan en movimiento

2. CAMPO ELÉCTRICO

   • Región existente alrededor de una carga o cuerpo donde se manifiestan los fenómenos electrostáticos
     • Vector Campo Eléctrico
       • Dado a partir de la relación entre la fuerza eléctrica y el valor de la carga de prueba.
   • FÓRMULAS
     • E = F/q
     • E = K.q/d2
   • UNIDAD
     • Sistema MKSC: Nw/Coul
   • PROPIEDADES
     • El n° de líneas de fuerza que atraviesan una superficie es proporcional al valor del campo
       • Las líneas de fuerza se dirigen desde las positivas hasta las negativas.
         • Por un punto del campo eléctrico pasa solo una línea de fuerza.
           • El vector del campo es tangente a la línea de fuerza.
   • Se Puede Calcular con fuerzas
     • Modelando con
       • Ley de Coulomb
         • La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas, tal y como establece la ley de Coulomb, depende del inverso del cuadrado de la distancia que los separa.
         • FUERZA DE ATRACCIÓN O REPULSIÓN
           • ley de cargas enuncia
             • Cargas de igual signo se repelen
             • las de diferente signo se atraen;
             • fuerzas electrostáticas entre cargas de signos opuestos (una carga positiva y otra negativa), son de atracción.
         • la fuerza F (newton, N) con que dos carga eléctricas Q y q (culombio, C) se atraen o repelen es proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r (metro, m) que las separa.
         • La constante proporcional es
           • El valor en el vacío es
         • Ejemplos de la vida diaria
           • Frotamiento de un gancho de plástico con un suéter de seda.
             • El plástico es un material aislante, que por su estructura atómica no permite liberar electrones, y por lo tanto, no permite la circulación de los mismos a través de él. Esto produce que el suéter ceda electrones al gancho de plástico, quedando cargado negativamente y el suéter de seda positivamente. Se puede notar que los cuerpos se electrizan por frotamiento, en donde ambos terminan con cargas opuestas, ya que uno libera electrones y el otro los toma.
         • Unidad de carga eléctrica
           • Sistema MKSC
             • La carga eléctrica capaz de interactuar con otra igual, colocada en el vacío y la distancia en metro con una fuerza de 9.10 a la nueve  Nw
           • Sistema c.g.s.s
             • 1 coul = 3.10 a la nueve stc
         • Ejemplo 2 de la vida diaria
           • Ropa electrizada al sacarla de la secadora.

3. MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS DENTRO DE UN CAMPO ELÉCTRICO

   • Las partículas en el campo experimentan una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico.
   • Características
     • Si el campo es uniforme, la fuerza y la aceleración son constantes.
     • Las líneas de campo deben ser todas en la misma dirección y con la misma separación.
       • Se logra al colocar dos placas cargadas con signos contrarios a una distancia "d", como se muestra en la figura.
   • PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA
     • Se aplica si el campo eléctrico es conservativo.
     • La energía potencial q(V'-V) se transforma en energía cinética.
     • Siendo V'-V la diferencia de potencial existente entre dos puntos distantes x.
     • En un campo eléctrico uniforme V'-V=Ex.
   • FÓRMULAS
     •    F=q.  E a=F/m a=(q . E) / m  v=a.t  V= (q. E) / m  .  t y=  (a . t^2)/2 y= [ (q. E)/2m ] . t^2  y = (q. E) / 2m  .  X^2 /〖Vo〗^2  Con las fórmulas de MRUV obtenemos la velocidad de la partícula en cualquier instante o después de haberse desplazado una determinada distancia.     v=Vo+at d=Vo.t+(a.t^2)/2
   • CARGAS
     • Positiva
       • experimenta una fuerza en el sentido del campo
     • Negativa
       • experimenta una fuerza en sentido contrario al campo
   • Dato curioso
     • 1987
       • El físico alemán Heinrich Hertz demuestra la existencia de las ondas electromagnéticas, descubiertas teóricamente por James C. Maxwell en 1865.
   • Aplicaciones en la vida diaia
     • Ejemplo 1
       • Una palanca aplica presión a un cristal piezoeléctrico creando un campo eléctrico lo bastante fuerte para producir una chispa que encienda el gas.
     • Ejemplo 2
       • El flujo de agua de un río es un campo de vectores, llamado campo de flujo.

4. LEY DE GAUSS

   • Es la relación entre el flujo eléctrico que atraviesa una superficie cerrada y la carga eléctrica que se encuentra en su interior.
     • Establece que el flujo de campo eléctrico que atraviesa una superficie cerrada es igual a la carga neta situada en su interior dividida por la constante dieléctrica del medio.
   • FÓRMULA
     • ΦE=∮S E ⋅ dS = Q/ε
       • donde:
         • ΦE es el flujo neto de carga
           • E→ es la intensidad de campo eléctrico
             • dS→ es un diferencial del vector de superficie (trozo elemental de superficie)
               • Q es la carga contenida en la superficie
                 • ε es la constante dieléctrica del medio
   • EJEMPLO DE VIDA COTIDIANA
     • La ley de Gauss puede ser utilizada para demostrar que no existe campo eléctrico dentro de una jaula de Faraday.

5. CAPACIDAD ELÉCTRICA

   • CAPACIDAD ELÉCTRICA = C Es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para un potencial eléctrico dado. 
   • CIRCUITOS Y CONDENSADORES
     • Condensadores esféricos
       • Están formados por dos superficies conductoras esféricas, concéntricas de radios a y b, cargadas con cargas iguales y opuestas +Q y –Q, respectivamente.
       • Fórmulas
         • C = Capacidad (faradios) V = Diferencia de potencial q = Carga eléctrica (coul) 
     • Condensadores de placas paralelas
       • Posee dos placas metálicas de gran tamaño separadas por un dieléctrico o un no conductor como el vacío.
       • Definición
         • Disposición de dos placas metálicas conectadas en paralelo separadas entre sí por cierta distancia.
           • Un medio dieléctrico ocupa el espacio entre las placas. (K)
             • Puede ser
               • aire
               • vacío
               • Materiales conductores
                 • mica
                 • vidrio
                 • lana de papel
                 • Gel electrolítico
           • En un Capacitor de placas paralelas
       • Principios
         • La capacidad de un condensador de placas paralelas es directamente proporcional al área de las placas e inversamente proporcional a la distancia entre ellas.
           • Se representa como: I I
         • Si entre las placas de un condensador se coloca un dieléctrico su capacidad aumenta en un factor K, que depende solamente de la naturaleza del material aislante.
           • K = constante dieléctrica
       • Fórmulas
   • Definición
     • Relación constante entre la carga que se suministra a un conductor aislado y el potencial que este adquiere.
       • CONDENSADORES
         • Consiste en un condensador de placas paralelas (plano), es decir un par de placas conductoras cargadas uniformemente con signo diferente.
         • El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador.
   • Potencial de un conductor esférico
     • Fórmulas
       • Fórmula principal
         •  C = Capacidad (faradios) V = Diferencia de potencial q = Carga eléctrica (coul)
         • Fórmula reescrita
           • Se reescribe  de manera que todos los valores queden constantes en ambos miembros. Para que esto suceda debe ocurrir que si a nuestro conductor se le aumenta o disminuye la carga que se le suministra inmediatamente el valor del potencial V que adquiere aumentará o disminuirá respectivamente.
   • Unidades
     • En el sistema M.K.S.C y en el sistema Internacional (S.I) la unidad de capacidad es el Faradio ( f )
     • Por ser el faradio una unidad muy grande se usa en la práctica algunos submúltiplos, se utiliza mayormente en microfaradio
       • [ 1  f = 10-6 f ]
   • La capacidad eléctrica de un conductor aislado al que se le suministra la carga de un coul para aumentar su potencial en un voltio.
   • Aplicaciones en la vida diaria
     • Ejemplo
       • Filtros de alimentadores de corriente
         • En el caso de los filtros de alimentadores de corriente, utilizados comúnmente en la ingeniería para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. 

6. DIFERENCIA DE POTENCIAL ELÉCTRICO

   • Relación entre el trabajo realizado para mover la carga positiva de un punto a otro de un campo a velocidad constante y valor de dicha carga.
   • FÓRMULAS
     • V = K . q/d
     • V = E . d
     • W = qo . E . d
     • V = W/qo
   • UNIDAD
     • Sistema MKSC: Joule/Coul = Voltio (Vol)
       • Sistema cgss: statvoltio (stv) 1 vol = 1/300 stv
   • MAGNITUD ESCALAR
   • En la vida cotidiana se utiliza para:
     • Movimiento o funcionamiento de maquinarias y líneas de producción industrial
       • Iluminación de viviendas y alumbrado público
         • Aparatos electrodomésticos

7. CREACIÓN DE ESTADOS ELÉCTRICOS

   • Consiste cuando
     • La Materia
       • Es intrínsecamente eléctrica
       • Constituidas por Átomos que pueden ganar o perder electrones o protones siendo más fácil el desprendimiento de electron que de un protón
         • Un Átomo neutro es = #-e = #e+
         • Por ello el cuerpo tiene
           • Estado eléctrico negativo
             • si el  #e-  >#e + 
           • Estado eléctrico positivo
             • si el  #e-< #e + 
           • Estado eléctrico neutro
             • si #e-= #e +
           • Existren tipos de cuerpos
             • Cueros cargados
               • Consiste cuando  varios Átomos procede a quitar o agregar electrones tendremos un cuerpo cargado  
             • Cuerpos Aisladores
               • Al ser cargados conservan esa carga en el sitio de penetración 
             • Cuerpo conductores
               • Estos dejan circular los electrones en su interior por ende no se pueden cargar 
       • Puede estar
         • Electrizada
           • Genera
         • Neutra
       • Se puede electrizar a través de
         • Métodos de Electrización
           • Contacto
             • El cuerpo conductor es puesto en contacto con otro cuya carga es nula. Aquel cuerpo que presente un exceso relativo de electrones los transferirá al otro. Al finalizar la transferencia los dos cuerpos quedan con carga de igual signo
               • se crea una barra nuclear que impide el movimiento de partículas sub biónicas nucleares.
           • Frotamiento
             • La fuerza de fricción aplicada produce una liberación de energía en forma de calor, que mas que depender de la superficie de contacto, depende más de la naturaleza de los materiales que forman estos objetos.
               • La que se produce por frotamiento entre una varilla de vidrio y una tela de seda
               • Dicha atracción es provocada por la Fuerza Eléctrica
           • Polarización
             • Modificación de la distribución de carga que ocurre en un material aislador por efecto de un campo eléctrico.
           • Inducción
             • Es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.

8. HISTORIA

   • Siglo 600 a. C
     • Tales de Mileto
       • Descubrió que si frotaba un trozo de la resina vegetal fósil llamada ámbar, en griego élektron, este cuerpo adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos.
   • Siglo XVII
     • William Gilbert
       • Estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la navegación con brújulas magnéticas
   • 1733
     • Francois de Cisternay du Fay
       • Propuso la existencia de dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa
         • Constatando que: *Los objetos frotados contra el ámbar se repelen. *También se repelen los objetos frotados contra una barra de vidrio. *Sin embargo, los objetos frotados con el ámbar atraen los objetos frotados con el vidrio
   • 1785
     • Charles Coulomb
       • Publicó un tratado en el que se describían por primera vez cuantitativamente las fuerzas eléctricas, se formulaban las leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y se usaba la balanza de torsión para realizar mediciones.
   • 1864
     • James Clerk Maxwell
       • Unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemáticas.

9. CARGA ELÉCTRICA

   • Definición
     • Es una propiedad intrínseca de la materia responsable de producir las interacciones electrostáticas.
     • las cargas pueden
       • Circular libremente por la superficie de determinados cuerpos.
         • Aquellos que permiten dicho movimiento
           • Recibe el nombre de Conductores
           • No lo permiten se denominan aislantes.
   • Principios de conservación de la carga: La carga ni se crea ni se destruye ya que su valor permanece constante.
   • Unidad
     • La carga eléctrica (q) es una magnitud derivada cuya unidad recibe el nombre de culombio (C)
       • En honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb. 
     • (C) es la cantidad de carga eléctrica que atraviesa cada segundo (s) la sección de un conductor por el que circula una corriente eléctrica de un amperio (A).
   • Propiedades
     • La carga esta cuantizada
       • Lo que nos indican la existencia solo de cargas múltiplos de electrón
     • La carga permanece constante
       • En cualquier proceso la cantidad neta de carga producida es 0
     • La carga se localiza en la superficie
       • En todo cuerpo conductor se la carga se distribuye en la superficie exterior
     • La carga presenta la invariancia
       • Existen gran cantidad de magnitudes físicas que varían cuando los objetos se mueven a
         • velocidad próxima a las 300000000m/s
           • Aquí los relojes se hacen lentos
             • Las longitudes se contraen y la masa aumenta. La carga se mantiene , la carga de una partícula permanece siempre igual
   • Ejemplo de la vida diaria
     • La que ocurre al pasar un peine por el cabello

Imágenes y archivos del mapa