Todos estamos familiarizados con los efectos de la electricidad estática, incluso algunas personas son más susceptibles que otras a su influencia. Ciertos usuarios de automóviles sienten sus efectos al cerrar con la llave (un objeto metálico puntiagudo) o al tocar la chapa del coche.

El término eléctrico, y todos sus derivados, tiene su origen en las experiencias realizadas por Tales de Mileto, un filósofo griego que vivió en el siglo sexto antes de Cristo. Tales estudió el comportamiento de una resina fósil, el ámbar -en griego elektron-, observando que cuando era frotada con un paño de lana adquiría la propiedad de atraer hacia sí pequeños cuerpos ligeros; los fenómenos análogos a los producidos por Tales con el ámbar o elektron se denominaron fenómenos eléctricos y más recientemente fenómenos electrostáticos.

La electrostática es la parte de la física que estudia este tipo de comportamiento de la materia, se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo.

QUÉ ES LA ELECTRIZACIÓN ?Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática.

Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha deátomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones.

Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material

tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo . Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo.

Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente:

Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.

Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material.

La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (entonces, la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

FORMAS DE ELECTRIZACIÓN

Electrización por frotamientoLa electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se

ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

Electrización por contactoLa electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos

COLEGIO INTEGRADO NUESTRA SEÑORA DE LAS MERCEDESAREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTALGRADO: UNDÉCIMO SEGUNDO PERÍODOPROFESOR. ANNIE JULIETH DELGADO M. GUÍA 6. ELECTROSTÁTICA. CARGAS ELÉCTRICASNOMBRE: _____________________________________________ FECHA: ____________________________

positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

Electrización por inducciónLa electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

¿Qué es Un Átomo?Un átomo es:El componente básico de toda materia. Es una partícula muy pequeña. Los átomos poseen un núcleo, protones y neutrones rodeado por los electrones.

Átomo Eléctricamente Neutro

Electrones ( - ): Partículas subatómicas con una carga eléctrica elemental negativa y una cierta masa.

 Protones (+):Partículas subatómicas con una carga eléctrica elemental positiva y una cierta masa.

Neutrones: Es un barión neutro formado por dos quarks.

Bariones: Son una familia de partículas subatómicas formadas por tres quarks.

Quarks: Son los constituyentes fundamentales de la materia y las partículas más pequeñas que el hombre ha logrado identificar.

Un átomo eléctricamente neutro es aquel cuya cantidad de electrones es igual a la cantidad de protones

Partícula Masa (kg) Carga ©electrón 9,1 x 10-31 -1,6 x 10 -19

protón 1,67 x 10-27 +1,6 x 10 -19

neutrón 1,67 x 10-27 0

Cuerpo eléctricamente cargado

Un cuerpo puede estar cargado:Negativamente… si tiene un exceso de electrones.

Positivamente: si tiene un déficit de electrones.

Si por algún mecanismo se logra que los electrones libres de un cuerpo pasen a otro, un cuerpo perderá electrones (se electriza positivamente) y el otro ganará electrones (se electriza negativamente).

 CARGA ELÉCTRICA

La carga eléctrica es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga eléctrica.

En el S.I. La unidad de carga es el Culombio o Coulomb (C) que se define como la cantidad de carga que fluye por un punto de un conductor en un segundo cuando la corriente en el mismo es de 1 A.

Submúltiplos del Coulomb

1 nC = 10-9 C Nanocoulomb1 μC = 10-6 C Milicoulomb1 mC =10-3 C Microcoulomb

Propiedades De Cuerpos Cargados Eléctricamente

Dualidad de la carga: Todas las partículas cargadas pueden dividirse en positivas y negativas, de forma que las de un mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se atraen.

Cargas de igual signo

 

cargas de diferente signo

 Conservación de la carga: En cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas presente en cierto instante no varía.

“La carga no se crea ni se destruye; se transfiere * Entre átomos. * Entre moléculas. * Entre cuerpos”

 

El átomo de magnesio tiene 12 electrones, cada uno de los cuales tiene una carga negativa de magnitud 1,6 • 10–

19 C; y 12 protones, cada uno de los cuales tiene una carga positiva de magnitud 1,6 •

10–19 C. Al ionizarse, dicho átomo “pierde” dos electrones. De acuerdo con esta información la carga eléctrica total (neta) del ion de magnesio es

A) +3,2 • 10–19 C.

B) - 3,2 • 10–19 C.

C) - 16 • 10–19 C.

D) +22 • 1,6 • 10–19 C.

E) -22 • 1,6 • 10–19 C.

Los fenómenos de la electrización y la conducción pueden explicarse como el resultado de la acción de fuerzas eléctricas. Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se establece un tipo de fuerzas, llamadas electrostáticas, de tal forma que, si las partículas cargadas son suficientemente pequeñas como para que puedan considerarse puntuales, se cumple en las siguientes condiciones:

La fuerza establecida entre ambas tiene una dirección que coincide con una línea recta imaginaria que une las dos cargas. La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva). El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza repulsiva). F12 = - F21

Ley de Coulomb

La magnitud de las fuerzas eléctricas de atracción y repulsión entre cargas se rige por el principio fundamental de la electrostática, también llamado ley de Coulomb. Esta ley establece que la fuerza de atracción (o repulsión) entre dos cargas eléctricas puntuales de distinto (o igual) signo es directamente proporcional al producto del valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la

distancia que las separa:

F=Kq1 .q2

R2

La constante de proporcionalidad K se define del modo siguiente:

donde Є0 es una constante denominada permitividad eléctrica del vacío, cuyo valor es 8,8542·10-12 C2/N·m2.

Enunciado de la ley de Coulomb

La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos. La fuerza varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas y es proporcional al valor de cada una de ellas.

Ejercicios modelo

1. Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = + 1 x 10-6 C. y q2 = + 2,5 x 10-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.

2. Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C. y q2 = +2 x 10-5 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.

3. Sobre los extremos de un segmento AB de 1.00 m. de longitud se fijan dos cargas. Una q1 =+4 x 10-6C. sobre el punto A y otra q2=+1 x 10-6C. sobre el punto B . a) Ubicar una tercera carga q=+2 x10-6C. sobre AB de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultánea de las dos cargas dadas. b) La ubicación correcta de q, ¿depende de su valor y signo?

COLEGIO INTEGRADO NUESTRA SEÑORA DE LAS MERCEDESAREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTALGRADO: UNDÉCIMO SEGUNDO PERÍODOPROFESOR. ANNIE JULIETH DELGADO M. GUÍA 7. FUERZA ELÉCTRICANOMBRE: _____________________________________________ FECHA: ____________________________

4. Dada la configuración de cargas que se observan en el dibujo adjunto, calcular la fuerza que actúa sobre cada una de las cargas. q1= - 4 x 10-3 C.  q2= - 2 x 10-4 C.  q3=+5 x 10-4 C.

1. Una cuchara de vidrio inicialmente neutra, esfrotada de tal manera que recepciona 25 x 1018

electrones. Determine la cantidad de carga eléctrica adquirida por la cuchara.

2.Dos esferas de vidrio de igual radio, una electrizada con una carga de 8 μC y la otra neutra entran en contacto.a.Qué ocurre cuando las esferas entran en contacto?b. Qué cantidad de electrones se pusieron en movimiento?c. Qué cantidad de carga adquiere cada esfera?

3. Un lapicero electrizado con +8x10-16 C es frotado, modificándose su carga eléctrica, tal que posee al final una cantidad de +24 x 10-16C. determine si el lapicero ganó o perdió electrones y en qué número.4. Dos partículas electrizadas con +50μC y +60μC interactúan a una distancia de 3m. Con qué fuerza se repelen?5. Se muestran tres cargas. Si el módulo de la fuerza que A hace sobre B es 3N, determine la fuerza eléctrica resultante sobre B.

6. Dos partículas de cantidad de carga eléctrica q1= 2mC y q2 = -8μC, se encuentran separadas 0,2m. Con qué fuerza se atraen las partículas?7. Sean las cargas q1 (Q), q2 (-2Q) y q3 (3Q) (entre paréntesis se indica la magnitud de sus cargas) situadas respectivamente en los puntos (2,-3,1), (-2,0,3) y (2,2,-1). ¿Cuál es la fuerza total que las cargas q2 y q3 ejercen sobre la carga q1?.

8. Sea una carga Q situada sobre el eje Y en el punto (0,3) y otra carga q situada sobre el eje X en el punto (4,0). ¿En qué punto deberíamos situar una carga 2Q para que la fuerza total sobre la carga q se anule?

9. Se tienen tres cargas eléctricas en los vértices de un triángulo equilátero de lado l (ver figura). (l = 1 m, q1=q2=5 nC, q3= -5 nC). Calcular y dibujar el diagrama de las fuerzas creadas por q1 y q2 sobre q3

y la fuerza total que actúa sobre q3.

10. En el sistema en equilibrio, determine la deformación del resorte aislante, si las esferas electrizadas son ingrávidas y k = 19 N/cm

11. Un bloque de madera tiene incrustada una bolita electrizada tal como muestra la figura. Determine la fuerza que el agua ejerce al bloque de 0,5 kg

12. Dos cargas cada una de -3μC se repelen con una fuerza 2N Halla la distancia entre ellas.

13. Dos cargas de +6μC y -4μC están separadas 20 cm En qué punto debe colocarse una carga q para que la fuerza resultante sea cero?

14. La gráfica muestra el valor de las fuerzas con que se atraen dos cargas iguales pero de signos contrarios en función de la distancia que las separa. A) a qué distancia la fuerza de atracción es de 10N? b) Con qué fuerza se atraen cando están separadas 10 cm? C) si las cargas están en el vacío cuál es el valor de cada una?

15. Una carga puntual q repele a una carga 3q con una fuerza de 1,5N cuando están separadas 0,5m Cuál es la magnitud de q?

PREGUNTAS TIPO PRUEBA SABER

1.Dos esferas pequeñas se fortan produciéndose una transferencia de 1015 electrones. Luego se les sepra una distancia de 3m. El módulo de la fuerza que experimentan es:

A. 20N B. 22,8 N C. 24N D. 25,6N E) 28N

2. La cantidad de electrones que origina una carga de 4,8 x 10-19C es:

A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5

3. Dos esferas de igual radio, electrizadas, una con 16 μC y la otra con -32μC se ponen en contacto. La cantidad de electrones que gana o pierde la primera esfera es :

A. Gana 5 x 1014e- B. Pierde 5 x 1014e-

C. Gana 5 x 1014e- D. Pierde 1,5 x 1014e-

E. Gana 1,6 x 1013e-

4. Si el módulo de la fuerza eléctrica que la partícula A le ejerce a B es 8N. si la fuerza eléctrica resultante sobre B es de 17N, el valor de q es:

A. 45μC B. 8μC C. -45μC D. -8μC

E. Ninguna de las anteriores

5. Una partícula electrizada con Q = 300μC se encuentra fija, otra partícula de 360 gr y carga q se encuentra en equilibrio como muestra la gráfica. Ignorando el rozamiento, el valor de q es:

A. 1μCB. 10μCC. 100μCD. 150μCE. 200μC

6. Tres partículas electrizadas están igualmente espaciadas a lo largo de una recta. El valor de q para que +Q se encuentre en equilibrio es:

A. Q B. 2Q C.3Q D. 4Q E.6Q

7.Se tienen dos partículas electrizadas con q y (q+1), separadas una distancia d. Si se triplica la distancia, la fuerza de interacción entre ellas se reduce en:

A. 1/9 B. 2/9 C. 1/3 D. 2/3 E. 8/9

8. El valor de la fuerza de repulsión entre las cargas es de:

A.100N B. 200N C. 250N D. 400N E. 500N

9. La aceleración del bloque de 2 kg de masa, cuando se encuentra a 3m de la carga Q = 3 x 10-4C sabiendo que q = 2 x 10 -4C y el coeficiente de rozamiento entre el bloque y el piso es 0,5 es:

A. 25 m/seg2 B. 35 m/seg2 C. 15 m/seg2

D. 45 m/seg2 E. 55 m/seg2

10. El sistema mostrado, se encuentra en equilibrio. Si la esfera “1” es de 200N y la carga eléctrica “2” es de -60μC ,la cantidad de carga de la esfera “1” es:A. 10 μC B. -10 μC C. -25 μC D. 25 μC E. -30 μC