Luis Gonzalo Revelo Pabón I.E.M. María Goretti

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LA ELECTRICIDAD

Teoría Atómica.

La materia está formada por moléculas y las moléculas a su vez están formadas por átomos y

el átomo a su vez está formado por un núcleo lugar donde se encuentran los neutrones y pro-

tones y alrededor del núcleo se encuentran girando los electrones.

¿Qué es la electricidad? Los electrones que se encuentran girando en la órbita o nivel de ener-

gía alrededor del núcleo del átomo, don-

de esté movimiento circular facilita a los

electrones a cambiarse de órbita del áto-

mo en el que se encuentra a la órbita de

otro átomo contiguo o vecino a él, dando

origen a la electricidad. Por lo tanto se

denomina electricidad al movimiento de

electrones de un átomo a otro.

Cuando un electrón se encuentra girando en un nivel de energía no emite ni absor-be energía, sin embargo se presentan los siguientes casos:

· cuando un electrón salta de un nivel de energía a un nivel de energía inferior, entonces el electrón desprende energía radiante y

· cuando un electrón salta de una capa o nivel de energía a un nivel supe-

rior, es necesario para este salto comunicarle una energía exterior.

Electricidad! ¿Cómo? Al frotar un

tubo de plástico o PVC con una lani-

lla, se dice que el tubo de plástico

se ha cargado de electricidad es

decir, que por el rozamiento con la

lanilla ha ganado electrones y se

ha cargado negativamente, mientras

tanto que la lanilla ha perdido elec-

trones y se ha cargado positivamen-

te. Por lo tanto al acercar el tubo PVC

a un cuerpo que tenga un equilibrio

de cargas, por ejemplo un trocito de

papel, este es atraído por el tubo de

PVC, o también podrá hacerlo ¡la

lanilla!

Al frotar dos objetos los electrones de uno de ellos pasan al otro objeto. Entonces se concluye que uno de los cuerpos pierde electrones que-dando cargado positivamente, mien-tras que el otro cuerpo gana electrones quedando cargado negativamente.

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Carga eléctrica.

Se denomina carga eléctrica a la cantidad de electricidad que tiene un cuerpo, es decir al exce-

so o defecto de electrones que tiene un objeto (la materia).

Un cuerpo está cargado negativamente cuando tiene un exceso de electrones, y un cuerpo

está cargado positivamente

cuando tiene un defecto de

electrones, los neutrones no

tienen carga eléctrica (ya que

tienen el mismo número de

electrones que de protones).

Por consiguiente, la carga eléc-

trica es una magnitud física medible y cuantificable.

La cantidad de electricidad “neta” de un cuerpo es igual a un número entero de veces la carga

del electrón. Es decir: q=

.q: carga eléctrica.

.n: representa a un número entero.

.e=carga del electrón (-1e= -1,6x10-19

C). Ejemplo: En el siguiente grafico se muestra a cuerpo con la presencia de cuatro electrones y un protón; determinemos el número “n”.

El cuerpo muestra un exceso de electrones entonces: q= 3e de donde se deduce que el número entero es n=3 Pero –e=1,6x10

-19C entonces la carga que tiene los tres

electrones en el cuerpo es igual a: q=3(-1,6x10

-19C)= -4,8x10

-19C

En el sistema internacional (SI) la unidad de medida de la carga eléctrica es el coulombio (C),

que es igual a la carga eléctrica de unos seis trillones de electrones. Es decir:

.qe=-e=-1,6x10-19

C entonces al despejar C se tiene que:

1C=6,25x1018

e

1C=6,25x1018

electrones

La carga de un protón tiene el mismo valor del electrón pero con signo contrario .qp=+e= +1,6x10

-19C.

Ejemplo. Calcular la carga eléctrica de una esfera que tiene un exceso de 10

20 electrones.

Como hay un exceso de electrones, entonces la carga eléctrica de la esfera es negativa. Luego

q= remplazamos

q=- 1020

=-16C

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Ley de Coulomb La fuerza de repulsión o atracción entre dos cargas eléctricas (q1, y q2) es directamente pro-

porcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia

que las separa (r). Es decir:

Fuerza en la carga q1 (de atracción o de repulsión), debido por la carga q2 (se mide en N)

Fuerza en la carga q2 (de atracción o de repulsión), debido por la carga q1 (se mide en N)

K: constante de proporcionalidad (en el vacío vale k=9x )

.q1, q2: cargas eléctricas (se mide en C)

.r: distancia entre las dos cargas (m) Si ambas cargas tienen el mismo signo, es decir, si ambas cargas son positivas o ambas son negativas, entonces la fuerza es repulsiva y sii las dos cargas tienen signos opuestos enton-ces la fuerza es atractiva. La ley de Coulomb es válida únicamente para objetos cargados cuyas dimensiones sean pe-queñas comparadas con la distancia que las separa. Esto se expresa diciendo que dicha ley es válida para cargas puntuales, es decir, cargas eléctricas que se suponen concentradas en un punto Como las unidades de fuerza, carga y distancia en el sistema SI se han definido independien-temente de la Ley de Coulomb, el valor numérico de la constante de proporcionalidad K debe medirse experimentalmente. El valor de la constante K depende de la naturaleza del medio. El valor numérico de la constante K depende de la opción de unidades. Si la fuerza está en New-ton, la distancia en metros (m), y la carga en coulomb (C), entonces K tiene un valor de 9 x 10

9

New. m2 /C

2. (K = 9 x 10

9 New. m

2 /C

2).

La constante K se escribe como: donde =8,854x10-12

C2/Nm

2 y es conocida

como el coeficiente de permitividad.

Limitaciones de la Ley de Coulomb

-La expresión es aplicable para las cargas puntuales solamente. -La fuerza es indefinida para r = 0

Unidades de la Carga Eléctrica

Coulomb (C). Es la unidad de carga eléctrica en el sistema MKS y se define como la carga eléctrica capaz de atraer o repeler a otra igual situada en el vacío y a la distancia de un metro y con la fuerza de 9x10

9 Newton.

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StatCoulomb. Es la unidad de carga del sistema C.G.S y se define como la carga eléctrica capaz de atraer o repeler a otra igual en el vacío y a la distancia de un centímetro con la fuerza de una DINA.

1 coulomb = 3x109 statcoulomb

1 coulomb = 6X1018

electrones

Submúltiplos:

La carga eléctrica elemental o unidad natural de carga es el electrón y se designa con la letra minúscula –e. Véase tabla de carga y masa del electrón, protón y neutrón.

Carga y Masa del electrón, protón y neutrón

Partícula Carga Masa

Electrón (-e) -1,602x10-19

C 9,10x10-31

kg

Protón (+e) +1,602x10-19

C 1,67x10-27

kg

Neutrón 0 1,67x10-27

kgr.

La ecuación es aplicable únicamente para una pareja de cargas. Ahora si se tiene

más de dos cargas entonces para encontrar el módulo de la fuerza resultante (FR) ejercida sobre una de ellas, digamos q1, se aplica el principio de superposición de fuerzas. Principio de Superposición de Fuerzas

El principio de superposición de fuerzas se cumple cuando dado un conjunto de cargas

(Q1,Q2,Q3,Q4) se pretende encontrar el valor de la fuerza resultante (FR) en una y solamente

en una de las carga de ellas (Q1), donde la fuerza resultante está determinada por la suma

vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre ella.

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Ahora:

1. Si el conjunto de cargas está formado por tres cargas, (Q1,Q2,Q3) entonces para encon-trar el módulo de la fuerza resultante (FR), se emplea el método del Paralelogramo. Es

decir:

Dónde:

: Fuerza resultante

Fuerza en la carga Q1 de atracción, debido por la carga Q2

Fuerza en la carga Q1 de repulsión, debido por la carga Q3

: Angulo formado entre los dos vectores F1,2 y F1,3.

2. Si el conjunto de cargas está formado por más de tres cargas, entonces se aplica el método de las coordenadas rectangulares, teniendo en cuenta que las componentes verticales y horizontales de cada uno de los vectores descompuestos llevan el respec-tivo signo del cuadrante del plano cartesiano en el cual se ubique el vector componen-te.

Entonces el valor de la fuerza resultante será igual a: FR=