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Unidad 1: Fuerza elctrica, campo elctrico, energa potencial, capacitancias.

Electricidad y electromagnetismo.

Presentado por:

Guillermo Daniel Guevara.

Cdigo: 80021517.

Paola Lucia Duarte Morales.

Cdigo: 1.010.206.113.

Deivy Faviany Vanegas Vsquez.

Cdigo: 80829122.

Grupo: 2150502_15

Presentado a

Ing. Orlando Harker.

Tutor.

Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD.

CEAD Jos Acevedo y Gmez.

Escuela de Ciencias Bsicas, Tecnologa e Ingeniera.

22/03/2015

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INTRODUCCION.

Electrosttica es una introduccin a la electricidad. Hay algunos conceptos bsicos como los tipos de

carga, la ley elctrica-las fuerzas de Coulomb, campo elctrico, la energa potencial elctrica y

potencial elctrico, los condensadores y la capacidad y las conexiones de los condensadores en esta

parte del sitio

Dado que el objetivo de este curso ser el estudio bsico de los principales fenmenos

electromagnticos y buena parte de estos fenmenos estn relacionados con la interaccin de cargas

elctricas, empezaremos este tema con el estudio de las interacciones de cargas elctricas en reposo.

La parte del Electromagnetismo que aborda esta materia se denomina Electrosttica. La carga elctrica

es una propiedad fundamental e intrnseca de la materia (al igual que la masa) que tiene las siguientes

propiedades:

Presenta dos polaridades: positiva y negativa. Cantidades iguales de ambas polaridades se anulan entre

s.

La carga total del universo (suma algebraica de todas las cargas existentes) se conserva, esto es, la

carga no se puede crear ni destruir.

No obstante, debe notarse que esto no imposibilita que cargas positivas y negativas se anulen entre s.

Adems de esta propiedad de conservacin global, la carga tambin se conserva localmente. Esto

quiere decir que si cierta carga desaparece en un sitio y aparece en otro, esto es porque ha viajado de un punto a otro.

La carga esta cuantizada: cualquier carga que existe en la naturaleza es un mltiplo entero de una carga

elemental qe. Esta carga elemental corresponde a la carga del protn.

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1. Desarrollo de la actividad.

1. Determinen la fuerza elctrica que acta sobre las cargas q1 = + 1 x 10-6 C y q2 = + 2,5 x 10-6C, las cuales se encuentran en reposo y en el vaco a una distancia de 5 cm.

Dibujen un esquema del ejercicio. La fuerza elctrica es de atraccin o de repulsin? Justifiquen su

respuesta.

Respuesta:

Para calcular la fuerza de interaccin entre dos cargas elctricas puntuales en reposo recurrimos a la

LEY DE COULOMB por lo tanto debemos transformar todas las magnitudes al sistema internacional.

1 = +1 106

2 = +2,5 106

= 5

= 1 2

2

= 5 = 0.05

= 9 109 2

2

= 9 1092

2

1 106 2,5 106

(0.05)2= 9

Como la fuerza obtenida es de signo positivo nos indica que la fuerza es de repulsin.

q1

q2

d

q1

q2

d=5cm

F

F

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Para el desarrollo del ejercicio tenemos los siguientes datos de entrada:

. q1 = +1 x 106C

. q2 = +2.5 x 106C

. r = 5cm = 5 x 102m K = 9 x 109Nm2/ C2 Para calcular la fuerza solicitada aplicamos la ley de Coulomb:

F =Kq1 q2

r2=

(9x109 Nm2/C2)(1x106C)(2.5x106C)

(0.05m)2=

Como las cargas son de signo positivo, podemos justificar que la fuerza es de repulsin.

Esquema del ejercicio

2. Determinen el valor del campo elctrico en un punto A sabiendo que si se coloca un electrn en

dicho punto recibe una fuerza de F = 6,4 x 10-14 N. Recuerden que la carga del electrn es e - = -1,6 x

10-19 C.

Dibujen un esquema del ejercicio.

Respuesta:

Para calcular el valor del campo elctrico en el punto A debemos utilizar la definicin de Campo

Elctrico.

= 6,4 1014

= 1,6 1019

=

=6,4 1014

1,6 1019 = 4 105

F

A

R=5cm +q2 +q1

+q1

-q2

F2.1=? F1.2=?

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Como la carga del electrn es negativa, el sentido de la fuerza es opuesta a la del campo elctrico, esto

nos indica que el vector fuerza y el campo elctrico son colineales pero de sentidos opuestos.

Respuesta:

Para calcular el valor del campo elctrico en el punto planteado, recurrimos a la definicin de campo elctrico,

por lo cual:

E =F

q=

6,4 . 1014N

1,6 . 1019 C= .

Debido a que la carga del electrn es negativa, el sentido de la fuerza es opuesto al del campo, ya que es una

operacin donde el escalar es negativo, el resultado del campo es negativo lo que nos est sealando que el

vector fuerza y campo son coloniales pero de sentidos opuestos.

Respuesta: El campo elctrico en el punto vale 4x105NC, por lo cual las dems caractersticas del vector (direccin, sentido y punto de aplicacin) las podemos observar en el siguiente esquema:

Esquema del ejercicio

F

A

E

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3. Un campo elctrico uniforme de valor 200 N/C tiene la direccin x positiva. Se deja en libertad una

carga puntual Q = 3 x 10-6 C, inicialmente en reposo y ubicada en el origen de coordenadas.

a) Cul es el cambio en energa potencial del sistema, si la carga se desplaza desde x = 0m hasta x

=4m?

Respuesta:

La diferencia de energa potencial se calcula como

U =

U = 800 3 106 = 2.4 103

= = 0

= (3106) (200

) (4)

= 2,4103

b) Cul es la diferencia de potencial V (0-4) = V (4m) - V (0m)?

Respuesta:

Sabemos que = U y que por la definicin de gradiente de potencial

=

=

= (200

) (4) = 800

= 800

Respuesta: La variacin de energa potencial elctrica de la carga desde x = 0 a x = 4 m es - 2.4 x 10-3

J, La diferencia de potencia V (0-4)= - 800 v

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4. Calculen la capacidad equivalente a los condensadores: C1 = 3mF, C2 = 6mF y C3 = 12mF, si:

a) estn conectados en serie

Respuesta:

La configuracin de condensadores que debemos resolver corresponde a una serie por lo que su

capacidad equivalente es:

=1

3+

1

6+

1

12

= 5,83101

b) estn conectados en paralelo.

Respuesta:

La configuracin de condensadores que debemos resolver corresponde a un paralelo por lo que su

capacidad equivalente es:

= 3 + 6 + 12

= 21

Recuerden que el prefijo m es de mili y equivale a 10-3

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5. Desarrollo de las actividades del entorno prctico.

Figura No 1.

Frota la esfera azul en el chaleco.

Figura No 2.

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Conclusin:

Todo cuerpo (chaleco) se compone de tomos, cada uno de los cuales posee igual nmero de electrones

y protones.

Los electrones poseen una carga negativa, y los protones una carga positiva. Estas cargas se

contrarrestan unas a otras, para que el objeto resulte neutro (no cargado).

Pero al frotar la esfera azul sobre un chaleco los electrones saltan del chaleco la esfera azul se carga de

electricidad esttica.

La esfera azul pasa a tener ms electrones que protones y se carga negativamente, mientras que el

chaleco con ms protones que electrones, se carga positivamente.

Por lo tanto, se pueden definir dos tipos de cargas elctricas:

1.- Carga positiva: Corresponde a la carga del protn.

2.- Carga negativa: Corresponde a la carga del electrn.

Las cargas elctricas no se crean al frotar un cuerpo, sino que se trasladan.

Conclusin: Cuando se frota la esfera azul con el chaleco se produce un desequilibrio elctrico al agregar o quitar electrones.

El chaleco queda cargado elctricamente, es decir, queda con una mayor carga negativa o positiva. Los

neutrones y los protones no se desplazan en este proceso ya que estn unidos firmemente al ncleo. El chaleco

quedo cargado positivamente y la esfera azul negativa, por lo tanto al tener ahora cargas opuestas estos dos

objetos se atraen.

Frota la esfera amarilla en el chaleco y acrcala a la esfera azul.

Figura No 3.

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Figura No 4.

Conclusin:

La esfera amarilla pasa a tener ms electrones que protones y se carga negativamente, mientras que el

chaleco con ms protones que electrones, se carga positivamente.

Cuando se acercan las dos esferas se repelan debido a que estn cargadas negativamente.

Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.

El chaleco quedo cargado positivamente y la esfera amarilla negativa, por lo tanto al tener ahora cargas

opuestas estos dos objetos se atraen. Pero al ser de igual carga con la esfera azul al acercarlas estas se

repelen. Hay que tener en cuenta que depender de que tanto se hayan frotado porque si la transferencia

fue corta no se atraern lo suficiente como para quedar unidos.

Figura No 5.

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Frota la regla contra el chaleco y llvala al papel.

Figura No 6.

Figura No 7.

Conclusin:

La regla pasa a tener ms electrones que protones y se carga negativamente, mientras que los papeles

con ms protones que electrones, se carga positivamente.

Cuando se acerca la regla a los papeles estos se atraen porque uno est cargado negativamente y los

papeles positivamente.

Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.

Cuando se acercan dos objetos cargados elctricamente se produce una fuerza de atraccin, en este caso

los papelitos que son ms livianos saltan a la regla, debido a que la regla ha adquirido electrones,

quedando desequilibrada, se ha quedado electrizada adquiriendo carga por frotamiento sobre el

chaleco, esta regla adquiere una propiedad de atraccin que desde luego los papelillos se desplazan

sobre ella.

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Acerca la regla a las esferas.

Figura No 8.

Conclusin:

Cuando se acerca la regla a las esferas estos se repelan porque todos estn cargados negativamente.

Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.

Las esferas y la regla son atradas por el chaleco.

Cuando se acercan estos dos objetos cargados elctricamente no existe atraccin o repulsin, porque

estn neutrales, pero se produce una fuerza de repulsin entre ellos porque tienen la misma carga.

Enciende y apaga la opcin de ignorar el chaleco y observa la diferencia.

Figura No 9.

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Conclusin:

Cuando se acerca la regla a las esferas estos se repelan porque todos estn cargados negativamente.

Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.

Vemos que el chaleco quedo cargado positivamente debido a que libero electrones a las esferas y la

regla.

Al ignorar el chaleco se despegan las esferas y se repelen entre ella y la regla porque todas estn

cargadas negativamente o presentan la misma carga, lo que hacen que no se acepten.

Figura No 10.

La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrosttica entre dos cargas puntuales es proporcional al

producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la

direccin de la lnea que las une. La fuerza es de repulsin si las cargas son de igual signo, y de

atraccin si son de signo contrario".

Es importante hacer notar en relacin a la ley de Coulomb los siguientes puntos:

a) cuando hablamos de la fuerza entre cargas elctricas estamos siempre suponiendo que stas se

encuentran en reposo (de ah la denominacin de Electrosttica);

Ntese que la fuerza elctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, direccin y sentido.

b) las fuerzas electrostticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de accin y reaccin); es decir, las

fuerzas que dos cargas elctricas puntuales ejercen entre s son iguales en mdulo y direccin, pero de

sentido contrario:

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Figura No 11.

Coloca dos cargas positivas.

Figura No 12.

Conclusin:

La fuerza es de repulsin debido a que las cargas son de igual signo, las fuerzas que dos cargas

elctricas puntuales ejercen entre s son iguales en mdulo y direccin, pero de sentido contrario. Y la fuerza que acta sobre cada cuerpo cargado provoca que las cargas se alejen.

Coloca dos cargas negativas.

Figura No 13.

Conclusin:

La fuerza es de repulsin debido a que las cargas son de igual signo, las fuerzas que dos cargas

elctricas puntuales ejercen entre s son iguales en mdulo y direccin, pero de sentido contrario. Y la

fuerza que acta sobre cada cuerpo cargado provoca que las cargas se alejen.

Coloca una carga positiva y una negativa.

Figura No 14.

Conclusin:

La fuerza es de atraccin debido a que las cargas si son de signo contrario. Y la fuerza ejercida sobre

cada cuerpo hace que las cargas se junten.

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Coloca dos cargas con valores iguales y una con valor distinto.

Figura No 15.

Conclusin:

La fuerza de las dos cargas positivas con igual valor es de repulsin debido a que las cargas son de

igual signo; la fuerza de la carga negativa con respecto a las dos iguales positiva es de atraccin debido

a que las cargas si son de signo contrario.

La fuerza disminuye entre las cargas positivas y negativas si aumento la distancia La fuerza aumenta en las 2 cargas positivas si disminuimos la distancia.

Coloca tres cargas con valores distintos

Figura No 16.

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Conclusin:

La fuerza de las dos cargas negativas con diferente valor es de repulsin debido a que las cargas son de

igual signo; la fuerza de la carga positiva con respecto a las dos iguales negativa es de atraccin debido

a que las cargas si son de signo contrario.

Adicional La fuerza aumenta cuando aumentamos el valor de las cargas.

La fuerza aumenta cuando aumento el valor de la carga positiva.

Modifica la distancia entre las cargas.

Figura No 17.

Conclusin:

La fuerza disminuye entre las cargas positivas y negativas si aumento la distancia La fuerza aumenta en las 2 cargas positivas si disminuimos la distancia. La fuerza aumenta cuando aumento el valor de la carga positiva.

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Conclusiones.

El desarrollo de la electricidad y sus aplicaciones tienen un notable impacto en la sociedad y en

nuestras vidas. El conocimiento adquirido hasta la actualidad en esta rama ha transitado un arduo

camino y es el resultado del esfuerzo de innumerables personalidades de la talla de: Volta, Faraday,

Franklin, entre otros.

La electricidad se divide en dos partes fundamentales: la electrosttica que estudia las cargas elctricas

en reposo y la electrodinmica que se ocupa de las cargas elctricas en movimiento, y sus

interacciones.

La carga elctrica y sus propiedades tienen un gran significado en la interaccin de los cuerpos bajo

determinadas condiciones, de ah que constituye un concepto bsico para el estudio de electricidad.

Uno de los primeros fenmenos elctricos del que estuvo conocimiento la humanidad es la

electrizacin de los cuerpos.

En dependencia de si los materiales son buenos conductores de la electricidad (conductores) o malos

conductores (aisladores) se empelan en uno u otros fines. En la actualidad el uso de los materiales

semiconductores y superconductores han propiciado un avance extraordinario en diversas ramas de la

industria y la sociedad en general.

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Referencias.

Tipler, P. y Mosca, G.(2007) Fsica para la Ciencia y la Tecnologa, Volumen 2. (5 ed). Barcelona.

Reverte.

Gettys, W., Keller, F. y Skove, M. (2005) Fsica para Ciencias e Ingenieras, Tomo 2. Mxico. Mc

Graw-Hill.

Carga y Campo Elctrico. Recuperado el 03 de Marzo de 2015 en:

http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica3/170308/teo/teo1.pdf

Ley de Coulomb. Recuperado el 03 de Marzo de 2015 en:

http://www.objetos.unam.mx/fisica/leyCoulomb/index.html