1) Resumen

2) Fundamento Terico

CARGA ELCTRICA

Es el exceso de carga de un cuerpo, ya sea positiva o negativa. Es la ausencia, prdida o ganancia de electrones.La carga elctrica es un atributo de las partculas elementales que la poseen, caracterizado por la fuerza electrosttica que entre ellas se ejerce. Dicha fuerza es atractiva si las cargas respectivas son de signo contrario, y repulsiva si son del mismo signo.

La carga libre ms pequea que se conoce es la del electrn.

(e = 1,60.10-19C), siendo C (Coulomb) la unidad de cargar en el SI.

COMO SE CARGAN LOS CUERPOS

Carga por friccin

En la carga por friccin se transfieren electrones por la friccin del contacto de un material con el otro. Aun cuando los electrones ms internos de un tomo estn fuertemente unidos al ncleo, de carga opuesta, los ms externos de muchos tomos estn unidos muy dbilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el tomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en el hule que en la piel de gato y si se frota una barra de aquel material contra la piel de un gato, se transfieren los electrones de este al hule. Por consiguiente la barra queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, la piel queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los tomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque su carga neta es positiva. Si se frota una barra de vidrio o plstico contra un trozo de seda tienen mayor afinidad por los electrones que la barra de vidrio o de plstico; se han desplazado electrones de la barra hacia la seda.

Carga por contacto

Es posible transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Por ejemplo, si se pone en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro, se transferir la carga a este. Si el cuerpo es un buen conductor, la carga se dispersara hacia todas las partes de su superficie, debido a que las cargas del mismo tipo se repelen entre s. Si es un mal conductor, es posible que sea necesario hacer que la varilla toque varios puntos del cuerpo para obtener una distribucin ms o menos uniforme de la carga.

Carga por induccin

Podemos cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a l de una varilla cargada. Considrese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislador. Al acercarle una varilla cargada negativamente, los electrones de conduccin que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de esta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercndose a la varilla, porque la fuerza de atraccin entre el lado cercano de aquella y la propia varilla es mayor que la de repulsin entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza elctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por induccin no se restringe a los conductores, si no que se puede presentar en todos los materiales.

Carga por el efecto fotoelctrico

Es un efecto de formacin y liberacin de partculas elctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiacin electromagntica.

En el efecto fotoelctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metlico al absorber energa de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la clula fotoelctrica, donde los electrones liberados por un polo de la clula, el fotoctodo, se mueven hacia el otro polo, el nodo, bajo la influencia de un campo elctrico.

CLASIFICACIN DE LA MATERIA SEGN SUS PROPIEDADES ELECTRICAS

Conductores

Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. El fenmeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prcticamente infinita. En los conductores slidos la corriente elctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.

Superconductores

Son aquellos que no ofrecen resistencia al flujo de corriente elctrica. Los superconductores tambin presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnticos. La superconductividad slo se manifiesta por debajo de una determinada temperatura crtica Tc y un campo magntico crtico Hc, que dependen del material utilizado. Antes de 1986, el valor ms elevado de Tc que se conoca era de 23,2 K (249,95 C), en determinados compuestos de niobio-germanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio lquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una mquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba prctico el funcionamiento a gran escala de estas mquinas.

Semiconductores

Son los materiales slidos o lquidos capaces de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad elctrica, que es la capacidad de conducir la corriente elctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades fsicas ms importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la fsica del estado slido.

Aislantes

Son materiales en los que las cargas se mueven con mucha dificultad y ofrecen una elevada resistencia al paso de la electricidad. Materiales: lana de madera, fibra de vidrio, yeso, caucho, lucita, ebonita, porcelana y algunos polmeros.

DISTRIBUCIONES DE CARGA

Debido a la imposibilidad de localizar de forma exacta un electrn, no es posible asociar una carga puntual a un punto concreto del espacio. Pero ya que en la prctica se trabaja con un nmero elevado de cargas, se puede hablar de densidad de carga como una relacin entre el nmero de partculas y el volumen que ocupan.

Distribuciones de carga puntuales

Se caracterizan por tener la carga concentrada en puntos, que aun poseyendo un gran nmero de partculas elementales, ocupan un volumen de dimensin despreciable con respecto al resto de dimensiones consideradas en el problema.

Distribuciones continuas de cargaA pesar de que las cargas elctricas son cuantizadas y, por ende, mltiplos de una carga elemental, en ocasiones las cargas elctricas en un cuerpo estn tan cercanas entre s, que se puede suponer que estn distribuidas de manera uniforme por el cuerpo del cual forman parte. La caracterstica principal de estos cuerpos es que se los puede estudiar como si fueran continuos, lo que hace ms fcil, sin perder generalidad, su tratamiento. Se distinguen tres tipos de densidad de carga elctrica: lineal, superficial y volumtrica[.]Densidad de carga linealSe usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.

Donde Q es la carga del cuerpo y L es la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en C/m (culombios por metro).Densidad de carga superficialSe emplea para superficies, por ejemplo una plancha metlica delgada como el papel de aluminio.

Donde Q es la carga del cuerpo y S es la superficie. En el SI se mide en C/m2 (culombios por metro cuadrado).Densidad de carga volumtricaSe emplea para cuerpos que tienen volumen.

Donde Q es la carga del cuerpo y V el volumen. En el SI se mide en C/m3 (culombios por metro cbico).LEY DE COULOMBA partir de experimentos realizados por Coulomb en 1785 se lleg a la siguiente ley: La fuerza entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, su direccin es la de la recta que une las cargas y el sentido depende de los signos respectivos, de atraccin si son de signo opuesto y de repulsin si son del mismo signo.

Se tiene dos cargas puntuales como se muestran en la figura 1, la fuerza que hay entre ellas se define por La Ley de Coulomb y viene a ser:

= k. (1.1)

El valor de k depende del sistema de unidades utilizado y del medio en la que se encuentran.

k= =9.109 N.m2/C2

(Cuando el medio es el vacio, muy prxima a la del aire seco)Siendo 0 la permitividad elctrica del vaco.

CAMPO ELCTRICO

El campo elctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella regin del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. As, si en un punto cualquiera del espacio en donde est definido un campo elctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observar la aparicin de fuerzas elctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.La fuerza elctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparacin, recibe el nombre de intensidad del campo elctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo elctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su mdulo E y por su direccin y sentido. En lo que sigue se considerarn por separado ambos aspectos del campo E.La expresin del mdulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fcilmente para el caso sencillo del campo elctrico creado por una carga puntual Q sin ms que combinar la ley de Coulomb con la definicin de E. La fuerza que Q ejercera sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genrico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, por:Pero aqulla es precisamente la definicin de E y, por tanto, sta ser tambin su expresin matemticaPuesto que se trata de una fuerza electrosttica estar aplicada en P, dirigida a lo largo de la recta que une la carga central Q y el punto genrico P, en donde se sita la carga unidad, y su sentido ser atractivo o repulsivo segn Q sea negativa o positiva respectivamente.Si la carga testigo es distinta de la unidad, es posible no obstante determinar el valor de la fuerza por unidad de carga en la forma:Donde F es la fuerza calculada mediante la ley de Coulomb entre la carga central Q y la carga de prueba o testigo q empleada como elemento detector del campo. Es decir:

(1.2)

A partir del valor de E debido a Q en un punto P y de la carga q situada en l, es posible determinar la fuerza F en la forma:

(1.3)

Expresin que indica que la fuerza entre Q y q es igual a q veces el valor de la intensidad de campo E en el punto P.Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variacin con la posicin hace ms sencillos los clculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas.La unidad de intensidad de campo E es el cociente entre la unidad de fuerza y la unidad de carga; en el SI equivale, por tanto, al newton (N)/coulomb (C).

LINEAS DE CAMPO ELCTRICO

Es posible conseguir una representacin grfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas lneas de fuerza. Son lneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en direccin de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo elctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las lneas de fuerza o lneas de campo elctrico indican las trayectorias que seguiran las partculas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo elctrico ser un vector tangente a la lnea de fuerza en cualquier punto considerado.Una carga puntual positiva dar lugar a un mapa de lneas de fuerza radiales, pues las fuerzas elctricas actan siempre en la direccin de la lnea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas mviles positivas se desplazaran en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de lneas de fuerza sera anlogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las lneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son manantiales y las segundas sumideros de lneas de fuerza.

(c)(b)(a)

(a) lneas de fuerzas entrantes debido a que la carga es negativa (b) lneas de fuerza salientes debido a que la carga es positiva (c) Lneas de fuerza entre dos cargas.

POTENCIAL ELCTRICO

Ahora que tenemos conocimiento de los que es campo elctrico y lnea de fuerza, podemos proseguir con la definicin del potencial elctrico.Un concepto rpido y sencillo del potencial elctrico es el siguiente.Elpotencial elctricoen un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza elctrica para mover una carga positivaqdesde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitariaqdesde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza elctrica. Matemticamente se expresa por:

(1.4)

Considrese una carga puntual de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo elctrico. Para tal carga de pruebaq0localizada a una distanciarde una cargaq, la energa potencial electrosttica mutua es:

(1.5)

De manera equivalente, el potencial elctrico equivale a la siguiente expresin:

(1.6)

Con este concepto se puede trabajar de forma prctica, pero es necesario saber de donde provienen las formulas descritas.

Si colocamos una carga de prueba que se desplaza por el campo elctrico generado por una carga desde un punto al punto una distancia y debido a que el desplazamiento es infinitamente pequeo, puede considerarse rectilneo y despreciar la variacin de la fuerza aplicada a la carga , considerndola constante en magnitud y en direccin durante el desplazamiento.

En esta figura se pueden observar el vector fuerza y el vector de traslacin de A hacia B.

De la definicin de trabajo se obtiene:

(1.7)

Donde es el ngulo formado por la direccin de la fuerza , que coincide con la direccin de la intensidad del campo elctrico y la direccin del desplazamiento .

(1.8)

(1.9)

Sabemos que es la fuerza coulomb, entonces:

(1.10)

(1.11)

Aplicaremos entonces este concepto en la traslacin de la carga atreves del campo

Se aprecia la trayectoria que sigue la carga y la fuerza que afecta a la misma.

Ahora calcularemos el trabajo finito de desplazar la carga de hasta .

(1.12)

Ahora haremos uso del concepto definido previamente (frmula N1.4), obteniendo as:

(1.13)

Como la fuerza del campo es radial, entonces se puede obviar el hecho de ser un vector.

(1.14)

Ahora, si por ser , entonces . Con esta consideracin:

(1.15)

En general, para cualquier punto P

(1.16)

Para dos puntos A y B que no estn en el infinito, la formula tomara la siguiente forma:

(1.17)

Al trasladar una carga de un punto a otro, se puede estar trasladando de una lnea de campo a otra, si este es el caso, se obtendr un .

De la demostracin realizada se puede concluir que la diferencia de potencial es independiente de la trayectoria que siga la partcula.

Equivalencia entre la cualquier trayectoria entre dos puntos.

Se puede observar que la trayectoria curvilnea de hacia equivale a la del vector de color verde .

A continuacin se har mencin de algunas frmulas para calcular el potencial en cuerpos conocidos:

Por una distribucin de cargas continuas. (1.18) En un plano infinito de densidad de carga (1.19) En una esfera conductora de radio R.

(1.20)

SUPERFICIES Y CURVAS EQUIPOTENCIALES

Unasuperficie equipotenciales ellugar geomtricode los puntos de uncampoescalaren los cuales el "potencial de campo" o valor numrico de la funcin que representa elcampo, es constante. Las superficies equipotenciales pueden calcularse empleando laecuacin de Poisson.

El caso ms sencillo puede ser el de un campogravitatorioen el que hay unamasapuntual: las superficies equipotenciales sonesferasconcntricas alrededor de dicho punto. El trabajo realizado por esa masa siendo el potencial constante, ser pues, por definicin, cero.

Cuando el campo potencial se restringe a un plano, las intersecciones de las superficies equipotenciales con dicho plano se llamanlneas equipotenciales.

Las superficies equipotenciales poseen tres propiedades fundamentales.

Por un punto slo pasa una superficie equipotencial. El trabajo para transportar una carga Q, de un punto a otro de la superficie equipotencial, es nulo.

Los vectores intensidad de campo son perpendiculares a las superficies equipotenciales y, por tanto, las lneas de campo son normales a dichas superficies. Las superficies equipotenciales para una sola carga son superficies concntricas centradas en la carga.

Representacin de las lneas de fuerza y de las curvas equipotenciales.

Despus de ver el campoE y el potencialV, dos formas distintas de caracterizar el campo elctrico, interesa fijarse en la relacin entre ambos conceptos. Limitando el anlisis a una sola componente rojas, las lneas de fuerza, salientes de la carga positiva y entrante a la negativa y las lneas azules las lneas de campo.

Forma de las lneas de fuerza y de las curvas equipotenciales entre dos cargas de signos opuestos.espacial,x, la ley matemtica que expresa dicha relacin es:

(1.21)

Expresa que la magnitud de la componente del campo elctrico en la direccin adoptada,x, equivale al ritmo de variacin del potencial elctrico con la distancia. El signo menos indica que la orientacin del campo es la que coincide con el sentido hacia el que el potencial decrece.

Ahora recordemos una de las propiedades dadas en la teora, sabemos que las lneas de campo son perpendiculares a las lneas de fuerza.

Entonces en el caso de la interaccin entre dos cargas de signos contrarios sera la siguiente. Siendo las lneas PARTE EXPERIMENTAL

3) Presentacin de materiales y equipos

4) Procedimiento

5) Resultados

6) Conclusiones

7) Sugerencias y observaciones

8) Bibliografa

Facultad de Ciencias UNI, Manual de Laboratorio de Fsica General. Cap. I. Facultad de Ciencias 2004.

I.V.Saveliev Curso de Fsica General (Tomo 2) Pg. 29 - 30 Primera Edicin Editorial MIR Mosc 1982.

S. Frisch A Timoreva Curso de Fsica General (Tomo 2) Pg. 48, 49 segunda edicin Editorial MIR Mosc 1973.

Sears Zemansky Young Freedman Fsica Universitaria Vol. 2 Pg. 890, 891 undcima edicin Pearson educacin, Inc. 2004.

Sears Zemansky Fsica General Pg. 477, 478 Cuarta Edicin Addison Wesley Hongman 1957.

9) Anexos