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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE INGENIERIA METALURGICA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA

ELECTROSTATICA

NOMBRE: PROFESOR:

Contreras Sarmiento Christian Fernando. Lic. Chacaltana Garca Jess Alfredo

ASIGNATURA: FISICA III (Laboratorio). AO: CODIGO: RESUMEN: Es un fenmeno por el cual en un cuerpo conductor aislado se separan cargas elctricas negativas de las positivas al acercarse un cuerpo electrizado. Lo que ocurre es que al frotar con un pao un objeto, este ltimo se electriza debido a que una parte de los electrones de los tomos que forman sus molculas pasan a integrarse a los tomos del pao con el cual se frota. De esa forma los tomos del objeto se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones y los del pao en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones. Tacna 14 de Octubre del 2010 Segundo ao. 2009-33328

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ELECTROSTATICA 1. OBJETIVO: Realizar una serie de pruebas con el generador de Van der Graaff

2. MATERIALES Y EQUIPO: Generador de van der graaff.

Jaula de Faraday. Aguja de descarga. Molinete electrosttico. Mechn de hilo. Unidad de "partculas vibradoras". Flaneras individuales de aluminio. Cables conductores de electricidad. Varillas aislantes

3.

FUNDAMENTO TEORICO:

4.1. ELECTRICIDAD Cuando una carga elctrica se encuentra estacionaria, o esttica, produce fuerzas elctricas sobre las otras cargas situadas en su misma regin del espacio; cuando est en movimiento, produce adems efectos magnticos. Los efectos elctricos y magnticos dependen de la posicin y movimiento relativos de las partculas cargadas. Carga elctrica El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de cargas elctricas. El electroscopio est compuesto por dos lminas de metal muy finas, colgadas de un soporte metlico en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor. Una esfera recoge 2

las cargas elctricas del cuerpo cargado que se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a travs del soporte metlico y llegan a ambas lminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las lminas se separan. La distancia entre stas depende de la cantidad de carga.

Pueden emplearse tres mtodos para cargar elctricamente un objeto (pasaje de cargas): 1) contacto con otro objeto de distinto material (como por ejemplo, mbar y piel) seguido por separacin. 2) contacto con otro cuerpo cargado (corriente de electrones). 3) induccin (no hay electrones en movimiento).

Conductor elctrico Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad se denomina conductor elctrico. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado ms que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. 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. 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. Carga punto Es un modelo que se caracteriza por no tener masa, por lo tanto no es afectada por la gravedad y no tiene dimensiones. Se define Coulomb como la carga que tiene un punto que colocado en el vaco a un metro de otra igual, la repele con una fuerza de 9.109 Newtons. Una manifestacin habitual de la electricidad es la fuerza de atraccin o repulsin entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de accin y reaccin, ejercen la misma fuerza elctrica uno sobre otro. La carga elctrica de cada cuerpo puede medirse en coulombs. La fuerza (F) entre dos partculas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb: F = ko.q1.q2/r

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r: distancia entre cargas ko: constante de proporcionalidad que depende del medio que rodea a las cargas. ko = 9.109 N.m /C Esta constante tambin se puede referir a la permeabilidad del vaco: ko = 1/4.. o o = 8,85415.10-12 C /N.m (permeabilidad del vaco). F = q1.q2/4.. o.r Toda partcula elctricamente cargada crea a su alrededor un campo de fuerzas. Este campo puede representarse mediante lneas de fuerza que indican la direccin de la fuerza elctrica en cada punto. Generador de Van De Graaff El generador de Van de Graaff es una mquina electrosttica que utiliza una cinta mvil para acumular grandes cantidades de carga elctrica en el interior de una esfera metlica hueca. Las diferencias de potencial as alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta mquina incluyen la produccin de rayos X, esterilizacin de alimentos y experimentos de fsica de partculas y fsica nuclear.

4.2. CAMPO ELECTRICO

F = G.m1.m2/d (3) Intensidad de Campo Elctrico

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La intensidad de campo elctrico E, es la fuerza por unidad de carga que va a operar sobre un punto cargado positivamente. E = F/q (4) Despejando la fuerza de la (4), para una q1: F = q1.E (5) Si de (1) tenemos: F = k.q1.q2/d (1) Reemplazando (5) en (1): q1.E = k.q1.q2/d E = k.q2/d (6)

Ejemplo: EB = k0.q/d EB = 9.109 N.m .1 C/(1 m) .C EB = 9.109 N/C EC = k0.q/d EC = 9.109 N.m .1 C/(2 m) .C EC = 9.109 N/4 C EC = EB/4 # Ley de variacin en funcin de la distancia, en un campo elctrico. Supongamos que A emite 9.109 lneas de campo elctrico,como B es esfera, la superficie es: 4..r = 4..m Entonces: En B sera: 9.109 lneas.4..m = 3,6.109..m lneas En C sera: 9.109 lneas.16..m = 1,44.1010..m lneas El nmero de lneas N que pasa por cualquier superficie esfrica es:

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N = 4..r /4.. 0.r N = 4..r .k0.q/r como k0 = 1/4.. 0 N = 4..r q/4.. 0.r N = q/ 0 = 4..k0.q (Ley de Gauss) El nmero de lneas no se pierde, es siempre el mismo y vale para cualquier geometra cerrada. Formas de campos elctricos Se visualizan a travs de lneas de fuerza.

Experimento de Faraday La carga es conservativa. Al neutralizar las cargas internas, ya se haban creado la misma cantidad de cargas positivas en el exterior. Ver esquema Energa Si se quiere mover B en un campo elctrico, se necesita hacer trabajo. Si se gasta 1 J en llevar B de (+) a (-), hay 1 Volt de diferencia de potencial.

Diferencia de potencial Es el trabajo realizado por unidad de carga transportada . Al circular partculas cargadas entre dos puntos de un conductor se realiza trabajo. La cantidad de energa necesaria para efectuar ese trabajo sobre una partcula de carga unidad se conoce como diferencia de potencial (V). Esta magnitud se mide en volts. Cuando una carga de 1 coulomb se desplaza a travs de una diferencia de potencial de 1 volt, el trabajo realizado equivale a 1 joule. Esta definicin facilita la conversin de cantidades mecnicas en elctricas.

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V = L/q L = V.q [V] = [L]/[q] V = J/C Un Volt es la diferencia de potencial entre dos puntos, tal que, se requiere un trabajo de un Joule para transportar una carga de un Coulomb de un punto al otro. La Tierra, un conductor de gran tamao que puede suponerse sustancialmente uniforme a efectos elctricos, suele emplearse como nivel de referencia cero para la energa potencial. As, se dice que el potencial de un cuerpo cargado positivamente es de tantos volts por encima del potencial de tierra, y el potencial de un cuerpo cargado negativamente es de tantos volts por debajo del potencial de tierra.

4.3. DENSIDAD DE CAMPO ELECTRICO En electrosttica, las lneas de fuerza son siempre perpendiculares a la superficie; no as en electrodinmica. = q/A [ ] = [q]/[A] [ ] = C/m : densidad de campo elctrico. A: rea. N = q/ 0 N = .A/ 0 N/A = / 0 = E E=/0

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Carga de un electrn Experimento de Robert Andrews Millikan: el objeto es que la gota cargada electrostticamente, permanezca suspendida por el equilibrio entre el campo elctrico y el campo gravitatorio. Para lograr el equilibrio de los campos: E.q = m.g q = m.g/E Como: E = -V/s q = -m.g.s/V

La velocidad de cada de la gota es constante debido a la friccin del aire, segn la Ley de Stock: Ff = 6.. .a.vt Fuerza de friccin P = m.g = V gota. aceite.g = 4..a. aceite.g/3 Fuerza peso de la gota Fb = 4..a. aire.g/3 Fuerza de empuje Luego: Ff + Fb = P 6.. .a.vt + 4..a. aceite.g/3 = 4..a. aire.g/3 Finalmente la carga del electrn es: qe = 1,60.10-19 C Otra forma de interpretar la diferencia de potencial F = k*/r k* = G.m1.m2 si F es gravitatoria k* = G.m1.m2 si F es elctrica

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Se quiere mover una carga q desde b hasta a. dL = k0.q.q1.(rb - ra)/rb.radL = k0.q.q1.(1/ra - 1/rb)

En el infinito 1/r 0, por lo tanto se desprecia. L = k0.q.q1/ra Como V = L/q V = k0.q.q1/q.ra V = k0.q/ra Si un capo est colocado a un metro de una carga de 1C/9.109,entonces: V = 9.109 Nm /C . 1 C/9.109 . 1/m V = 1Nm /C Capacitancia La capacidad de un condensador se mide en Faraday: un condensador de 1 F tiene una diferencia de potencial entre sus placas de 1 V cuando stas presentan una carga de 1 C. C = q/V

[C] = [q]/[V] [C] = F C: capacidad. Sabemos que: = q/A y E = / 0 V = E.s V = s. / 0V = q.s/A. 0 9

C = 0.A/s Energa en un capacitor El trabajo necesario para cargar un capacitor desde 0 hasta V : L = q.V/2 Como: q = C/V L = U = .C.V Circuitos con capacitores 1) Capacitores en paralelo. qT = q1 + q2 + q3 q = C.V C.V = C1.V1 + C2.V2 + C3.V3 pero: V = V1 = V 2 = V 3 C.V = C1.V + C2.V + C3.V C.V = (C1 + C2 + C3).V C = C1 + C2 + C3

2) Capacitores en serie.

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V = V1 + V 2 + V 3 V = q/C qT/C = q1/C1 + q2/C2 + q3/C3 pero qT = q1 = q2 = q3 q/C = q/C1 + q/C2 + q/C3 q/C = q.(1/C1 + 1/C2 + 1/C3) 1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

DIPOLOS Y POLARIZACION Fenmeno superficial elctricamente neutra. que se d en los aisladores o materia