FISICA DE CAMPOS

DOCENTE : JOSE DORIA

1.Concepto de electrostática.

2.Conservación de carga.

3.Fuerzas y cargas eléctricas.

4.Carga por fricción, por contacto y por inducción.

5.Polarización de carga

6.Ley de Coulomb.

7.Campo eléctrico y principio de superposición.

8.Líneas de campo eléctrico.

9.Flujo eléctrico.

10.Ley de Gauss. Aplicaciones.

1. ELECTROSTÁTICA1. ELECTROSTÁTICA

La electrostática es la parte de la física que estudia la electricidad en la materia y los fenómenos producidos por cargas eléctricas en reposo.

Se preocupa de la medida de la cantidad de electricidad presente en los cuerpos.

2. CONSERVACIÓN DE LA CARGA2. CONSERVACIÓN DE LA CARGA

Todo objeto cuyo número de electrones sea distinto al de protones tiene carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones la carga es negativa. Si tiene menos electrones que protones, la carga es positiva.

Cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro

La conservación de la carga es una de las piedras angulares de la física, a la par con la conservación de la energía de la cantidad de movimiento.

3. FUERZAS Y CARGAS ELÉCTRICAS3. FUERZAS Y CARGAS ELÉCTRICAS

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas se dice que ha sido electrizado.

Cargas eléctricas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igual signo se repelen.

Se ha visto que existen en la naturaleza dos tipos de cargas, positiva y negativa.

La cantidad más pequeña de carga es el electrón (misma carga que el protón, pero de signo contrario).

La unidad natural de carga eléctrica es el electrón, que es la menor cantidad de carga eléctrica que puede existir.

La carga eléctrica es una magnitud fundamental de la física, responsable de la interacción electromagnética.

En el S.I. La unidad de carga es el Culombio (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 Culombio

1 C = 10-6 C

1 nC = 10-9 C

1 mC =10-3 C

Características de la carga

i) 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.

ii) 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.

iii) Cuantización de la carga: La carga eléctrica siempre se presenta como un múltiplo entero de una carga fundamental, que es la del electrón.

i) Carga por fricción

La fricción transfiere electrones de un material a otro, un ejemplo de ello es cuando nos peinamos o acariciamos un gato; quedando por ello electrizados por un tiempo.

ii) Carga por contacto

La transferencia de electrones entre materiales se da por

simple contacto.

Si el objeto es buen conductor la carga se distribuye en toda su superficie (cargas iguales se repele); si es un mal

conductor debe tocarse con la barra varias partes del objeto para una distribución de carga más o menos uniforme.

4. CARGA POR FRICCIÓN, CONTACTO E 4. CARGA POR FRICCIÓN, CONTACTO E INDUCCIÓN. INDUCCIÓN.

iii) Carga por inducción

Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora.

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.

Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre.

Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre.

Carga por InducciónCarga por Fricción

Carga por Conducción

5. POLARIZACIÓN DE CARGA. 5. POLARIZACIÓN DE CARGA.

Por inducción un lado del átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado.

Si se acerca un objeto negativo los objetos que van a ser atraídos van a mandar los electrones al otro extremo mientras que los positivos van a estar más pegados al objeto.

Se presenta el fenómeno de polarización cuando trozos de papel neutros son atraídos por un objeto cargado o cuando se coloca un globo cargado en una pared.

A lo largo de este tema estudiaremos procesos en los que la carga no varía con el tiempo. En estas condiciones se dice que el sistema está en Equilibrio Electrostático.

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.

6. LEY DE COULOMB6. LEY DE COULOMB

Expresión vectorial de la Ley de Coulomb

rur

qqkF

212

2112

k: Constante de Coulomb, cuyo valor depende del sistema de unidades y del medio en el que trabajemos.

En el vacío S.I. k = 9·109 N m2/C2

q1

q2

X

Z

Y

1r

2r1221 rrr

Constantes auxiliares

Permitividad del Vacío (o): Se define de forma que

o41

k

o= 8.85·10-12 C2/N m2

Si el medio en el que se encuentran las cargas es distinto al vacío, se comprueba que la fuerza eléctrica es veces menor, de esta forma se define la Permitividad del Medio como = o.. Siendo la Constante Dieléctrica del Medio Así,

41

'k

La interacción entre cargas eléctricas no se produce de manera instantánea. El intermediario de la fuerza mutua que aparece entre dos cargas eléctricas es el Campo Eléctrico.

La forma de determinar si en una cierta región del espacio existe un campo eléctrico, consiste en colocar en dicha región una carga de prueba, qo (carga positiva puntual) y comprobar la fuerza que experimenta.

77. . CAMPO ELÉCTRICO. CAMPO ELÉCTRICO. PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓNPRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN

La fuerza eléctrica entre la carga q y la carga de prueba qo es repulsiva, y viene dada por

ro

qq ur

qqkF

o

212

Se define la intensidad de campo eléctrico en un punto como la fuerza por unidad de carga positiva en ese punto.

oqF

E

rurq

kE

2

La dirección y sentido del campo eléctrico coincide con el de la fuerza eléctrica.

qo

YX

Z

q

F

r

PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN

I) Campo eléctrico creado por una distribución discreta de carga en un punto:

A la hora de aplicar el principio de superposición debemos tener en cuenta dos casos:

En este caso se calcula el campo eléctrico sumando vectorialmente los campos eléctricos creados por cada una de las cargas puntuales en el punto elegido.

ri pi

i u rq

k E

2

q1

q2

X

Z

Y

qi

P1pr

2pr pir

Campo EléctricoCampo Eléctrico El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos.

Si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.

Una forma de describir las propiedades del campo sería indicar la fuerza que se ejercería sobre una misma carga si fuera trasladada de un punto a otro del espacio.

Campo EléctricoCampo Eléctrico La expresión del módulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fácilmente para el caso sencillo del campo eléctrico creado por una carga puntual Q sin más que combinar la ley de Coulomb con la definición de E. La fuerza que Q ejercería sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genérico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, por:

Su expresión matemática:

Es conveniente dibujar líneas que muestren la dirección del campo eléctrico en cada punto, se denominan líneas de campo eléctrico. Se cumple que:

Líneas de campo eléctrico

E

es grande cuando la líneas están cercanas entre sí