Introducción a la teoría electromagnética clase 1 TE
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Clase 1 20/Enero/2015
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Clase 1
20/Enero/2015
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia yunifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una solateoría, cuyos fundamentos fueron sentados por MichaelFaraday y formulados por primera vez de modo completo porJames Clerk Maxwell.
La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferencialesvectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campomagnético y sus respectivas fuentes materiales (corrienteeléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética),conocidas como ecuaciones de Maxwell.
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, lasexplicaciones y predicciones que provee se basan enmagnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de laposición en el espacio y del tiempo.
El electromagnetismo describe los fenómenos físicosmacroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas enreposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos ymagnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidasy gaseosas.
Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a unnúmero muy grande de partículas y a distancias grandesrespecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo nodescribe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que esnecesario usar la mecánica cuántica.
CARGA ELÉCTRICA
Hay dos tipos de carga en la naturaleza, llamadas positivas ynegativas, es decir con la propiedad de que cargas diferentes seatraen unas y otras y cargas similares se rechazan entre sí.
CARGA ELÉCTRICA
Por lo tanto propiedades fundamentales de la carga eléctricason:
Cuantización. Todas las cargas observables se presentan encantidades enteras de la unidad fundamental de la carga e. Esdecir la carga esta cuantizada.
La carga del electrón es –e y la del protón es +e
e = 1.60x10-19 C
CARGA ELÉCTRICA
Toda carga presente en la naturaleza puede escribirse en la forma
Siendo N un numero entero. Sin embargo, en objetosordinarios N es usualmente muy grande y la carga parece sercontinua, del mismo modo que el aire parece ser un mediocontinuo y realmente consta de muchas moléculas discretas.
Q Ne
CARGA ELÉCTRICA
Por ejemplo, al cargar una barra de plástico frotándola con untrozo de piel se transfiere del orden de 1010 electrones de labarra.
CARGA ELÉCTRICA Conservación de la energía. La carga se conserva, es decir, en
cualquier proceso ni se crea ni se destruye; simplemente setransfiere.
Por lo tanto la unidad del SI de carga es el coulomb, el cual sedefine en función de la unidad de la corriente o intensidadeléctrica, el amper (A, es la unidad de corriente utilizada en loscircuitos eléctricos habituales)
CARGA ELÉCTRICA
El coulomb (C) es la cantidad de carga que fluye a través de uncable de un conductor en un segundo cuando la intensidad decorriente en el mismo es de un Amper.
La unidad fundamental de carga eléctrica e esta relacionadacon el coulomb por:
e = 1.602177 x 10-19 C ≈ 1.60 x 10-19 C
CARGA ELÉCTRICA
Existen tres procesos, para cargar un cuerpo:
Por Frotamiento . Cuando la ebonita y la lana se ponen encontacto por frotamiento, hay un paso espontaneo deelectrones de la lana a la ebonita esto adquiere por lo tanto, unexceso de electrones y resulta cargada negativamente,mientras que la lana que ha perdido electrones se cargapositivamente.
CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:
CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:
CARGA ELÉCTRICA
Las características de este proceso son:
Los cuerpos inicialmente se encuentran neutros (carga netanula).
Hay transmisión de carga
No hay creación de carga eléctrica
La cantidad de carga es la misma en ambos cuerpos, pero designo opuesto, al final del proceso.
CARGA ELÉCTRICA
Por contacto. En este caso uno de los cuerpos tiene que estarcargado, ya se apositivo o negativo.
Cuando los cuerpos se ponen en contacto, el cuerpo cargado(inductor) atrae las cargas de signo opuesto y repele la de igualsigno. Al producirse el contacto instantáneo, las cargasnegativas pasan al inductor (si es positivo) y las cargaspositivas se repelen y quedan en exceso en el cuerpo que sequiere cargar.
CARGA ELÉCTRICA
Como se muestra en la siguiente figura:
CARGA ELÉCTRICA
Como se muestra en la siguiente figura:
CARGA ELÉCTRICA
Como se puede observar el cuerpo queda cargado, de igualsigno, que el inductor.
Por inducción. En este caso es necesario que uno de los cuerposeste cargado (inductor), al acercarse al cuerpo, se atrae lascargas de signo opuesto y se repele las cargas de igual signo.
CARGA ELÉCTRICA
A continuación, el cuerpo que se quiere cargar (inducido) secoloca a tierra y las cargas negativas van a tierra, si elinductor es negativo. Ascienden cargas negativas, si elinductor tiene cargas de signo positivo. Al final el cuerpo secarga de signo opuesto al inductor.
CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:
CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:
RESUMEN
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de lamateria.
Propiedades de las cargas eléctricas
Las cargas eléctricas pueden ser de dos tipos: positivas ynegativas.
Las cargas distintas de signo distinto se atraen y las delmismo signo se repelen.
RESUMEN
Carga Eléctrica
La carga esta cuantizada, es decir, existe en múltiplos enterosde la carga del electrón.
La carga eléctrica siempre se conserva en los sistemas.
Carga electrica = número entero carga del electrón
q Ne
RESUMEN
Carga Eléctrica
La unidad de la carga eléctrica en el SI es el coulomb (C)
La carga del electrón es de −1.6 × 10−19𝐶
PROBLEMAS DE CARGA ELÉCTRICA
Problema 1
Al frotar una barra de plástico con un paño de lana aquellaadquiere una carga de -0.8 µC. ¿Cuántos electrones setransfieren del paño de la lana a la barra de plástico?
SOLUCIÓN La carga adquirida por la varilla de plástico es un número entero
de cargas , por lo tanto tenemos que 𝑞 = 𝑛𝑒 (−𝑒)
Relacionamos la carga adquirida por la varilla de plástico con elnúmero de electrones transferidos al paño de lana:
eq n e
SOLUCIÓN
Por lo tanto evaluamos para 𝑛𝑒:
12
19
0.85.00 10
1.6 10e
q Cn
e C
PROBLEMAS DE CARGA ELÉCTRICA
Problema 2
Una carga igual a la de un numero de Avogadro (𝑁𝐴 = 6.02 ×1023) de protones se denomina un Faraday. Calcular el numerode coulombs que hay en un faraday?
SOLUCIÓN
Una 1 𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 = 𝑁𝐴𝑒 . Podemos usar esta definición paraencontrar el número de coulombs en un Faraday. Por lo tantotenemos:
23 19
4
1 6.02 10 1.6 10 /
1 9.63 10 96,320
A
A
faraday N e protones C protones
faraday N e C C
Problema 3
Calcule la carga neta en una sustancia que esta formada por:
a) 5 × 1013 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠
b) Una combinación de 4.3 × 1014protones y 2.5 ×1014electrones
SOLUCIÓN
La carga neta en una partícula esta dada por
13
13 -19
carga
) 5 10 electrones
0 5 10 1.6 10 8
protones electrones protón
electrones
q N N
a N
q q uC
14 14
14 14 19
) 4.3 10 protones, 2.5 10 electrones
4.3 10 2.5 10 1.6 10
28.8
protones electronesb N N
q
q C
Es conveniente clasificar las sustancias en términos de sucapacidad para conducir carga eléctrica:
Los conductores eléctricos son materiales en que las cargaseléctricas se mueven con bastante libertad, en tanto que losaislantes eléctricos son materiales en los que las cargaseléctricas no se mueven con tanta libertad.
Los semiconductores son una tercera clase de materiales y suspropiedades eléctricas se encuentran entre los aislante y la delos conductores.
El silicio y el germanio son ejemplos bien conocidos desemiconductores utilizados comúnmente en la fabricación dediversos dispositivos electrónicos tales como transistores ydiodos emisores de luz.
Las propiedades eléctricas de los semiconductores puedencambiar en varios ordenes de magnitud añadiendo a losmateriales cantidades controladas de ciertos átomos.
Cuando un conductor se conecta a la tierra por medio de unalambre o tubo de conducción se dice que esta aterrizado. Latierra puede considerarse entonces un sumidero infinito al cuallas cargas eléctricas pueden emigrar fácilmente. Con esto enmente se puede entender de que manera se carga un conductorpor medio de un proceso conocido por inducción.
