Title: Unidad 1
Course: Física Plus + 3 BGU

Electrostática

▲ Tormenta eléctrica sobre una ciudad.

Las cargas eléctricas son el fundamento de la interacción electromagnética, que es lo que modela a los átomos al permitir que los electrones giren alrededor del núcleo; dan cohesión a las moléculas que forman la materia; y en el ser humano generan los impulsos en las redes neuronales.

En esta unidad veremos las bases de la interacción electromagnética: la carga, los campos eléctricos y la fuerza electrostática. En la foto apreciamos  un pararrayos que desvía rayos de más de 1 Gw (gigavatio) de potencia, y evita que produzca daños.

  Objetivos

1. O.CN.F.5. Describir los fenómenos que aparecen en la naturaleza, analizando las características más relevantes y las magnitudes que intervienen, y progresar en el dominio de los conocimientos de física, de menor a mayor profundidad, para aplicarlos a las necesidades y potencialidades de nuestro país.
2. O.CN.F.6. Reconocer el carácter experimental de la física, así como sus aportaciones al desarrollo humano, por medio de la historia, comprendiendo las discrepancias que han superado los dogmas, y los avances científicos que han influido en la evolución cultural de la sociedad.

   Física y las profesiones

Ingeniería Eléctrica

Se ocupa del estudio y la aplicación de la electricidad, y el electromagnetismo. Para ello, emplea maquinarias y sistemas, cuya fuerza motriz es la electricidad. Los ingenieros realizan análisis, diseño, simulación y control de sistemas eléctricos con la asistencia de computadoras. Asimismo, participan en los procesos de fabricación y producción en la industria eléctrica, entre otras actividades.

Este profesional necesita tener conocimientos en física (en temas como: electromagnetismo, campos y ondas electromagnéticas) y en mecánica y termodinámica. Requiere, de forma especial, tener curiosidad por la tecnología y desarrollar valoración por las ciencias que soportan el progreso tecnológico.

Esta carrera se puede estudiar en la Universidad Técnica de Manabí, en la Universidad Técnica de Cotopaxi, en la Universidad Salesiana, en la Universidad Politécnica Nacional, y en la Universidad San Francisco de Quito.

Más información en: www.cursosycarreras.com.ec/ingenieria-electrica-C-347

Carga eléctrica

CN.F.5.1.38. Explicar que se detecta el origen de la carga eléctrica, partiendo de la comprensión de que esta reside en los constituyentes del átomo (electrones o protones) y que solo se detecta su presencia por los efectos entre ellas; comprobar la existencia de solo dos tipos de carga eléctrica a partir de mecanismos que permiten la identificación de fuerza de atracción y repulsión entre objetos electrificados, en situaciones cotidianas; y experimentar el proceso de carga por polarización electrostática, con materiales de uso cotidiano.

CN.F.5.1.40. Determinar que la masa del protón es mayor que la del electrón, mediante el análisis del experimento del físico alemán Eugen Goldstein e indagar sobre los experimentos que permitieron establecer la cuantización y la conservación de la carga eléctrica.

● Carga eléctrica

Saberes previos

En la imagen observamos a un esquiador acuático.

¿Podrías indicar qué tipo de interacción fundamental actúa en este ejemplo?

Desequilibrio cognitivo

¿La carga eléctrica que tiene un cuerpo hará que varíe el peso de este?

Esteban fue regañado por el rector de su colegio, y salió de la oficina arrastrando sus pies sobre el piso que está cubierto de alfombra. Cuando llegó a la puerta y tocó la perilla, saltó porque sintió un pequeño choque eléctrico entre la puerta y su mano. ¿Qué ocurrió?

▲ La suela de los zapatos en fricción con la lana de la alfombra generan lo que se denomina electricidad estática.

Empecemos por partes. La alfombra y los zapatos están formados por moléculas; las moléculas están formadas por átomos y estos, a su vez, se componen de pequeñas partículas (Figura 1.1.).

El átomo

El átomo es la porción de materia más pequeña en la que un elemento puede ser dividido, sin perder sus propiedades químicas.

Está compuesto por:

Electrones (‒). Una nube de estos rodea el núcleo del átomo.

Núcleo (+). Formado por neutrones, de carga neutra, y protones (+); estos últimos son los que dan carga positiva al núcleo.

▲ Figura 1.1. Modelo atómico de Schrödinger y Heisenberg.

Los átomos tienen carga neutra. El contacto vigoroso que existe entre dos superficies (interacciones electromagnéticas) provoca que los objetos adquieran carga eléctrica. Cuando decimos que el átomo posee carga neutra, expresamos que tiene entonces el mismo número de protones (+) que de electrones (‒) en su estructura interna.

La carga eléctrica de un átomo puede ser positiva (+) si tiene más protones que electrones, o puede ser negativa (‒) si sucede lo contrario. Cuando el átomo tiene carga eléctrica, lo denominamos "ion".

Cuando dos materiales distintos se ponen en contacto, algunos de los electrones más débilmente retenidos se pueden transferir de un material a otro.

La carga eléctrica que puede adquirir un cuerpo determina el fenómeno que se produce entre dos cuerpos eléctricamente cargados: cuerpos o partículas con la misma carga eléctrica se repelen; cuerpos o partículas con diferente carga eléctrica se atraen entre sí (Figura 1.2.).

▲ Figura 1.2. Ley de repulsión y atracción eléctrica.

Los zapatos y la alfombra de nuestro ejemplo inicial, al momento de tener “rozamiento” (interacción electromagnética), se trasmitieron mutuamente electrones (‒). La perilla, al encontrarse cargada con diferente carga eléctrica, atrajo a los electrones mientras se acercaba la mano. El ligero toque eléctrico que se sintió ocurrió debido al paso que dan las cargas de la mano a la perilla.

Experimento de Eugen Goldstein

El experimento del alemán Goldstein fue, en parte, la base de la espectrometría de masas.

Mediante su experimento, Goldstein había realizado sus propias investigaciones de los tubos de descarga, también conocidos como tubos de Crookes.

Mediante la aplicación de electricidad, los rayos de luz se movían de electrodo a electrodo (ánodo a cátodo), cargando el ánodo negativamente, por lo cual, con experimentos posteriores, se conocería que la aceleración con la que se mueven tanto protones como electrones permite conocer la diferencia de masa que existe entre ambas partículas.

Principios de conservación de la carga eléctrica

Primer principio

En todos los procesos que ocurren en un sistema aislado, la carga total permanece constante. En el ejemplo de la alfombra y los zapatos, ambos tenían carga neutra. Después de que la alfombra perdió electrones, estos pasaron a los zapatos. Así, tanto la alfombra como los zapatos quedaron cargados, pero la suma total de las cargas del sistema se mantuvo neutra.

Segundo principio

La carga eléctrica es una propiedad cuantizada. Es decir, una medida de la intensidad de las fuerzas eléctricas que un cuerpo es capaz de ejercer.

Toda cantidad observable de carga eléctrica siempre es un múltiplo entero de esta unidad básica.

1,602 176 487 (40)∙10^‒^19 C

Experimento de Millikan

▲ Robert Millikan.

El experimento de la gota de aceite fue realizado por Robert Millikan y Harvey Fletcher. Se determinó utilizando gotas de aceite bajo la influencia de cargas eléctricas y un ambiente controlado; así se obtuvo el valor de la carga de un solo electrón: 1,602 176 487 (40) ∙ 10^‒^19 C (Figura 1.3.).

▲ Figura 1.3.

Dato curioso

Tabla periódica

El actual modelo de la tabla periódica de Mendeleiev y Meyer se distribuye en 18 columnas compuestas por los elementos naturales y artificiales hasta ahora conocidos. El orden de la tabla depende del número atómico (número de protones en el núcleo).

Modelo de gas de electrones: conductores y aislantes

CN.F.5.1.39. Clasificar los diferentes materiales en conductores, semiconductores
  y aislantes, mediante el análisis de su capacidad para conducir carga eléctrica.

CN.F.5.1.41. Analizar y explicar los aparatos o dispositivos que tienen la característica de separar cargas eléctricas, mediante la descripción de objetos de uso cotidiano.

CN.F.5.1.42. Explicar las propiedades de conductividad eléctrica de un metal en función del modelo del gas de electrones.

● Modelo de gas de electrones: conductores y aislantes

Saberes previos

¿Has visto un pararrayos? ¿De qué material está hecho para cumplir con su función y de qué manera lo hace?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué un mono que camina por un cable de alta tensión no se electrocuta?

A nuestro alrededor encontramos un sinnúmero de materiales. Por ejemplo, están la madera, el metal y el plástico, entre otros. Cada uno de estos materiales tiene diversas propiedades físicas y químicas que desde su estructura interna definen a un material y lo distinguen de otro.

A continuación nos centraremos en el estudio de las características conductivas eléctricas de los materiales, lo cual hace parte de sus propiedades físicas.

Desde su condición para perder o ganar electrones, existen los metales y los no metales. Los metales son buenos conductores de la electricidad por tener electrones libres, es decir, sus átomos tienden a perder electrones. En cambio, los no metales tienden a ganarlos. Están también los semimetales que comparten las propiedades de perder (unas veces) o ganar electrones (otras veces).

Los materiales clasificados en conductores, semiconductores y aislantes son los siguientes:

▲ Orden de materiales, del más conductivo al menos conductivo.

TIC

Mira el video en el enlace: www.mayedu.ec/fis3/p20

Discútelo en clase con tus compañeros y compañeras.

Benjamín Franklin (1706-1790) y su famoso experimento de la cometa.

La resistencia que ofrece un material aislante se debe a que los átomos que lo componen no tienen electrones libres; esto impide el movimiento de la carga eléctrica.

La capacidad de conductividad de los metales permite formar una red cristalina de cationes (+), por donde pueden circular los electrones libres como un gas de electrones (‒). Es por la atracción de las cargas circulantes negativas sobre la red positiva que se genera la corriente eléctrica.

Un personaje que utilizó las propiedades de los materiales fue el científico estadounidense Benjamín Franklin, en 1752. Franklin ató una cometa hecha con varillas de metal a un hilo de seda, en cuyo extremo llevaba una llave también metálica. Durante un día de tormenta la hizo volar para confirmar que la llave se cargaba de electricidad,
demostrando así que las nubes están cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. Gracias a este experimento, creó un año más  tarde el que fue su invento más famoso: el pararrayos.

En la ciudad de Delhi, en India, existe un problema con los monos que habitan el poblado: estos trepan los postes de alumbrado eléctrico
y desde la parte alta alteran la paz de la ciudad.

Supongamos que con una varilla de acero se trata de hacer bajar a uno de los monos, pero por error se toca uno de los cables de luz eléctrica que estaba expuesto.

Humor

▲ Dos personas realizan un endurecimiento de acero por inducción de cargas.

Supongamos que con una varilla de acero se trata de hacer bajar a uno de los monos, pero por error se toca uno de los cables de luz eléctrica que estaba expuesto.

En el momento en el que un material conductor toca un cable con corriente eléctrica, las cargas pasan a la varilla de acero, y electrifican a la persona que sostiene la varilla. Si sus manos no están protegidas con un material aislante (no conductor) o si sus pies no llevan zapatos de suela de caucho, la persona será electrocutada, pues la vía que tendrá la carga eléctrica para seguir será el cuerpo de la persona hasta llegar a tierra. El mono, al igual que los pájaros, no toca tierra y, por lo tanto, no recibe la descarga eléctrica.

▲ Figura 1.4.

Inducción de cargas

La fricción no es la única manera de cargar un cuerpo. Tomemos en cuenta el siguiente ejemplo de carga por inducción (Figura 1.5.).

Una varilla cargada (‒) y un cuerpo redondo elipsoidal con carga neutra son colocados cerca el uno del otro (Figura 1.5a.). El cuerpo redondo se encuentra aislado y no tiene contacto con el suelo u otro objeto. La varilla, al estar cargada negativamente, repele las cargas negativas que tiene el cuerpo redondo, enviándolas al lado opuesto. En el cuerpo redondo quedan divididas las cargas (+) a la derecha y las cargas (‒) a la izquierda (Figura 1.5b.). Si colocamos un cable conductor en el lado derecho (Figura 1.5c.), la esfera perderá toda su carga (‒), por lo cual quedará cargada con (+) (Figura 1.5d.).

La inducción electromagnética tiene muchas aplicaciones. Se usa, por ejemplo, en la fundición de metales y en la elaboración de cocinas.

▲ Figura 1.5. Carga eléctrica por inducción.

Fuerza eléctrica y ley de Coulomb

CN.F.5.1.43. Conceptualizar la ley de Coulomb en función de cuantificar con qué fuerza se atraen o se repelen las cargas eléctricas y determinar que esta fuerza electrostática también es de naturaleza vectorial.

CN.F.5.1.44. Explicar el principio de superposición mediante el análisis de la fuerza resultante sobre cualquier carga, que resulta de la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por las otras cargas que están presentes en una configuración estable.

● Fuerza eléctrica y ley de Coulomb

Saberes previos

¿Que interacción fundamental es la que produce repulsión o atracción entre cuerpos eléctricamente cargados?

Desequilibrio cognitivo

¿La fuerza gravitacional actúa sobre aquellas partículas más pequeñas en comparación a la distancia que las separa?

Humor

Si frotamos un peine en nuestro cabello, y luego lo acercamos a trozos de papel, observaremos cómo los trozos de papel son atraídos por el peine. Este sencillo experimento fue conocido por los griegos hace más de dos mil años, aunque en lugar de los plásticos modernos, ellos usaban entonces una barra de ámbar y pedazos pequeños de madera.

Tenemos que dos partículas con diferente signo se atraerán entre sí (Figura 1.6.), pero ¿cuál es la fuerza que existe entre ellas?

▲ Figura 1.6.

La partícula con carga positiva (q_1) está separada una distancia (a la que denominaremos r) de la partícula con carga negativa (q_2) (Figura 1.7.).

▲ Figura 1.7.

La fuerza que existe entre partículas puntuales es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa. Por lo tanto,

Para levantar la proporcionalidad, esta fuerza queda determinada por la constante de proporcionalidad K.

Expresada en unidades del SI,

aproximadamente

q_1 Λ q_2 son la cantidad de carga de cada partícula medida enculombios (C).

Coulomb y la balanza de torsión

La ley enunciada por Charles-Augustin de Coulomb (Francia, 1736-1806) fue estudiada mucho tiempo empleando una balanza de torsión (Figura 1.8.).

La fuerza eléctrica entre las esferas de la figura provoca que se atraigan o se repelan, y el movimiento resultante hace que la fibra suspendida se tuerza. Gracias a que el momento de torsión de recuperación de la fibra torcida es proporcional al ángulo de rotación de la fibra, una lectura de este ángulo da una medida cuantitativa de la fuerza eléctrica de atracción o de repulsión.

▲ Figura 1.8. Balanza de torsión. Charles-Augustin de Coulomb.

Superposición de cargas

El principio de Coulomb debería ser descrito únicamente para cargas puntuales en el vacío. Experimentalmente se ha demostrado que la fuerza que existe entre dos partículas se ve entorpecida por la materia que puede existir en el espacio que las separa. Asimismo, se ha demostrado que cuando dos cargas ejercen fuerzas de manera simultánea sobre una tercera carga, la fuerza que actúa sobre esa carga será igual a la suma vectorial de las fuerzas que las dos cargas ejercerían.Es práctico utilizar la ley de Coulomb para cargas puntuales en el aire, ya que, a presión atmosférica normal, el aire modifica muy poco la fuerza eléctrica que se da en el vacío.

▲ Figura 1.9. Principio de superposición.

Eje transversal

Medioambiente

La observación de la naturaleza y de los fenómenos naturales les permitió, a científicos como Newton o Franklin, descubrir particularidades que nos han permitido conocer más a profundidad nuestro entorno. Si protegemos el medioambiente y lo tratamos con cuidado, podremos vivir en armonía y mejorar nuestra forma de vida.

Aplicación de la ley de Coulomb con superposición de cargas

Dos partículas con cargas eléctricas q_1 = q_2 = 1 μC se encuentran situadas en las posiciones mostradas sobre el eje de coordenadas, siendo d = 1 m. Se coloca una tercera partícula con carga q_3 = 1 μC. Calcular la fuerza sobre q_3.

Datos

▲ Figura 1.10.

Campo eléctrico: líneas de fuerza

CN.F.5.1.45. Explicar que la presencia de un campo eléctrico alrededor de una carga puntual permite comprender la acción de la fuerza a distancia, la acción a distancia entre cargas a través de la conceptualización de campo eléctrico y la visualización de los efectos de las líneas de campo en demostraciones con material concreto, y determinar la fuerza que experimenta una carga dentro de un campo eléctrico, mediante la resolución de ejercicios y problemas de aplicación.

● Campo eléctrico: líneas de fuerza

Saberes previos

¿La fuerza con la que se repelerán dos partículas con la misma carga eléctrica dependerá de la masa de estas?

Desequilibrio cognitivo

¿La fuerza de repulsión que rodea a una partícula será la misma en cualquier punto alrededor de esta?

Ya hemos hablado de atracción y repulsión entre partículas eléctricamente cargadas, pero ¿cómo se produce tal movimiento si los cuerpos no están en contacto uno con otro?

A pesar de que no tenemos la presencia de una mano que empuje o jale, la fuerza que existe entre las partículas es transmitida sin necesidad de estar en contacto. Supongamos el caso de dos esferas eléctricamente cargadas, ambas con carga positiva.

Como podemos ver, las esferas sienten la presencia, una de la otra, lo que provoca repulsión. Es como si el espacio alrededor de ellas se hubiese modificado para sentir la fuerza de repulsión existente (Figura 1.11.).

▲ Figura 1.11.

Si eliminamos la carga q’ , podemos decir que en la posición A (Figura 1.12.) en la que se encontraba la carga existe un campo que ejerce la carga Q.

▲ Figura 1.12.

Ese campo será dado por la fuerza por unidad de carga que ejerciera si existiría una carga q` de la siguiente manera:

La magnitud del campo eléctrico en una carga puntual.
Vectorialmente
donde  es es el vector unitario de la distancia que los separa.

Decimos que la carga Q produce un campo eléctrico E en el punto A, y en cualquier otro punto, por lo tanto, si la posición A ocupa la carga q` o cualquier otra, se verá afectada por el campo eléctrico.

En el Sistema Internacional de Medidas, el campo eléctrico se mide en newtones/culombios [N/C].

Por definición, el campo eléctrico de una carga puntual siempre tiene una dirección que se aleja de una carga positiva (es decir, en la misma dirección que ) y si es negativa, se acerca.

Líneas de campo eléctrico o líneas de fuerza

Las líneas de campo proporcionan una representación gráﬁca de los campos eléctricos. Cuando las cargas puntuales son positivas, las líneas se dirigen hacia afuera de la carga; y si son negativas, hacia adentro (Figura 1.14.).

En cualquier punto, la dirección del campo eléctrico es perpendicular a las líneas de campo. El número de líneas por unidad de área (perpendicular a su dirección) es proporcional a la magnitud en ese punto (Figura 1.13.).

▲ Figura 1.13. Campo eléctrico entre dos partículas cargadas. Izquierda: de diferente signo. Derecha: de igual signo.

Ejercicio

Una carga q = ‒2μC se localiza en el origen. Obtener el vector de campo eléctrico en el punto del campo x = 1,2 m, y = 1,6 m (1 μC = 1 × 10^‒^6).

Vector unitario

Campo eléctrico​

▲ Figura 1.14. Dirección de las líneas de fuerza o de campo de dos cargas puntuales separadas.

Relación y analogías del campo eléctrico y el gravitacional

CN.F.5.1.45. Explicar que la presencia de un campo eléctrico alrededor de una carga puntual permite comprender la acción de la fuerza a distancia, la acción a distancia entre cargas a través de la conceptualización de campo eléctrico y la visualización de los efectos de las líneas de campo en demostraciones con material concreto, y determinar la fuerza que experimenta una carga dentro de un campo eléctrico, mediante la resolución de ejercicios y problemas de aplicación.

● Relación y analogías del campo eléctrico y el gravitacional

Saberes previos

La constante de campo eléctrico (k) y la constante gravitacional (G), ¿se obtienen de manera empírica o teórica? Explica cómo.

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo podríamos establecer si una partícula determinada aún está siendo afectada por la fuerza de gravedad y no completamente por la fuerza electromagnética?

La fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional tienen algunas similitudes, pero son fuerzas fundamentales de diferente naturaleza.

Sabemos que la fuerza gravitacional se debe a las masas que poseen los cuerpos y son únicamente de atracción (Figura 1.15.).

▲ Figura 1.15.

La fuerza eléctrica, debido a las cargas, puede ser de atracción o de repulsión. De atracción cuando tiene diferente signo de la carga, y de repulsión cuando tiene igual signo.

▲ Figura 1.16.

La gravedad afecta a todos los objetos y partículas que poseen masa: (Figura 1.16.). La fuerza gravitacional entre objetos pequeños es prácticamente nula, mientras que la fuerza eléctrica aun entre partículas pequeñas cargadas es significativa.

Entre las fuerzas fundamentales, la gravitatoria se considera como la más débil, porque los campos gravitatorios que interactúan entre las partículas operan entre las partículas de menor tamaño, y la fuerza gravitacional es débil sobre estos cuerpos.

▲ Figura 1.17.

La presencia de una carga eléctrica altera el espacio que la rodea
y produce una fuerza eléctrica sobre otra carga cercana (Figura 1.17.).

Dato curioso

Estrella de neutrones

La casi incomprensible densidad de una estrella de neutrones hace que protones y electrones se combinen en neutrones. La composición de sus núcleos es desconocida, pero es probable que consista en un superfluido de neutrones o algún estado de la materia desconocido.

La gravedad de una estrella de neutrones es extremadamente fuerte, mayor a la de nuestro planeta. Las estrellas rotan en el espacio y, por el principio de conservación del momento angular, a medida que se van encogiendo, aumenta su giro.

Existe un campo eléctrico en una región del espacio, si una carga eléctrica colocada en un punto de esa región experimenta una fuerza eléctrica. Se dice que existe un campo gravitatorio en una región del espacio, si una masa colocada en un punto de esa región experimenta una fuerza gravitatoria.

Analogías entre campo eléctrico y campo gravitatorio:

- Ambos campos están dirigidos hacia el centro de masa o hacia el centro de la carga que genera el campo eléctrico.
- La fuerza central que define ambos campos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

▲ Campo magnético (izquierda). Campo gravitacional (derecha).

Lo más importante de ambos campos es que las fuerzas que interactúan con los objetos son conservativas; no dependen de la trayectoria, sino solo de la posición final e inicial.

Diferencias entre campo eléctrico y campo gravitatorio

- El campo gravitatorio es general, afecta a todos los cuerpos o partículas que tienen masa. El campo eléctrico solo existe cuando los cuerpos están cargados eléctricamente.
- La constante eléctrica viene a ser 1 020 veces mayor que la constante gravitatoria G. Esto indica que el campo gravitatorio es muy débil comparado con el campo eléctrico.

Campo gravitacional | Campo eléctrico
F_g = mg | F_e = qE
Ondas gravitacionales | Ondas electromagnéticas
Comparación entre F_e y F_g de dos electrones:

▲ Tabla 1. Analogía entre el campo gravitacional y eléctrico.

Energía potencial, trabajo y potencial eléctrico

CN.F.5.1.46. Establecer que el trabajo efectuado por un agente externo al mover una carga de un punto a otro dentro del campo eléctrico se almacena como energía potencial eléctrica e identificar el agente externo que genera diferencia de potencial eléctrico, el mismo que es capaz de generar trabajo al mover una carga positiva unitaria de un punto a otro dentro de un campo eléctrico.

CN.F.5.6.5. Analizar los efectos que tiene la tecnología en la revolución de las industrias, con el fin de concienciar que el uso indebido del conocimiento y en especial que las inadecuadas aplicaciones de leyes físicas generan perjuicios a la sociedad.

● Energía potencial, trabajo y potencial eléctrico

Saberes previos

Las fuerzas que se aplican a cualquier cuerpo, ¿pueden ser únicamente rectilíneas, como hemos visto hasta ahora?

Desequilibrio cognitivo

¿Cuál es la diferencia entre el agua y el concreto, que no permite que nos apoyemos en el agua, pero sí en una pared hecha de concreto?

Trabajo eléctrico

Como explicamos anteriormente, a la acción de mover un cuerpo cierta distancia sobre una superficie se la conoce como trabajo. De igual manera, sobre cuerpos eléctricamente cargados, la acción de mover una carga a favor del campo o contra el campo también es trabajo.

▲ Figura 1.18.

El trabajo para mover la carga de A a B es:

Humor

Energía potencial eléctrica (Ee)

En el caso de la energía potencial gravitacional en un campo uniforme, como el que se da cerca de la superficie de la Tierra, el trabajo realizado por la fuerza de la gravedad es mayor cuanto más separado se encuentra de la superficie; esto está dado por la ecuación: E_g = mgh.

▲ Caja con energía potencial gravitacional, levantada desde el suelo.

Para determinar qué es energía potencial eléctrica en un campo uniforme, supongamos lo siguiente.

Caso 1. Tenemos dos placas de acero con diferente carga, separadas cierta distancia. Se coloca primero una carga positiva entre ambas placas (Figura 1.19.).

▲ Figura 1.19.

Al trabajo que realiza la fuerza para mover la partícula desde A hasta su posición actual B lo definimos como:

T_(AB) = F ·  d_(AB) = qE · d, donde

d es la distancia de B a A.

La energía potencial eléctrica (E_e) en el punto B con respecto al punto A es: E_e = qEd

Cuando la carga se libera, el campo eléctrico desarrolla este trabajo y la carga q tendrá una energía cinética igual a:

Eje transversal

Medioambiente

Utilizar adecuadamente los recursos y aprovechar energías limpias (como la eléctrica) son estrategias que permiten un verdadero desarrollo, en lugar de un uso indiscriminado de energías contaminantes, herencia de la Revolución Industrial.

Caso 2. Tenemos una carga negativa entre las placas. Para mover la carga del punto B al punto A debemos hacer un trabajo aplicando una fuerza externa, porque la carga tiende a moverse en sentido contrario.

▲ Figura 1.20.

La energía potencial de la carga positiva de la Figura 1.19. será mayor que la energía potencial de la carga negativa de la Figura 1.20.

Caso 3. Cuando tenemos una carga puntual, el campo eléctrico es variable, y la energía potencial será:

▲ Figura 1.21.

Por lo tanto, tenemos que la energía potencial entre dos cargas separadas por una distancia r (Figura 1.21.) será:

Potencial eléctrico (V)

El potencial en determinado punto es igual a la energía potencial en dicho punto por unidad de carga.

Las unidades de potencial se expresan en joules por coulomb, y se conocen como voltio (V).

Ejercicio de aplicación

Una carga positiva de +2 nC está separada 20 cm de otra carga positiva de +4 μC. ¿Cuál es la energía potencial de la carga q y cuál es el potencial eléctrico en ese punto?

▲ Figura 1.22.

Datos

q = 2 × 10^-9

Q = 4 × 10^-6

Reemplazamos los datos en la ecuación de la energía potencial:

Tenemos:

El potencial eléctrico en la posición que ocupa la carga q generado por la carga Q es:

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

Fumigación electrostática

¿Cómo se investiga en física?

¿Cómo se investiga en física?

La física y la estadística

"La estadística es la ciencia que trata de la recolección, clasificación y presentación de los hechos sujetos a una apreciación numérica como base a la explicación, descripción y comparación de los fenómenos" (Yale y Kendal, 1954).

La estadística juega un papel fundamental dentro de los resultados obtenidos por experimentación: resume los datos originados a partir de los fenómenos en estudio y los describe (estadística descriptiva); y genera modelos y predicciones asociadas a los estudios realizados, teniendo en cuenta la aleatoriedad de las observaciones (estadística inferencial). Allí la interpretación de los datos obtenidos es importante y permite definir las características fundamentales de los fenómenos, intenta explicar las propiedades macroscópicas de la materia a partir de sus características microscópicas.

▲ Ilustración de la desviación estándar en una distribución normal.

Del gran conjunto de datos que poseemos (población), estudiamos los datos microscópicos (muestra) como subconjunto, para determinar así propiedades de los fenómenos y considerar las variables estadísticas que puedan revelar que dos variables tienden a variar conjuntamente, como si hubiera una conexión entre ellas (correlación).

Si la muestra de la población es representativa, las inferencias y conclusiones hechas en la muestra pueden ser extendidas a la población completa. Un problema mayor es el de determinar cuán representativa es la muestra extraída.

▲ Fracciones de una población.

Las técnicas de la física estadística pueden aplicarse a campos ajenos a la propia física, como, por ejemplo, a la economía. También se ha usado la física estadística para deducir la distribución de la renta, y la distribución de Pareto, utilizada en los campos de la sociología y la economía. La distribución de Pareto sirve para ver la amplitud de la distribución de un modo comparativo.

Laboratorio

Laboratorio

Fuerzas electrostáticas

Datos informativos

Institución educativa:

Nombre de los estudiantes: ​

Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Objetivos

1. Demostrar la ley de Coulomb y la interacción del campo eléctrico sobre un conductor.
2. Comprobar lo enunciado en la ley de inercia de Isaac Newton.

Procedimiento

Primera parte:

1. Primero hacemos una bolita pequeña con el papel aluminio.
2. Atamos la bolita con un hilo por uno de sus extremos. Al otro extremo lo sujetamos al lápiz, y lo aseguramos con cinta aislante, formando un péndulo.

1. A uno de los extremos del cable lo sujetamos a la chapa de la lata y hacemos lo mismo con la otra lata y el otro cable, de tal forma que tengamos listos el péndulo y las respectivas latas. La longitud del hilo debe ser tal que la bolita llegue a la mitad de la altura que tiene la lata, una vez colocado el péndulo sobre las latas, como se muestra en la figura.

1. Cortamos otro pedazo de papel aluminio de 20 x 20 cm y lo pegamos a la pantalla del televisor con cinta aislante.
2. Colocamos las latas sobre el televisor, y a uno de los extremos libres del cable lo sujetamos al papel aluminio con cinta, mientras que al otro extremo lo atamos a un clavo, dejándolo sobre el televisor, aunque no tan cerca de las latas.
3. Encendemos el televisor.

Materiales

- Dos latas de aluminio de cualquier bebida
- Papel aluminio
- Cinta aislante
- Hilo de coser
- Lápiz
- Dos pedazos de cable eléctrico delgado, ambos de unos 40 cm de longitud (mínimo)
- Televisor de tubos

Resultados:

1. ¿Qué sucede con la bolita si inmediatamente encendemos el televisor? ¿A qué fenómeno electrostático se debe tal acontecimiento?
2. El cable que se ata al clavo, ¿qué función cumple dentro del circuito televisor-latas?
3. Cuando encendemos el televisor, se produce movimiento armónico en el péndulo que hemos creado. ¿De qué dependerá el período de oscilación del péndulo?
4. Si dejamos por largo tiempo encendido el televisor, ¿qué sucede con la bolita cuando la comparamos con el estado de movimiento en el que estuvo inmediatamente después de que se encendió el televisor?
5. Consulta. ¿Por qué se produce carga estática en la pantalla de un televisor de tubos?

Conclusiones: