RESUELVA LAS SIGUIENTES ACTIVIDADES
ACTIVIDAD 1:
Hallar la intensidad del campo eléctrico en el aire generado por una carga fuente Q=5x102 C, a una distancia de 30 cm.
ACTIVIDAD 2:
Calcular la intensidad de un campo eléctrico, si al colocar una carga de prueba igual a 48 C actúa con una fuerza de 1,6 N.
ACTIVIDAD 3:
Encontrar la carga eléctrica fuente del helio, sabiendo que el valor de la intensidad del campo eléctrico producido por él es de 2,88x109 N/C, en un punto situado en el aire a 1nm
ACTIVIDAD 4:
En un punto P del espacio existe un campo eléctrico de 5x104N/C. Si una carga positiva de 1,5 C, se coloca en el punto P, ¿Cuál será el valor de la fuerza eléctrica que actual sobre ella?
-8
ACTIVIDAD 5: Se tiene una carga puntual fuente Q = 4x10 C. Calcular la intensidad de campo eléctrico a una distancia de 2 m de ella.
2. LEA Y RESUELVA
LA ELECTROSTÁTICA considera el comportamiento de las cargas eléctricas en reposo.
Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar con un trozo de paño, podía atraer objetos pequeños.
Posiblemente el primero en realizar una observación científica de ese fenómeno fue el sabio y matemático griego Thales de Mileto, allá por el año 600 A.C., cuando se percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco, aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.
No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o carentes de movimiento de diferentes signos, es decir, una positiva (+) y la otra negativa (–). A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa “ámbar”.
En realidad lo que ocurre es que al frotar con un paño el ámbar, este último se electriza debido a que una parte de los electrones de los átomos que forman sus moléculas pasan a integrarse a los átomos del paño con el cual se frota. De esa forma los átomos del ámbar se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones y los del paño en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones.
A.- Trozo de ámbar y trozo de paño con las cargas eléctricas de sus átomos equilibradas.
B.- Trozo de ámbar electrizado con carga estática positiva, después de haberlo frotado con el paño. Los electrones del ámbar han pasado al paño, que con esa acción éste adquiere carga negativa.
Para que los átomos del cuerpo frotado puedan restablecer su equilibrio atómico, deben captar de nuevo los electrones perdidos. Para eso es necesario que atraigan otros cuerpos u objetos que le cedan esos electrones. En electrostática, al igual que ocurre con los polos de un imán, las cargas de signo diferente se atraen y las del mismo signo se repelen.
Tormenta eléctrica
Una manifestación de carga estática la tenemos en las nubes cuando se generan tormentas eléctricas con rayos. Cuando una nube se encuentra completamente ionizada o cargada positivamente, se establece un canal o conducto natural que es capaz de atraer iones cargados negativamente desde la Tierra hasta la nube. Cuando los iones negativos procedentes de la Tierra hacen contacto con la nube, se produce el rayo al liberar ésta la enorme carga de corriente eléctrica estática acumulada.
Otro ejemplo lo tenemos en los vehículos, que al desplazarse a través de la masa de aire que lo rodea, adquieren carga estática. Cuando eso ocurre podemos llegar a sentir una descarga o calambrazo eléctrico en el cuerpo al tocar alguna de las partes metálicas del vehículo.
Las máquinas fotocopiadoras e impresoras láser hacen uso práctico de la carga eléctrica estática. Su principio de funcionamiento se basa en que un rayo de luz ilumina la imagen o texto por medio de un proceso de escaneo y la transfieren a un tambor fotosensible como carga estática. El polvo de impresión o tóner, que posee características magnéticas, al pasar al tambor se adhiere a las partes sensibilizadas por el rayo de luz. A continuación cuando el papel pasa por el tambor fotosensible, el polvo del tóner se desprende y se adhiere a su superficie, transfiriendo así todo el contenido del tambor. Para que el polvo del tóner no se desprenda del papel antes de salir de la fotocopiadora o impresora, se hace pasar por un rodillo caliente que se encarga de fijarlo de forma permanente
INTERPRETACIÓN DE LA NUEVA INFORMACIÓN
LAS CARGAS ELÉCTRICAS: actualmente existen dos tipos de cargas a las que por convenio se les denomina cargas positivas y cargas negativas:
• La carga positiva es, por convenio, el tipo de carga que adquiere el vidrio al frotarlo con seda.
• La carga negativa es, también por convenio, el tipo de carga eléctrica que adquiere el plástico al frotarlo con lana.
Los cuerpos que tienen carga eléctrica del mismo signo se repelen y los que tienen cargas de sigo diferente se atraen.
Se define la carga eléctrica como la propiedad fundamental de la materia y la conocemos por los efectos que produce, entre ellos la atracción y la repulsión.
El comportamiento eléctrico de los cuerpos está íntimamente ligado con la estructura atómica de la materia. Todos los cuerpos están formados por átomos. En estos átomos hay protones, de carga positiva y electrones, de carga negativa. Los protones y los neutrones, partículas sin carga, se encuentran en el núcleo, mientras que los electrones se encuentran en el exterior del núcleo. Cada protón tiene la misma cantidad de carga eléctrica que un electrón, aunque son de diferente signo.
Los átomos tienen la misma cantidad de electrones que de protones, por lo que la carga negativa de los primeros se compensa con la carga negativa de los segundos. Por ese motivo se dice que el átomo es eléctricamente neutro.
AMPLIACIÓN DE CONCEPTOS
CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA: la fuerza eléctrica que mantiene unidos a los electrones del núcleo disminuye cuando la distancia al núcleo aumenta. En algunos materiales existen electrones que se encuentran débilmente unidos a los átomos y es posible liberarlos o transferirlos a otros objetos.
Cuando sometemos un cuerpo a ciertas manipulaciones, como por ejemplo frotarlo, puede ganar o ceder electrones.
Si un cuerpo tiene carga positiva o negativa, es porque ha redistribuido su carga eléctrica. Si un cuerpo al frotarlo con otro se carga positivamente, ¿qué carga adquiere el otro cuerpo?
En estas redistribuciones de carga se cumple el principio de la conservación de la carga:
“La cantidad de carga eléctrica de un sistema aislado es constante”
Así pues, la cantidad de carga se redistribuye de un sistema a otro, pero ni se crea ni se destruye.
Un material conductor, como los metales, permite que la carga fluya en su interior y se distribuya libremente; mientras que un material aislante acumula las cargas en determinadas zonas de su interior.
Un material se carga por contacto si se toca uno con otro, mientras que para cargarse por inducción no es necesario que haya tal contacto.
ACTIVIDAD EN EL AULA
TRABAJO EN GRUPO: conteste falso (F) o Verdadero (V):
a. Para que haya electrostática se necesita de corriente eléctrica ( ).
b. Thales de Mileto fue el primero en experimentar con la electrostática ( ).
c. Galileo Galilei fue quien explicó el fenómeno de la electrostática ( ).
d. El término “ELECTRICIDAD” proviene de la palabra ámbar ( ).
e. En un átomo los protones son los que tienen el movimiento ( ).
f. Cuando un material tiene exceso o defecto de electrones, se dice que está electrizado ( ).
g. Las cargas eléctricas del mismo signo, se repelen ( ).
h. La nube cuando está ionizada, se descarga hacia la Tierra ( ).
i. La carga de los electrones se representa con el signo (+) ( ).
j. Los neutrones se encuentran en el núcleo ( ).
k. Los neutrones tienen carga positiva ( ).
l. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia ( ).
m. El protón posee más carga que un electrón en un mismo átomo ( ).
n. El átomo se considera eléctricamente neutro.
o. La fuerza de atracción entre electrones y protones es inversamente proporcional a la distancia que los separa ( ).
p. El principio de conservación de la carga dice que la cantidad de carga eléctrica de un sistema aislado es variable ( ).
q. Los materiales conductores permiten que la carga fluya libremente en su interior ( ).
r. Los metales son materiales aislantes ( ).
s. Un material aislante acumula cargas en determinadas zonas de su interior ( ).
t. Para que un material se cargue por inducción, debe haber contacto ( ).
R E S U E L V A
TRABAJO INDIVIDUAL
A continuación encontrará un enunciado y cuatro posibilidades de respuesta. Señale con una ”X”, la opción correcta:
I. La electrostática considera cargas eléctricas:
a. En movimiento
b. Perpendiculares.
c. Transversales.
d. En reposo.
II. Los primeros es observar fenómenos relacionados con la electrostática fueron:
a. Los romanos.
b. Los ingleses.
c. Los griegos.
d. Los japoneses.
III. La atracción se realiza entre cargas eléctricas de:
a. Igual signo.
b. Mayor signo.
c. Diferente signo.
d. Menor signo.
IV. Los cationes tienen:
a. Exceso de electrones.
b. Exceso de protones.
c. Defecto de neutrones.
d. Defecto de electrones.
V. En un rayo, la carga eléctrica se dirige:
a. Desde la atmósfera hacia la Tierra.
b. Desde la Tierra hacia la atmósfera.
c. Distribuyéndose en la superficie.
d. Distribuyéndose en la Tierra.
VI. Los neutrones poseen carga:
a. Positiva.
b. Negativa.
c. Neutra.
d. Ninguna de las anteriores.
VII. Se dice que el átomo es:
a. Eléctricamente neutro.
b. Eléctricamente positivo.
c. Eléctricamente negativo.
d. Todas las anteriores.
VIII. La fuerza eléctrica que une al electrón con el núcleo:
a. Es directamente proporcional a la distancia que los separa.
b. Es inversamente proporcional a la distancia que los separa.
c. Es directamente proporcional al número de electrones.
d. Es inversamente proporcional al número de protones.
IX. La cantidad de carga de un sistema a otro:
a. Se crea.
b. Se destruye.
c. Se transforma.
d. Se distribuye.
X. La carga:
a. En un material aislante se acumula en determinadas zonas.
b. En un material conductor se distribuye libremente.
c. En un material conductor fluye en su interior.
d. Todas las anteriores.
LEY DE COULOMB”
LOGRO: Analizar las propiedades de la Ley Coulomb en la física moderna. Analizar las propiedades de los fenómenos de la electrostática, comprendiendo sus leyes y principios, para entender mejor algunos fenómenos de la naturaleza.
COMPETENCIAS:
Identificar el comportamiento de las cargas eléctricas positivas y negativas.
Calcular la fuerza eléctrica entre dos cuerpos cargados eléctricamente.
Identificar aplicaciones tecnológicas de la electrostática en la vida moderna.
Comprender las propiedades eléctricas de la materia.
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Momento A: Apropiación de conceptos,
Momento B: Análisis y propuesta de solución de problemas
Momento C: Práctica en el contexto
Momento D: capacidad de hacer nuevas propuestas e inventiva.
• Cumplimiento y responsabilidad con trabajos, tareas, participación activa, puntualidad y asistencia.
1. MOTIVACIÓN: realiza la siguiente lectura:
En física, la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas (pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética.
La ley de Coulomb relaciona la magnitud de las fuerzas electrostáticas con las características del medio, reflejadas en su constante K, con el valor de las cargas interactuantes y con la distancia comprendida entre sus centros. Por tal motivo es posible averiguar uno de estos elementos si se conoce el resto.
Un átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón que se mueve en torno a él; sabiendo que sus cargas, iguales y de signo contrario, equivalen a
1,6 • 10-19 C y que la intensidad de la fuerza atractiva que experimentan es de 8,2 • 10-18 N se pudo determinar el valor de la distancia media que los separa (radio de Bohr)
3. PRESABERES (trabajo en grupo)
Resuelva en el cuaderno de física, con sus propias palabras:
¿Por qué elementos están compuestas las moléculas de cualquier material? ¿Y a su vez esos elementos cómo están constituidos? ¿Qué son conductores y aislantes? ¿Los electrones y los protones qué carga eléctrica tienen? ¿Las cargas eléctricas del mismo signo, se repelen o se atraen? ¿En qué experiencias de la vida cotidiana se puede observar que los objetos se electrizan? ¿Esta electrización ocurre necesariamente en presencia de corriente eléctrica?¬¬
4. NUEVOS CONCEPTOS
El físico francés Charles Coulomb (1736-1806) mediante una balanza de torsión estudió las fuerzas con que se atraían o se repelían los cuerpos cargados y llegó a las siguientes conclusiones:
Las fuerzas eléctricas depende de los valores de las cargas. Cuanto mayores son esos valores, mayor es la fuerza con que se atraen o se repelen.
Las fuerzas eléctricas dependen de las distancia que separan las cargas. Cuando la distancia aumenta la fuerza entre ellas disminuye. La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Sólo ocho décadas después se estableció la unidad de medida de la carga eléctrica, en el S.I. es el culombio(C). Notaremos la carga eléctrica con la letra qe.
El valor de la carga eléctrica del electrón es qe=1.6 x10-19 C. Para tener una idea de la carga que representa un Culombio, la cantidad de carga que se le suministra a una peinilla al ser frotada con el cabello es del orden de 10-6 C. Una carga eléctrica de un Culombio es una cantidad muy grande, por lo que utiliza el microculombio. 1µC=10-6 C.
La Ley de Coulomb dice:
“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas de atracción o de repulsión con que interactúan dos cargas puntuales en reposo Q1 y Q2, es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.
En esta expresión K es la constante electrostática. Se expresa en N. m2/C2 y su valor depende del medio en el que se encuentren las cargas. En el vacío, el valor de la constante electrostática es K=9x109 N.m2/C2.
Resuelva los siguientes ejercicios aplicando la Ley de Coulomb:
1. Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas Q1 = + 1 x 10-6 C. y Q2 = + 2,5 x 10-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.
2. Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas Q1 = -1,25 x 10-9 C. y Q2 = +2 x 10-5 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.
3. Sobre los extremos de un segmento AB de 1.00 m. de longitud se fijan dos cargas. Una Q1 =+4 x 10-6C. sobre el punto A y otra Q2=+1 x 10-6C. sobre el punto B.
a) Ubicar una tercera carga Q3=+2 x10-6C sobre AB de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultánea de las dos cargas dadas.
b) La ubicación correcta de Q3, ¿depende de su valor y signo?
4. Dos cargas puntuales Q1= 3.10-6 C y Q2= 4.10-6 C están separadas 0,5 m y ubicadas en el vacío.
a) Calcule el valor de la fuerza entre las cargas.
b) Construya un esquema donde represente la situación anterior y las fuerzas de interacción entre las cargas.
5. Tenemos un triangula equilátero de tres cargas:
Q1 = 3 C
Q2 = 5 C
Q3 = 8 C
¿Qué fuerza ejercen estas cargas sobre qc si la distancia entre cada una es de 0.5m?
6. Tres cargas puntuales se colocan en las esquinas de un triángulo equilátero.
Calcule la fuerza eléctrica neta sobre la carga de 7 µC.
7. Dos cargas puntuales se encuentran separadas 7cm en el aire y se rechazan con una fuerza de 65x10-2 N. Si una tiene el doble de la carga de la otra.
¿Cuál es la magnitud de las cargas?
8. Una carga de 64 µC colocada a 30 centímetros a la izquierda de una carga de 16 µC.
¿Cuál es la fuerza resultante sobre una carga de -12 µC localizada exactamente a 50 milímetros debajo de la carga de 16 µC?
9. 2 cargas puntuales positivas iguales Q1 = Q2 = 8 µC, interactúan con una tercera carga puntual Q0 = -12 pC.
¿Encuentre la magnitud y dirección de la fuerza total sobre Q0?
10. Dos cargas Q1 y Q2, están separadas una distancia d y ejercen una fuerza mutua F. ¿Cuál será la nueva fuerza si:
a. Q1 se duplica.
b. Q1 y Q2 se reducen a la mitad.
c. d se triplica.
d. d se reduce a la mitad.
e. Q1 se triplica, y d se duplica.
11. Dos cargas A y B, separadas 3 cm, se atraen con una fuerza de 40 μN. ¿Cuál es la fuerza entre A y B si se separan 9 cm?
12. ¿Cuál es la fuerza que ejercen dos cargas Q1=5c y Q2=-2c a una distancia de 0.25m?
13. Calcular la distancia entre el electrón y el protón de un átomo de hidrógeno si la fuerza de atracción es de 8,17 x10-8 N.
14. Una carga puntual de -2 µC está localizada en el origen. Una segunda carga puntual de 6 µC se encuentra en x=1m y=0,5m.
Determinar las coordenadas x e y de la posición en la cual un electrón estaría en equilibrio.
15. ¿Cuál es la fuerza que actúa entre dos cargas, una de 8x10-8 C y otra de 2X10-6 C separadas por una distancia de 0.3 m?
