miércoles, 24 de noviembre de 2010

Fuerza Eléctrica


Es originada por la interacción de una carga eléctrica con otras cargas eléctricas, que pueden tener señal positiva o negativo.

La palabra electricidad proviene de “electrón” que es partícula elemental de carga negativa. Es un fenómeno que puedes observar cotidianamente en nuestro entorno, e incluso en la naturaleza cuando llueve o se presenta una tormenta eléctrica y caen rayos se ve el relámpago que se produce por descas eléctricas. Según la teoría atómica moderna, la materia se compone de moléculas y estas a su vez de átomos. El átomo seria la parte mas pequeña de un elemento, formado por un núcleo donde se localizan los protones, cuya carga es positiva y los neutrones de carga neutra y girando alrededor de estos en varias orbitas se encuentran los electrones de carga negativa.

Podemos afirmar que la fuerza eléctrica es la intensidad de atracción o repulsión entre moléculas.

Electrostática

Rama de la física, que se encarga del estudio de las propiedades de las cargas eléctricas, en reposo,en otras palabras estudia los sistemas de cuerpos electrizados en equilibrio. La electrostática se constituye como la base de la electricidad, explica las fuerzas que se ejercen en la estructura de los átomos y las moléculas. Las cargas eléctricas no se generan por frotamiento ni contacto, sino que transfieren cargas negativas de un cuerpo a otro, a esto se le llama electrizar. Dando lugar a un equilibro de cargas entre ellos. Transferencia de cargas es cuando uno cede electrones y el otro los gana. Esto da como consecuencia la Corriente eléctrica, que está se define como un moviendo de electrones en un material conductor.

“La primera ley de la electrostática dice: Las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto se atraen.”

La permanencia de la corriente electrostática es de muy corto tiempo por ello se le llama Corriente Transitoria o de corto plazo. La manera de detectar las cargas es usan electroscopios.

Electroscopios

Es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. El primer electroscopio fue creado por el médico inglés William Gilbert para realizar sus experimentos con cargas electrostáticas. Actualmente este instrumento no es más que una curiosidad de museo

Existen dos tipos de electroscopios, el de medula de saúco y el de láminas de oro.

Electroscopio de médula de saúco esta compuesto de una base metálica o de madera que contiene una varilla metálica, de donde cuelgan (mediante un hilo) dos bolitas de médula de saúco, material muy ligero obtenido de la parte interna del árbol llamado saúco. Este electroscopio funciona de la siguiente manera: primero se frota una varilla de ebonita (plástico endurecido) o una varilla de vidrio, con una franela o con una tela de piel de gato; luego se acerca la varilla a las bolas de medula de saúco, el cual las atrae a o las repele según la carga que haya adquirido la barra. Recuerda que “cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen”.

Electroscopio de laminas de oro consiste básicamente en una base de madera, un envase metálico con “tapaderas” de cristal, donde se encuentra una barra metálica y junto a ella una lamina muy delgada de oro, conectadas ambas a una perilla metálica exterior. La barra y la lámina de oro se protegen de corrientes de aire y de que se contaminen con otras partículas. Se puede usar este electroscopio para saber si un cuerpo esta cargado positiva o negativamente. Supongamos que un objeto cargado negativamente toca la esfera. La hoja de oro inmediatamente se abrirá debido a que toda la lamina o todo el sistema metálico se cargo negativamente; como la lámina común y la de oro tienen la misma carga, entonces se ve que las láminas se separan. Lo mismo ocurriría si la carga hubiera sido positiva.


Electroscopio sencillo esta formado por una varilla metalica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el otro extremo dos laminas de aluminio muy delgadas. La varilla esta sostenida de la parte superior por una caja de vidrio con armazon de cobre en contacto con tierra. Al acercar el objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminas con cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su diferencian una medida de la cantada de cargas que han recibido. La fuerza de repulsión electroestática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera y las laminas, al perder la polarización vuelve a su posición normal.

Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos.

Generador de Van De Graaff

Es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 mega voltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

Consta de:

1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior.

2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje. (el tubo que detiene la esfera)

3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje.

4.- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.

5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora).

6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior.


El soporte sube las cargas eléctricas a la esfera metálica, donde se acumulan. Al acercarse una segunda esfera, mas pequeña, que se encuentra conectada a tierra, se descarga la esfera grande provacando un destello (chispa) entre ambas.


video


Ley de Coulomb

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Balanza de Torsión

Este instrumento consiste en una barra que cuelga de una fibra capaz de torcerse. Si la barra gira, la fibra tiende a hacerla regresar a su posición original, con lo que conociendo la fuerza de torsión que la fibra ejerce sobre la barra, se puede determinar la fuerza ejercida en un punto de la barra.

Dichas mediciones permitieron determinar qué:

La fuerza de interacción entre dos cargas y duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:

y

en consecuencia:

Si la distancia entre las cargas es r, al duplicarla, la fuerza de interacción disminuye en un factor de 4 (2²); al triplicarla, disminuye en un factor de 9 (3²) y al cuadriplicar r, la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16 (4²). En consecuencia, la fuerza de in

teracción entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

Asociando ambas relaciones:

Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relación anterior en una igualdad:

q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2 (C)
r = Distancia de separación entre las cargas (m)
F = Fuerza eléctrica (N)

La constante, si las unidades de las cargas se encuentran en Coulomb es la siguiente K = 9 * 109 N * m2 / C2 y su resultado se expresa (N/C)


Ejercicio

Problema n° 1) Calcular la fuerza que produce una carga de 10 μ C sobre otra de 20 μ C,cuando esta última se encuentra ubicada, respecto de la primera, a:

a) 1 cm.

b) 2 cm.

c) 0,1 cm.


Desarrollo

Datos:

q1 = 10 μ C = 1.10-5 C q2 = 20 μ C = 2.10-5 C

xa = 1 cm = 10-2 m xb = 2 cm = 2.10-2 m xc = 0,1 cm = 10-³ m


a) Fa = k.q1.q2/xa ²

Fa = 9.109 (Nm ²/C ²).1.10-5 C.2.10-5 C/(10-2 m) ²

Fa = 18.10-1 (Nm ²/C ²).C ²/10-4 m ²

Fa = 18.10³ N

Fa = 1,8.104 N

b) Fb = k.q1.q2/xb ²

Fb = 9.109 (Nm ²/C ²).1.10-5 C.2.10-5 C/(2.10-2 m) ²

Fb = 18.10-1 (Nm ²/C ²).C ²/4.10-4 m ²

Fb = 4,5.10³ N

Fb = 4,5.10³ N

c) Fc = k.q1.q2/xc ²

Fc = 9.109 (Nm ²/C ²).1.10-5 C.2.10-5 C/(10-³ m) ²

Fc = 18.10-1 (Nm ²/C ²).C ²/10-6 m ²

Fc = 18.105 N

Fc = 1,8.106 N