Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- Electrostática Módulo de aprendizaje Nº 01 ELECTROSTÁTICA Objetivo: Reconocer a partir del modelo Planetario la estructura del átomo y las partículas elementales que lo componen, sus característica físicas y su naturaleza eléctrica. Introducción ¿ Cuáles son las interacciones fundamentales? Tales de Mileto (alrededor de siglo VI A. de C. ) sabía que un pedazo de ¿Cómo interactúan las partículas mínimas? ámbar frotado con un trozo de piel adquiría la propiedad de atraer objetos ligeros. La palabra griega que designa el ámbar es electrón, de donde se deriva el término electricidad. No existió ningún avance de importancia posterior en esta materia hasta el siglo XVII.. Interacciones entre las partículas Fuerza Concepto de materia. Todos los cuerpos que existen en la naturaleza estás constituidos por sustancias que se le denomina materia . La materia se puede subdividir en partículas más pequeñas aún, se llega a porciones mínimas, denominada Moléculas. Las moléculas están en La materia esta hecha de partículas que constante movimiento y entre ellas interactúan. 1 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- Electrostática existen fuerzas de atracción y repulsión, Repasemos brevemente lo que hoy se en los sólidos predominan las fuerzas de sabe acerca de la estructura última del atracción de las moléculas sobre la de mundo que nos rodea. Es útil concebir al repulsión y es por esto que conservan su átomo, como un sistema solar en forma propia. miniatura, con un núcleo denso, de cargas Molécula. positiva, que ocupa la posición del Sol y Es la partícula “más pequeña” en que se puede dividir la materia sin que los electrones de carga negativa girando como planetas. cambie las propiedades físicas originales, conservan del cuerpo original su densidad, color, estado físico, etc. Átomo. La molécula se puede dividir más Los átomos están formados por aún, llegando a pequeñas porciones de partículas materia , cabe preguntarse ¿siempre será protones y neutrones en proporciones la misma sustancia?. Preguntas como diversas. éstas se remontan hasta los antiguos contiene protones, con carga positiva y filósofos griegos. Dos de ellos Leucipo y neutrones sin carga y en torno al núcleo Demócrito, no podían aceptar la idea de giran los electrones, con carga negativa, que estos cortes que continuaran para son subatómicas: electrones, Consta de un núcleo, el cual partículas pequeñísimas, siempre. Especularon que el proceso, en siguiendo orbitas elípticas. última instancia, debía terminar cuando La existencia de los neutrones se verificó resultara una partícula no se pudiera de manera concluyente en el año 1932. cortar. En griego la palabra átomo Un neutrón no tiene carga eléctrica , significa “no divisible”. De ahí viene pero tiene una masa algo más ligera que nuestra palabra átomo, que en algún la del protón y su propósito es actuar momento se pensó que era la partícula como un pegamento para mantener unido más pequeña de la materia , Los físicos el núcleo. Si no hubiera neutrones en el que estudian las partículas elementales núcleo, las fuerza repulsivas entre los todavía especulan y realizan protones haría que éste se desintegrara . experimentos relacionados con los Pero,¿es aquí donde termina la división elementos constitutivos de la materia. en partículas cada vez más pequeñas?. 2 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- Electrostática Como verá en estudios posteriores de Física, existen elementales partículas aún más que los protones y los electrones. Ahora se piensa que existen que protones ,neutrones y un gran número de otras partículas exóticas están compuestas de seis partículas llamadas “Cuarks”:Arriba”(Up),abajo(down),extraño(strange),”encantado”,(charmed), ”fondo”( bottom) y “superior” (top). Los cuarks arriba, encantado y superior tiene cargas +2/3 de la carga del protón, mientras que los cuarks extraño, abajo y fondo tiene -1/3 de la del protón . El protón consta con dos cuarks arriba y un Figura a La cantidad de electrones en orbita cuarks abajo. En cambio el neutrón está hace que la materia sea diferente. compuesto de dos cuarks abajo y uno Por ejemplo : arriba. Figura b 3 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- Electrostática Existen dos tipos de electricidad: Positiva (+) . Negativa (-) . (Propiedad dual de la carga eléctrica) Es posible realizar el experimento de Tales de Mileto, disponiendo de dos pequeñas esferas de medula de saúco suspendida mediante hilos de seda a una cierta distancia , tal como se observa en las figuras d y e. Primero, se frota una vara de vidrio con género de seda y una vara de ebonita se frota con un trozo de piel. Ya que estas varas adquieren la propiedad de atraer pequeños trozos de papel contra la fuerza Figura c En los átomos siempre se cumple: La cantidad de protones del núcleo es igual a la cantidad de electrones. unidad neutra. estado normal. Se puede decir que se ha colocado una carga eléctrica. En el átomos transferir algo de la carga de las varas a las esferas, tocándolas con una vara cargada. El comportamiento eléctrico de los forma de energía que no tenían en su experimento se puede ver que se puede El átomo está en su estado normal o en equilibrio eléctrico, es una de gravedad, deben haber adquirido una depende exclusivamente de la pérdidas o ganancia de los electrones. Así : Si un átomo gana electrones, queda negativo, por el contrario si un átomo pierde electrones, Si se toca ambas esferas con la vara de vidrio cargada, se observa que ellas tienden a distanciarse, es decir se repelen, figura d , sin embargo, si se toca a la esfera de la izquierda con la vara de vidrio cargada, y a la de la derecha se toca con una vara de ebonita cargada, se queda positivo. De lo anterior se puede concluir: 4 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- Electrostática puede observar que ellas tienden a es siempre una fuerza de atracción acercarse, es decir se atraen, figura e. y nunca de repulsión. La carga de la vara de ebonita debe ser diferente de la carga de la vara de vidrio, ya que en un caso se produce una fuerza de repulsión y en el otro caso, una fuerza de atracción. Como ambas esferas fueron cargadas con la misma vara de vidrio, Figura d deben poseer cargas iguales. Sin conocimiento cabal de la naturaleza exacta de las cargas, los científicos del siglo XVIII designaron las cargas de la figura b como cargas diferentes y establecieron la 1º ley de la electrostática, que dice: Figura e De esto se puede deducir: La fuerza entre estas esferas “Cargas de igual signo se repelen y cargadas es una fuerza de campo, distinto signo se atraen” que actúa a distancia, (como la Fuerzas Elementales: fuerza gravitacional), y no 1. Gravitación: Fuerza Gravitacional. una fuerza de contacto (como podría 2. Electromagnetismo: ser una fuerza del tipo mecánica) electrostática y Fuerza magnética. ya que ambas esferas no están en 3. En el interior del átomo: Interacción Fuerte, Interacción débil. contacto. Fuerza No es una fuerza del tipo gravitacional, ya que esta fuerza Fuentes: - La fuente de la gravitación es la 5 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- “masa m”. - Electrostática 2. La carga eléctrica se conserva en un La fuente del electromagnetismo es sistema aislado, al igual que la la carga eléctrica “q”. energía y la masa. 3. La carga eléctrica esta cuantizada. Por convención: carga eléctrica negativa Electrón qe e Protón La carga total qt debe ser un múltiplo de e . carga eléctrica positiva qp e qt n e , n 0 Ejercicios: Carga eléctrica : “q” Es la llamada carga eléctrica En la siguiente figura señale la dirección del flujo de electrones cuando dos cuerpos conductores se ponen en contacto y uno de ellos, a lo menos, está cargado. fundamental. Todo cuerpo que aparezca naturalmente cargado presenta una ------ ++++ cantidad de carga múltiplo de él, no existe otra menor. ----- -En el S. I. “q” se mide en: [Coulomb]=[cb] -En el sist. C.G.S. “q” se mide en: [statcoulomb]=[stc] ++++ Donde 1[cb] = 6,25x10 18 [electrones] 1 e = -1,6x10 -19 [cb] 1[cb] = 3x10 9 [stc] 10 1 [stc] =3,33x10 - [cb] ++++ + ++ ---- - - - - -- Propiedades de la carga eléctrica.1. Las cargas se suman. qt q1 q2 q3 ........ qn n qt qi i 1 Una esfera metálica se encuentra aislada y cargada positivamente. Si se 6 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- toca con la mano, entonces las cargas d) I y II que se mueven son : e) II y III a) positivas desde la esfera a la Tierra b) Positivas desde la Tierra a la esfera c) Negativas desde la Tierra a la esfera d) Negativas desde la esfera a la Tierra Electrostática Tenemos un cuerpo P cargado negativamente y otro N cargado positivamente. Al hacerlos interactuar separadamente con un cuerpo neutro, sucede que el cuerpo: a) P se repele con el cuerpo neutro. b) P y el cuerpo N atraen al cuerpo neutro. c) N se repele con el cuerpo neutro. d) N repele al neutro, mientras que P lo atrae. e) Ninguna de las anteriores Al aproximarse dos cuerpos, uno cargado eléctricamente y el otro neutro, ellos: a) Se atraen y quedan unidos b) Se repelen c) Inicialmente se repelen y luego se atraen d) Inicialmente se atraen y luego se repelen e) No sucede nada Se tienen tres cargas eléctricas puntuales 1,2 y 3 que interactúan de tal manera que 1 atrae a 2 y 2 repele a 3. La explicación de este comportamiento podría ser debido a que los signos de las cargas son : a) 1 positiva, 2 negativa y 3 positiva. b) 1 negativa, 2 positiva y 3 negativa. c) 1 negativa, 2 negativa y 3 positiva. d) 1 positiva , 2 negativa y 3 negativa. El comportamiento eléctrico de los cuerpos depende del grado de facilidad con que sus átomos cedan o capten: Si tenemos un cuerpo P eléctricamente neutro y otro cuerpo Q cargado eléctricamente, entonces: I.- Protones II.- Neutrones III.- Electrones Es o son verdaderas a) b) c) d) Se atraen sólo si Q es negativo. Se repelen sólo si Q es negativo. Se traen sólo si Q es positivo. Se atraen cualquiera sea la carga de Q. a) Solo I b) Solo II c) Solo III Un cuerpo está cargado positivamente porque : 7 Instituto Profesional De Chile Ingeniería Industrial Unidad 1- Electrostática 5. Física para la ciencia y la a) Ha ganado positivas. b) Ha perdido negativas. c) Ha ganado negativas. cargas eléctricas cargas eléctricas cargas eléctricas tecnología, v 1 4° edición Paul A Tipler. Editorial Reverté, S.A. 2002 . VÍNCULO WEB RECOMENDADO http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/V Un cuerpo está cargado negativamente porque : a)Ha ganado protones. b)Ha perdido electrones. c)Ha ganado electrones. erContenido.aspx?GUID=123.456.789.000&I D=104516#Sitios%20sugeridos http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagne t/electrico/cElectrico.html BIBLIOGRAFÍA 1. Física Conceptual. 9° Edición. Paul G. Hewitt. Pearson Educación, México 2004. 2. Física General .4° Edición . Antonio Máximo, Beatriz Alvarenga. Oxford University Press,1998. 3. Física Quinta Edición Wilson- Bufa Pearson Educación, México 2003 4. Física II . 4° edición Raymond A. Serway. Ed. McGraw-Hill, 1997. 8