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Electrostática

Parte de la Electricidad que comprende el estudio de las cargas eléctricas en reposo, los Campos eléctricos asociados, las Interacciones eléctricas y su característica energética.

Recordemos que todo cuerpo sustancial está formado por partículas, a su vez está formado por moléculas y cada molécula, por átomos.

Puntos importantes de la teoría atómica:

  1. Todo átomo está conformado por dos zonas: la zona nuclear o núcleo con carga positiva y una zona extranuclear, que rodea al núcleo, en la cual se distribuyen los electrones.
  2. Los electrones de todos los átomos son idénticos y cada electrón tiene la misma cantidad de carga negativa y la misma masa.
  3. En todo átomo la zona nuclear o núcleo se compone de protones y neutrones. Los protones tienen casi 2 000 veces más masa que los electrones, pero poseen carga positiva igual en valor a la negativa de los electrones. Los neutrones tienen masa un poco mayor que la de los protones pero son eléctricamente neutros.
  4. Todo átomo normal, neutro ó basal, posee el mismo número de protones y electrones.
  5. El número atómico de un átomo está dado por el número de protones o electrones y se le representa por «Z». La suma de protones y neutrones o (nucleones) da el número de masa y se le representa por la letra «A». Luego el número de neutrones se le representa por la letra «N»; se cumple la siguiente relación:
    1. N = A -Z
  6. Se llama ión al átomo que ha ganado o perdido electrones.
  7. Cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones queda «ionizado positivamente». El átomo que gana uno o más electrones queda «ionizado negativamente».

Carga Eléctrica «q»

¿Qué nos expresa la carga eléctrica?

La carga eléctrica es una magnitud física escalar cuyo valor expresa si los átomos de un cuerpo han ganado o perdido electrones.

Asimismo la carga eléctrica es una propiedad de la materia que se caracteriza por generar alrededor suyo su respectivo campo eléctrico. El campo eléctrico permite las interacciones eléctricas.

Unidad de Medida:

La unidad de medida de la carga eléctrica en el SI es el COULOMB «C», los submúltiplos usuales de la carga eléctrica son:

  • 1 milicoulomb 1 mC = 10-3 C
  • 1 microcoulomb 1 mC = 10-6 C
  • 1 nanocoulomb 1 nC = 10-9 C
  • 1 picocoulomb 1pC = 10-12 C

Actualmente se investiga la posibilidad de la existencia de partículas que puedan tener un tercio o dos tercios de la carga de un electrón, la cual en estudios teóricos se llama Cuark o Quark, en dichas investigaciones, se clasifican a los cuerpos electrizados en dos grupos:

  1. Los que como el vidrio o la lana, se cargan Positivamente.
  2. Los que como la seda o la resina, se cargan Negativamente.

Tabla Tribo Eléctrica.

Obtenida experimentalmente, indica algunas sustancias ordenadas de manera creciente de acuerdo a su electronegatividad:


Ley fundamental de la Electrostática / Ley de Coulomb

Dos cargas puntuales y fijas, situadas en el vacío, experimentan una fuerza de interacción eléctrica que es directamente proporcional al producto de los valores de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación

Una carga es Puntual si esta distribuida en un cuerpo cuyas dimensiones relativas son despreciables en comparación con las demás dimensiones que intervienen en un problema.

Donde:

  • F: Es la fuerza eléctrica en Newton «N»
  • |Q| y |q|: Valores de las cargas puntuales, en Coulomb «C».
  • d: Distancia entre las dos cargas puntuales, en Metro «m».
  • K: Coeficiente de la Ley de Coulomb.

El valor de «K» depende del medio material que rodea a las cargas eléctricas. El valos de K en el aire y/o vacio es:

También podemos encontrar la Ley de Coulomb así:

El valor del coeficiente de la Ley de Coulomb esta dada por:

Ejemplo 1:

Calcular la fuerza con que se repelen dos electrones que estan a 0.2×10-8 m.

Solución:

Respuesta: F = 576×10-13 N

Ejemplo 2:

¿Con qué fuerza atraen una masa de 4 protones con una masa de 12 electrones que están separados una distancia de 2×10-9m?

Solución:

Respuesta: F= 276.48 x 10-11 N

Ejemplo 3:

Dos esferitas iguales tienen cargas de +60 u.e.q. y -100 u.e.q. Calcular:

  1. ¿Con qué fuerza se atraen o se repelen si se les pone en contacto?
  2. ¿Con qué fuerza si después de juntarlos se separan 20 cm de distancia?

Solución:

Q=+60 u.e.q.

q=-100u.e.q.

d1=0cm

d2=20cm

F1 y F2 = ?

K= din x cm2 / (u.e.q.)2

1). Si se ponen en contacto, la fuerza de atracción neta viene a ser la suma de las cargas:

(+60)+(-100)=-40 u.e.q.

2). Como al entrar en contacto, la carga neta se reparte entre las dos esferitas, la fuerza a 20 cm de distancia es de repulsión y su valor es:

Reemplazando valores:

Respuesta: F= 1 din = 10-5 N

Ejemplo 4:

En los extremos de la hipotenusa de un Triángulo, cuyos catetos miden 3 y 4cm, hay dos cargas positivas de 18 y 100 u.e.q.,calcular:

1). La fuerza que ejercen sobre una carga positiva de 2 u.e.q. situada en el vértice del ángulo recto.

2). Calcular también, con qué fuerza se rechazan entre ellas.

Solución:

1). F = ? 2). F1-2 = ?

Recordando que:


Las fuerzas (1) y (2) son componentes de las fuerzas de repulsión de q1 y q2 sobre q3, mediante la recta del paralelogramo se nota el rechazo o repulsión total.

Respuestas:

F= 13.12 din

F1-2 = 72 din


Ejercicios:

1. Dos cargas de 0.1 g de masa, están suspendidas de un mismo punto mediante dos hilos de seda de 13 cm de longitud. Como están cargadas con cargas positivas se separan 10 cm. ¿Cuál es la carga de cada una?

2. ¿Cuál es la fuerza eléctrica de repulsión entre dos electrones separados un distancia d= 10-10 m?

3. Cuatro cargas están colocadas en los vértices de un cuadrado de lado 20 cm. Dos de +5 C, diametralmente opuestos y de -2 C y +2C también diametralmente opuestos. Al centro va una carga de -1 C. ¿Cuál es la fuerza que actúa sobre esta carga?

5. Dos pequeñas esferas de 0,1 g de masa cada una, están suspendidas en el aire de un mismo punto, con hilos de 30 cm de longitud. Cuando las esferas tienen igual carga se separan una distancia de 1,8 cm calcular:

a) ¿Cuál es la fuerza repulsiva?

b) ¿Cuál es la carga de cada esfera?

6. Hallar la fuerza de repulsión entre dos cargas iguales de 2C separadas en el aire 500m.


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