Parte 3: Electricidad y Magnetismo - unsl.edu.ar

1 1 Parte 3: Electricidad y Magnetismo2 Parte 3: Electricidad y MagnetismoSon responsables de la existencia de tomos, mol culas y, consecuentemente, de las propiedades qu micas y estructurales de la materia. La electricidady el magnetismodan lugar a la radiaci n electromagn tica, incluidas las ondas de radio, los rayos X y la luz visible. Esta Parte del programa est compuesta por tres bolillas. En la primera, estudiaremos fen menos asociados con cargas el ctricas en reposo (Electrost tica), en la segunda introduciremos el concepto de corriente el ctrica y teor a de circuitos el ctricos, finalmente en la ltima bolilla se estudia el magnetismoy se introducen los conceptos b sicos del fen menos ligados a la electricidady almagnetismo, han sido observados y estu-diados desde hace muchos siglos.

2 No obstante ello, las leyes fundamentales que rigen estos fen menos fueron descubiertas en el Siglo XIX. Existen muchas razones para estudiar, en este curso, las fuerzas el ctricas y magn ticas. stas forman Parte de las denominadas Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza3 Fen menos, propiedades y usos de la Electricidad y el magnetismo4 Bolilla 8: Electrost ticaLa electrost ticaes la Parte de la f sica que estudia las cargas el ctricas en simples muestran que existen dos tipos de cargas el ctricas, seg n la convenci n propuesta por Franklin (siglo XVIII), cargas positivasy cargas negativas. Cargas de igual signo se repelen, y cargas de distinto signo se materia est compuesta por tomos. En un modelo simple, lo podemos suponer formado por un n cleo positivo y electrones (negativos) que giran a su alrededor (Modelo de Bohr).

3 Estos son retenidos debido a la fuerza de atracci n que los liga al n propiedades fundamentales de las cargas el ctricas son las siguientes:9La carga el ctrica esta cuantizada, sto significa que cualquier valor de carga es un m ltiplo de la carga fundamental (carga del electr n).9La carga el ctrica se conserva. En cualquier proceso f sico la carga el ctrica total permanece n: proton+ Fuerzas El ctricas. Ley de CoulombLey de Coulomb:la fuerza el ctrica entre dos cargas es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las = FqiqFFNqqq12rrrrii1N2F2 Direcci n: recta porq1, q2cargas de igual signo se repelen, cargas de distinto signo se dulo:Sentido:rF = Kqqrr122$Expresi n vectorial:En el Sistema Internacional la unidad para la carga es el Coulomb(C) y la constante K es9 x 109Nt m2C-2La fuerza resultante es la suma +++=Superposici El Campo El ctricoCampo el ctrico es la fuerza por unidad de carga que se ejerce sobre una carga qcolocada en una regi n de espacio donde experimenta una fuerza el ctrica FrrE=FqSi el campo el ctrico es generado por una carga Q, utilizando la Ley de Coulomb concluimos que a una distancia rde la carga, el campo el ctrico es:rE=KQqrqr = KQrr22$$Conocido el campo el ctrico en una punto, la fuerza el ctrica sobre una carga q colocada en este punto es:EqFrr=FEEEqQ1r1 FqQ2r2 FqQ3r3applets: campo electricoapplets.

4 Lineas de campo - carga de prueba7L neas de Campo El ctrico9La densidad de l neas de fuerza es proporcional a la intensidad del campo el un punto de una l nea, la tangente coincide con la direcci n del campo el ctrico en este l neas de campo el ctrico(o l neas de fuerza), son l neas imaginarias que tienen como objetivo generar una representaci n visual del campo el ctrico en una regi n del espacio. Sus propiedades mas importantes son:9El sentido de la l nea, determina el sentidodel campo el ctrico Las l neas parten de las cargas positivas y arriban a las cargas electrico para un plano uniformemente cargadoPlanos cargados (positivo y negativo) (capacitor) Potencial El ctricoLa fuerza el ctrica, del mismo modo que la fuerza gravitatoria, es una fuerza conservativa.

5 Siguiendo el an lisis del problema gravitacional, podemos definir la Energ a Potencial El ctricade un sistema de cargas. Energ a Potencial El ctrica (UE)de una dada configuraci n de cargas, es el trabajo que debe realizarse para traer las cargas, a velocidad constante, desde el infinito (UE = 0) hasta la posici n que electrico9La Energ a Potencial El ctricaen el caso de dos cargas puntuales separadas una distancia r es:UKQ qrE=Se define Potencial El ctrico (V)debido a la carga Qen el puntoP(donde se encuentra la carga de prueba q) a la Energ a Potencia El ctrica por unidad de carga:VUqE=Unidades: 1 Volt = 1 Joule/ 1 Fuerza F debe realizar un trabajo para trasladar la carga q0desde Ahasta B. La UEdel sistema aumentaPara una carga puntual el potencial el ctrico es:V = KQrEl potencial en un punto debido a un conjuntonde cargas puntuales es: V = VKqriii=1nii =donde ries la distancia entre la carga qiy el punto donde se calcula el entre Campo Electrico y Potencial Electrico.

6 Gradiente de potencialEn la figura se representa un campo el ctrico uni-forme, y una carga positiva en su la fuerza que debe realizarse para trasladar, a velocidad constante, la carga qdesde Aa B. El m dulo de esta fuerza (igual al m dulo de la fuerza el ctrica) es qE. El trabajo que realiza la fuerza Fpara cubrir esta trayectoria es:qEl=W Debido a que la fuerza el ctrica es conservativa, este trabajo es:EEcUqElUE =W = + VVUqElBAE = = Recordando la definici n de Potencial El ctrico:Si el campo el ctrico no es uniforme, la relaci n general entre campo y potencial es: VVEdlBAAB = , equivalentementeE = dVdl -11La cantidad dV/dl, se denomina gradiente de potencial. Indica cu n r pido var a el potencial con la distancia. El signo menos significa que la direcci n del campo el ctrico es opuesta a la direcci n en la cu l aumenta el cargas positivas se desplazan de las zonas de mayor potencial hacia las de cargas positivas se desplazan en el sentido de las l neas de campo el potencial el ctrico aumenta cuando nos movemos en sentido contrario a la l neas de campo el :Superficies equipotencialesCualquier punto de una superficie imaginaria esf rica de radio r, en cuyo centro se encuentra la carga Q, tendr el mismo potencial el ctrico.

7 V = KQrA una superficie con estas caracter sticas se la denomina superficie el caso de una carga puntual, las superficies equipotenciales son cascarones esf ricos centrados en el punto donde se encuentra la una carga se mueve en equilibrio, formando un ngulo recto con el campo el ctrico, al ser la fuerza externa perpendicular al movimiento, el trabajo realizado es nulo, por lo tanto el potencial permanece constante, la carga se ha trasladado a lo largo de una equipotencial. Se concluye, entonces, que:Las l neas de campo el ctrico son siempre perpendiculares a las superficies Dipolos El ctricosDipolo en un Campo El ctricoUn par de cargas de igual valor y distinto signo constituyen un dipolo el ctrico. El momento dipolar el ctrico p, es la magnitud que caracteriza esta distribuci un dipolo colocado en el interior de un campo el ctrico uniforme.

8 Sobre la carga negativa act a la fuerza F(-), sobre la positiva la fuerza F(+), ambas de m dulo fuerza resultante sobre el dipolo es nula. Si el vector pforma un ngulo con el vector E, el momento de rotaci n sobre el dipolo es:rrr =++ ()()pero si los momentos son calculados respecto del punto donde se encuentra la carga negativa, entonces (-) = 0 sen pEsen qEl=sen l F(+))(==+La ltima expresi n puede escribirse de modo vectorial:rrr =p Ex14La energ a potencial el ctricade un dipolo en un campo el ctrico se define:Energia Potencial en el Dipolo Electrico U = =rrEn la figura se representan tres configuraciones y se calcula el momento y la energ a potencial el ctrica en cada dipolar en un amolecula de agua