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Fuerza Eléctrica y Electromagnetismo
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3. La carga eléctrica Una de las
interacciones fundamentales descritas por la Física es la electricidad. La
carga eléctrica, al igual que la masa, es una propiedad característica de la
materia y es la causa de los fenómenos asociados a la electricidad.
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4. El origen de la electricidad Los
primeros estudios que se conocen relacionados con la electricidad se hicieron
en la antigua Grecia, alrededor del siglo IV a.C. El filosofo griego Mileto
estudiaba varios materiales como el ámbar La palabra electricidad deriva de
electrón que en griego significa ámbar
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5. La carga eléctrica permite
cuantificar el estado de electrización de los cuerpos siendo su unidad mínima
la carga del electrón. Esto significa que la carga eléctrica q de un cuerpo
está cuantizada y se puede expresar como nq , en que n es un número entero
(incluyendo el cero); sin embargo, como la carga del electrón es muy pequeña,
se utiliza un múltiplo de ella: el coulomb (C) , Por medio de un electroscopio (instrumento
detector de carga) se puede comprobar que un cuerpo está electrizado y que los
cuerpos electrizados con el mismo signo se repelen y los cuerpos electrizados
con signo distinto se atraen.
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6. Electroscopio
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7. Formas para electrizar un cuerpo
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8. Un cuerpo eléctricamente neutro se
electriza cuando gana o pierde electrones. Existen tres formas básicas de
modificar la carga neta de un cuerpo: electrización por frotamiento , contacto
e inducción . En todos estos mecanismos siempre está presente el principio de
conservación de la carga, que nos dice que la carga eléctrica no se crea ni se
destruye, solamente se transfiere de un cuerpo a otro .
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9. a. Frotamiento. En la electrización
por fricción, el cuerpo menos conductor saca electrones de las capas exteriores
de los átomos del otro cuerpo quedando cargado negativamente y el que pierde
electrones queda cargado positivamente.
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10. b. Contacto. En la electrización por
contacto, el que tiene exceso de electrones (carga – ) traspasa carga negativa
al otro, o el que tiene carencia de ellos (carga +) atrae electrones del otro
cuerpo. Ambos quedan con igual tipo de carga.
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11. c. Inducción. Al acercar un cuerpo
cargado al conductor neutro, las cargas eléctricas se mueven de tal manera que
las de signo igual a las del cuerpo cargado se alejan en el conductor y las de
signo contrario se aproximan al cuerpo cargado, quedando el conductor
polarizado. Si se hace contacto con tierra en uno de los extremos polarizados,
el cuerpo adquiere carga del signo opuesto.
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13. Ejemplo
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14. Fuerza eléctrica Dos cargas
eléctricas del mismo signo se repelen, mientras que si son de signos contrarios
se atraen. Esta fuerza eléctrica de atracción o repulsión, depende de las
cargas eléctricas y de la distancia entre ellas.
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15. La ley de Coulomb La ley de Coulomb
sostiene que: la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales ( q 1 y q 2),
separadas una distancia r, es directamente proporcional al producto de sus
cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa ,
es decir, va disminuyendo rápidamente a medida que se alejan las cargas entre
sí.
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16. La ley de Coulomb se puede expresar
como:
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18. Campo eléctrico Las cargas
eléctricas generan en torno a ellas, un campo eléctrico de carácter vectorial
que disminuye con la distancia. Este campo produce una fuerza eléctrica sobre
una carga que se ubique en algún punto de él.
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19. Fue Michael Faraday (1791-1867)
quien introdujo la noción de campo en la Física para poder explicar la
interacción a distancia (interactuar sin tocarse) que ocurre entre cuerpos,
como sucede por ejemplo al aproximar dos imanes, y que Newton no pudo aclarar.
En Física, el concepto de campo señala un sector del espacio en el que a cada
punto de él, se le puede asociar un vector o una cantidad escalar.
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20. Por ejemplo, la Tierra genera un
campo gravitatorio en el espacio que la circunda ejerciendo una fuerza (el
peso, que es un vector) sobre los cuerpos situados en sus cercanías. Del mismo
modo, una partícula cargada Q , llamada carga generadora , produce un campo
eléctrico a su alrededor. Este campo se puede detectar si colocamos una pequeña
carga de prueba + q o puesta en el punto del espacio donde se desea medir. En
ese punto, la intensidad del campo eléctrico es igual a la fuerza eléctrica que
experimenta la carga de prueba y tiene la misma dirección que la fuerza, si q 0
es positiva; por tanto:
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21. Campo eléctrico de una partícula
puntual Vamos a utilizar la definición de campo eléctrico y la ley de Coulomb
para obtener el módulo del campo eléctrico E en el punto P , que se encuentra a
una distancia r de la carga generadora Q .
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23. Líneas de campo eléctrico Es posible
representar el campo eléctrico gráficamente a través de las líneas de campo o
de fuerza las que indican la dirección, el sentido y la intensidad del campo.
Estas líneas se dibujan de modo que en cada punto sean tangentes a la dirección
del campo eléctrico en dicho punto. Las líneas de campo eléctrico señalan o
representan las posibles trayectorias que describiría una carga de prueba
positiva liberada en distintos puntos en presencia de una carga generadora.
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24. Para el caso de cargas puntuales,
las líneas de campo eléctrico son radiales, con sentido hacia fuera en una
carga positiva y hacia la carga en el caso de ser negativa. Por tanto, una
carga de prueba positiva es rechazada si se ubica en el campo de una carga
generadora positiva, y se atrae si se ubica en el campo de una carga generadora
negativa.
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25. Energía potencial eléctrica Una
partícula cargada colocada en un punto de un campo eléctrico, tiene una energía
potencial eléctrica con respecto a algún punto de referencia.
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26. Para levantar un objeto desde el
suelo hasta cierta altura es necesario efectuar un trabajo sobre él para vencer
la fuerza de gravedad debida al campo gravitacional terrestre. El objeto en esa
posición, adquiere energía potencial gravitatoria. Si levantamos un cuerpo del
doble de masa, la energía potencial será también el doble, si la masa es el
triple, la energía requerida será también el triple, y así sucesivamente. Lo
mismo ocurre en el caso de las cargas eléctricas. Si se quiere mover una carga
de prueba q desde el infinito (región alejada donde el potencial eléctrico de
la carga generadora es prácticamente nulo) hasta cierto punto dentro de un
campo eléctrico generado por una carga Q , es necesario ejercer una fuerza por
un agente externo , y por tanto realizar un trabajo contra las fuerzas
eléctricas , por lo que la carga de prueba adquiere una cierta energía potencial
eléctrica ( U ).
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28. El trabajo W realizado para mover la
carga de prueba corresponde al cambio de la energía potencial eléctrica,
experimentado por dicha carga. De hecho, si soltamos la carga q , acelerará
alejándose de Q y transformando la energía potencial ganada en cinética. W = U
punto – U infinito Si definimos que en el infinito U = 0 , tenemos que la
energía potencial eléctrica que adquiere una carga puntual q a una distancia r
de una carga generadora Q es: Como toda forma de energía, la unidad de la
energía potencial eléctrica en el SI es el joule (J) y será positiva cuando la
fuerza sea repulsiva.
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29. Potencial eléctrico El potencial
eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica (ley
de Coulomb) para mover una carga positiva q desde el infinito (donde el
potencial es cero) hasta ese punto, dividido por dicha carga. Dicho de otra
forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga
unitaria q desde el infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza
eléctrica, dividido por esa carga
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30. Si una carga eléctrica q situada en
un punto de un campo eléctrico se duplica, triplica o aumenta n veces, la
energía potencial eléctrica aumentará en la misma cantidad, respectivamente;
sin embargo, es más frecuente considerar, en dicho punto, el potencial
eléctrico ( V ) , que corresponde a la energía potencial eléctrica por unidad
de carga ya que este valor será el mismo, independiente de la cantidad de
cargas, o incluso si no hay cargas (es una propiedad del espacio). Por lo
tanto:
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31. El potencial eléctrico es una
cantidad escalar , cuya unidad de medida es el volt , en honor del físico
italiano Alessandro Volta (creador de la pila eléctrica) que corresponde a J/C.
Por ejemplo, un potencial de 220 V significa que en ese punto una carga de 1 C
adquiere una energía de 220 J.
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33. 4.2 Diferencia de potencial
eléctrico La energía potencial gravitatoria de un cuerpo cambia si se ubica a
diferentes alturas respecto del suelo. De este modo, entre dos alturas
diferentes existe una diferencia de energía potencial gravitatoria.
Análogamente, ocurre en el campo eléctrico; la energía potencial eléctrica por
unidad de carga o potencial eléctrico varía de acuerdo a la distancia que la
separa de una carga generadora. Por lo tanto, existe una diferencia de
potencial eléctrico (Δ V ) entre dos puntos ubicados a diferentes distancias de
la carga generadora de un campo eléctrico. La diferencia de potencial eléctrico
se define como el trabajo ( W ) realizado por un agente externo por unidad de
carga para desplazar, independientemente de la trayectoria seguida, una carga (
q ) entre dos puntos de un campo eléctrico que están a diferente potencial:
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34. Si continuamos haciendo la analogía
con la energía potencial gravitatoria, al levantar a cierta altura un cuerpo,
su energía potencial aumenta. Lo mismo ocurre con la energía potencial
eléctrica: aumenta si la carga se mueve en el sentido contrario del campo
eléctrico y disminuye al mover la carga en el sentido del campo. Por lo tanto:
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35. Así, una carga q que se mueve entre
dos puntos del espacio que están a diferente potencial, cambia su energía
potencial en q Δ V .
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