A-1\) Introducción a la Electrostática - CAA EII

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO
INSTITUTO DE FÍSICA
FÍSICA GENERAL ELECTROMAGNETISMO
A-1) Introducción a a la la
Electrostática
Módulo A: Electrostática
Profesor Rodrigo Vergara Rojas
Ingeniero Civil Electrónico
Magister en Ingeniería Electrónica
Competencias a
Desarrollar
Determinar la carga total en una
distribución continua o discreta de cargas.
Establecer el mejor procedimiento para
electrizar o cargar un cuerpo, usando
electrización por contacto y por inducción.
Leer, analizar, plantear y resolver
problemas relacionados con los temas
anteriores.
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Contenidos a
Comprender
Orígenes de la electrostática
Thales de Mileto
• Electrización por
frotación con barra
de ámbar
William Gilbert
• Denominación de
“electricidad” al
fenómeno descrito
por Thales.
Otto von Guericke
• Primer generador
electroestático
• Atracción y
repulsión de cargas
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Benjamin Franklin
• Naturaleza eléctrica
de los rayos
experimento de la
cometa)
•Pararrayos
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Modelo Atómico
Todo cuerpo está formado por la
asociación de moléculas.
Toda molécula está constituida
por uno o más átomos agrupados
o distribuidos en forma específica
en cada compuesto.
Cada átomo tiene tres partículas
elementales
ִProtones
ִNeutrones
ִElectrones
Iones
Los protones y
neutrones forman
el núcleo atómico,
alrededor del cual
giran los
electrones.
Un átomo puede ganar o perder uno o varios
electrones periféricos.
Si pierde electrones, su carga neta es positiva y
se transforma en un ión positivo.
ִLos metales tienden a perderlos, por lo que se
denominan “electropositivos”
Si gana electrones, su carga neta es negativa y
se transforma en un ión negativo.
ִLos no metales tienden a ganarlos, por lo que se
denominan “electronegativos”
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Modelo Atómico
Cada protón tiene carga eléctrica
positiva (+)
Cada electrón tiene carga eléctrica
negativa (-), de igual magnitud
que la del protón
Los neutrones carecen de carga.
Los átomos son normalmente
eléctricamente neutros
ִNº protones = Nº electrones
En algunas sustancias, la atracción
del núcleo a los electrones es
fuerte, y en otras es débil.
Tipos de
Material
Tipos de Material
Conductores
Semiconductores
Aislantes
Un átomo puede
perder o ganar
electrones en su
periferia o último
nivel
Materiales en los
cuales la carga
puede fluir
fácilmente.
No puede ser
cargada a menos
que esté aislada.
Ejemplo
ִ Cobre y metales
en general (10 23
electrones de
conducción por
cm 3 )
ִ Cuerpo humano.
ִ Agua de la llave.
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Tipos de Material
Tipos de
Material
Conductores
Semiconductores
Aislantes
Carga Eléctrica
Materiales en los
cuales las cargas
no fluyen (menos
de 1 electrón de
conducción por
cm 3 )
Las cargas
permanecen donde
estaban.
Ejemplos
ִPlásticos
ִVidrio
ִAgua
químicamente
pura.
ִCuarzo
Propiedad de la materia que caracteriza el
estado de electrización del cuerpo. Se le suele
denominar también “masa eléctrica”
Los objetos que nos rodean almacenan una
gran cantidad de carga eléctrica positiva y
negativa en equilibrio (carga neta neutra).
Cuando se perturba ese equilibrio eléctrico, se
revelan los efectos de una carga positiva o
negativa neta. Se llama “cargado” a un cuerpo
con desbalance de carga
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Tipos de Material
Tipos de
Material
Conductores
Semiconductores
Aislantes
Carga Eléctrica
Tiene 10 10 y 10 12
electrones de
conducción por cm 3
Las densidad de
electrones de
conducción puede
cambiarse
pronunciadamente
mediante cambios
pequeños en las
condiciones del material
ִ Agregando pequeñas
cantidades de
impurezas
ִ Variando voltaje,
temperatura o la
intensidad de luz.
Ejemplos
ִ Silicio
ִ Germanio
La carga eléctrica mide el exceso o defecto de
electrones que tiene un cuerpo
ִExceso de electrones ⇒ carga eléctrica negativa
ִDefecto de electrones ⇒ carga eléctrica positiva
La carga se mide en Coulombs [C]
En la naturaleza, las cargas aparecen como
múltiplos de una unidad elemental, que es la
carga elemental del electrón
−19
Carga Elemental 1[
e ] =
1.6 ⋅10
[ C ]
10
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Frotamiento de cuerpos
Una barra de cobre se frota con seda
ִEl cobre pierde electrones y queda cargado
positivamente
ִLa seda queda cargada negativamente
porque ha captado los electrones que perdió
el cobre.
Repulsión de cargas
negativas
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Electricidad Estática
Causa: acumulación de cargas eléctricas en un objeto, debido a
frotación.
Esa acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica al poner
el objeto en contacto con otro.
Aplicaciones: xerografía, filtros de aire, pintura de automóviles
Provoca daños a ciertos componentes electrónicos
ִ Circuitos Integrados
ִ Computadores
Repulsión de cargas
positivas
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Atracción de cargas
positivas y negativas
Electroscopio
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Primera Ley de la Electrostática
Electrización de objetos
Electrización de de
objetos
eléctricamente
neutros
Por Por Conducción o
Contacto
• Tocarlo con algún elemento
cargado, el cual pierde su
carga
Por Por Inducción
• Se aproxima elemento cargado
sin que toque el objeto
• No agota la carga del elemento
inductor.
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Electrización por Inducción
En la figura, se ve el extremo
de una varilla de cobre no
cargada y aislada por una
varilla cargada de cualquier
signo.
Los electrones de conducción
en la varilla son repelidos
hacia el extremo más alejado
de ésta, dejando al extremo
cercano con una carga neta
positiva.
Electrización por Inducción
d) Se retira la barra. Quedan
ִEsfera A con carga positiva
ִEsfera B con carga negativa
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c) Las esferas A y B se separan
en presencia de la barra.
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Electrización por Inducción
a) Esferas de metal no cargadas y aisladas
de la tierra y que están en contacto,
formando un conductor no cargado.
b) Se aproxima una barra negativa la esfera
A. Los electrones del metal se ven
rechazados por la barra, produciéndose
carga neta negativa en la esfera A y negativa
en la esfera B
Inducción por carga a Tierra
a) Carga neta de la esfera metálica es cero.
b) Barra cargada induce redistribución de la
carga. Carga neta total cero.
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Inducción por carga a
Tierra
c) Se extraen electrones por contacto de la cara
negativa de la esfera con la tierra.
d) La esfera queda con una carga neta positiva.
Cálculo de Carga Total
dq = λ ⋅ds
λ: densidad lineal de carga
ִ Carga por unidad de longitud
ds: elemento diferencial de línea
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Inducción por carga a Tierra
e) La barra, con carga negativa, atrae a la esfera, la
cual se carga negativamente por contacto.
f) La esfera, de carga negativa, se ve rechazada por la
barra, de carga igualmente negativa
Cálculo de Carga Total
dq = σ ⋅dA
σ: densidad superficial de carga
ִ Carga por unidad de área
dA: elemento diferencial de área
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Cálculo de Carga Total
dq = ρ ⋅dV
ρ: densidad volumétrica de carga
ִ Carga por unidad de volumen
dV: elemento diferencial de volumen
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