Slide 1 / 88

Click para ir al sitio web:www.njctl.org

Este material está disponible gratuitamente en www.njctl.org y está pensado para el uso no comercial de estudiantes y profesores. No puede ser utilizado para cualquier propósito comercial sin el consentimiento por escrito de sus propietarios. NJCTL mantiene su sitio web por la convicción de profesores que desean hacer disponible su trabajo para otros profesores, participar en una comunidad de aprendizaje profesional virtual, y /o permitir a padres, estudiantes y otras personas el acceso a los materiales de los cursos.

New Jersey Center for Teaching and Learning

Iniciativa de Ciencia Progresiva

Slide 2 / 88

www.njctl.org

Carga Eléctrica y Fuerza

©2009 by Goodman & Zavorotniy

Slide 3 / 88

Carga Eléctrica y FuerzaClick sobre el tema para ir a esta sección

· Carga Eléctrica

· Conducción e Inducción

· Electroscopio

· Fuerza Eléctrica (Ley de Coulomb)

· Estructura Atómica y Fuente de Carga

Slide 4 / 88

Volver a laTabla deContenidos

Carga Eléctrica

ht tp:/ / njc.t l/ er

Slide 5 / 88

Carga por Frotamiento Cuando tomas dos objetos no metálicos y los frotas, obtienes un efecto interesante,

Antes del contacto, no hay interacción entre ellos.

Posteriormente, los dos materiales son atraídos el uno con el otro

antes de frotar

después de frotar...frotando

ht tp:/ / njc.t l/ er

Slide 6 / 88

Carga Eléctrica

Se ha sabido desde la antigüedad que cuando ciertos materiales se frotan entre sí, desarrollan una atracción mutua. (Esto se puede ver hoy en día cuando se saca la ropa del secarropas)

En la antigua Grecia - la gente se dio cuenta de que cuando el hilo se hacía girar sobre una aguja de ámbar, se sentía atraído hacia la aguja.

La palabra griega para ámbar era "Elektron", por lo tanto, esta fuerza se llama eléctrica.

ht tp:/ / njc.t l/ er

Slide 7 / 88

Carga Eléctrica Experimentaciones complementarias mostraron que después de frotarse los materiales distintos se atraen entre sí, mientras que los materiales similares se repelen entre sí.

Estos efectos no serían posibles sin el contacto y después, de un tiempo determinado, las fuerzas de atracción y repulsión se detendrían.

Esto llevó a la idea de que algo se está intercambiando entre los materiales - y ese algo más tarde fue denominado "carga". Dado que los objetos se repelen o se atraen, se postuló que esta carga se produjo en dos tipos.

ht tp:/ / njc.t l/ er

Slide 8 / 88

Carga Eléctrica En el siglo 18, Benjamín Franklin se dio cuenta cuando una barra de caucho se frota con pieles de animales, la barra adquiere una carga negativa, y el pelo de los animales adquiere una carga positiva.

Cuando una varilla de vidrio se frota con la seda, la barra adquiere una carga positiva y la seda obtiene una carga negativa. Así, dos barras de goma después de ser cargadas se repelen entre sí, mientras que una barra de caucho se siente atraída por una varilla de vidrio.

No se crea nuevas cargas- en cambio, sólo se separan - la carga positiva adquirida por un objeto es exactamente igual en magnitud y de signo opuesto a la carga perdida por el otro objeto.

ht tp:/ / njc.t l/ er

Slide 9 / 88

1 Una varilla de plástico neutro se frota con un pedazo de piel de animal. Describe la carga sobre cada elemento.

A Ambos elementos serán neutros.

B La piel y la varilla tendrán una carga neta negativa.

C La varilla tendrá una carga neta negativa y la piel tendrá una carga neta positiva.

D La varilla tendrá una carga neta positiva y la piel tendrá una carga neta negativa.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ es

Slide 10 / 88

2 Un objeto cargado positivamente se mueve hacia un objeto cargado negativamente. ¿Cuál es el movimiento de los objetos cuando se acercan uno al otro?

A Ningún objeto tiene algún efecto sobre el otro.

B Los objetos se alejan uno del otro

C Los objetos se mueven uno hacia el otro.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ et

Slide 11 / 88

3 Una varilla de vidrio neutro se frota un trozo de seda sin carga neta. La varilla gana una carga neta positiva y la seda gana una carga neta negativa. ¿Cuál es la suma de las cargas en la seda y la varilla?

A Cero.

B Las dos cargas están en la varilla

C Las dos cargas están en la seda.

D Una mitad de la carga está en la varilla.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ eu

Slide 12 / 88

Volver a laTabla deContenidos

Estructura Atómica y Fuente de Carga

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 13 / 88

Estructura Atómica

Para entender de donde viene el fenómeno de carga eléctrica, se necesita discutir sobre la estructura básica de la materia.

Toda la materia está formada por átomos, los cuales están formados por protones, neutrones y electrones.

Cada átomo contiene un núcleo central que está compuesto de protones y neutrones (nucleones). Los electrones se mueven alrededor del núcleo en el espacio vacío del átomo.

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 14 / 88

Como no se parece el átomo:

¡¡¡Esto NO es lo que se parece un átomo!!!

Si un átomo se magnifica de modo que el núcleo sea del tamaño de una pelota de béisbol, el átomo tendría un radio, de 4 km.

Y los electrones serían de aproximadamente el tamaño del punto al final de esta frase. Los átomos son casi todo espacio vacío.

Ya que todo (incluidos nosotros) está hecho de átomos, significa que todo (incluidos nosotros) es en mayor parte espacio vacío.

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 15 / 88

Carga de las partículas

Los protones y los electrones tienen carga igual y opuesta. Por convención (como vimos a partir del trabajo sobre materiales cargados de Benjamín Franklin), los electrones tienen una carga negativa y los protones tienen una carga positiva. Este es el origen de las cargas sobre los objetos materiales. Los neutrones no tienen carga (neutro).

Los átomos son eléctricamente neutros - no porque no contienen ninguna carga -, sino porque tienen el mismo número de protones y electrones - la carga total se suma y se hace cero.

Si un átomo gana electrones, tiene una carga neta negativa y se llama ión negativo. Si pierde electrones, tiene una carga neta positiva y se llama ión positivo.

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 16 / 88

La fuente del Movimiento de Cargas

Los núcleos de los átomos son mucho más masivos que los electrones. Cada protón o neutrón es aproximadamente 1800 veces más masivo que un electrón; con cada núcleo que contiene al menos un protón.

Esa es una razón por la que la carga eléctrica se mueve dentro o entre los objetos, es el resultado de los electrones en movimiento, no de los protones.

La otra razón es que en los sólidos, los núcleos están formando un bloque, juntos para que no puedan moverse independientemente de su masa.

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 17 / 88

La Naturaleza de la Carga

Al igual que la energía y el impulso, la carga no se crea ni se destruye, se conserva.

Las cargas opuestas se atraen y cargas iguales se repelen. Como resultado, los electrones cargados negativamente son atraídos por el núcleo positivo.A pesar de la gran diferencia de masa, la carga de un electrón es exactamente igual en magnitud a la carga de un protón, y su magnitud se denota por "e"

Un electrón se dice que tiene una carga de -e

y un protón una carga de +e.

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 18 / 88

Medición de la Carga

El electrón fué descubierto por J.J. Thomson en 1897, y en una serie de experimentos entre 1909 y 1913, Robert Millikan y su alumno graduado, Harvey Fletcher, establecieron el valor de la carga, "e," del electrón.

J.J. Thomson Robert Millikan

ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 19 / 88

Medición de la Carga

Los trabajos y experimentos posteriores de Millikan y Fletcher establecieron el valor de "e", como 1,602 x 10-19 culombios.

También se ha demostrado que este es el valor más pequeño de la carga (con la excepción de los quarks que se estudian en cursos más avanzados de física) y todos las cargas más grandes son un múltiplo entero de este número.

Debido a que pequeñas cantidades de carga pueden generar grandes cantidades de fuerza, la carga se mide a menudo en:

mili-Coulombs (mC) = 10-3 C

micro-Coulombs (μC) = 10-6 C

nano-Coulombs (nC) = 10-9 C ht tp:/ / njc.t l/ ev

Slide 20 / 88

4 Un átomo en su estado normal (no-iónico) no tiene carga. Esto se debe al hecho de que los átomos:

A Tiene solamente neutrones.B No tiene protones o electrones.C Tienen igual número de protones y electrones.D Tienen igual número de protones y neutrones.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ ew

Slide 21 / 88

5 ¿Qué partícula se mueve libremente en el átomo?

A Electrón.B Neutrón.C Protón.D Núcleo.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ ex

Slide 22 / 88

6 Un átomo está compuesto de:

A un núcleo central que está rodeado por neutrones.

B una distribución uniforme de electrones y protones en una forma esférica.

C un núcleo centra rodeado por electrones.

D un núcleo central que contiene protones y electrones.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ ey

Slide 23 / 88

SólidosLos sólidos son una forma de materia cuyo núcleo forma una estructura fija. Los núcleos y sus protones y neutrones, están "bloqueados" en su posición.

Los sólidos se clasifican en conductores, aislantes o semiconductores.

En los conductores, algunos electrones pueden moverse libremente a través del sólido y no están vinculados a ningún átomo específico. En los aislantes, los electrones están ligados a sus átomos, y se pueden mover distancias cortas, pero mucho menos que los electrones en un conductor. Los semiconductores, dependiendo de su situación, actúan como conductores o aislantes.

ht tp:/ / njc.t l/ ez

Slide 24 / 88

En los conductores, los electrones se mueven libremente dentro del sólido. Las cargas iguales se repelen, por lo tanto los electrones tienden a alejarse tan lejos como sea posible, lo que significa que se moverán hacia la superficie del conductor.

Conductores

ht tp:/ / njc.t l/ ez

Slide 25 / 88

Los aislantes son materiales que tienen sus electrones fuertemente enlazados que pueden moverse solamente cortas distancias a través del sólido. Por lo tanto será más difícil para las cargas moverse distancias significativas dentro de un aislante. Los diferentes tipos de aislantes, tienen variados niveles de aislación.

Aislantes

ht tp:/ / njc.t l/ ez

Slide 26 / 88

7 Los electrones libres en un conductor se:

A mueven libremente en direcciones aleatorias por todo el volumen del conductor.

B localizan en el centro del conductor.C no tienen una distribución organizada.

D sólo se mueven distancias cortas.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f0

Slide 27 / 88

8 En comparación con los aislantes, los metales son mejores conductores de la electricidad, porque los metales contienen más _____ libres.

A iones positivos.B iones negativos.C protones.D electrones.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f1

Slide 28 / 88

9 Los electrones en un aislante están:

A enlazados a sus átomos, pero pueden moverse libremente por todo el sólido.

B no están enlazados a sus átomos, pero pueden moverse libremente por todo el sólido.

C enlazados a sus átomos, pero no pueden moverse libremente por todo el sólido

D enlazados a sus átomos, pero pueden moverse cortas distancias por todo el sólido

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f2

Slide 29 / 88

Return toTable ofContents

Conduccióne

Inducción

ht tp:/ / njc.t l/ f3

Slide 30 / 88

La Tierra Antes de que la discusión sobre conducción e inducción tenga lugar, debemos comprender el concepto de " tierra" .

Los electrones pueden fluir entre los objetos ya sean conductores o aislantes.

Los electrones pueden fluir también desde la Tierra, que es un excelente conductor, a los objetos, y de los objetos a la Tierra. La Tierra sirve como fuente y destino finales de los electrones debido a su enorme tamaño

El concepto de puesta a tierra se discutirá con más detalle en el Capítulo "Potencial eléctrico" de este curso

ht tp:/ / njc.t l/ f3

Slide 31 / 88

Conexión a TierraCuando se conecta un cable entre la tierra y el otro conductor, el exceso de electrones fluye hacia la tierra, dejando al conductor neutro. Esto es "tierra." También, un objeto cargado positivamente hará que los electrones fluyan desde el suelo hacia él.

Si tocas un objeto con una carga neta negativa, es posible que te de una descarga (shock). Esto es debido a que el conductor quiere deshacerse de su exceso de electrones. Para ello, los electrones fluyen a través de ti a la tierra. Si el conductor tenía un exceso de carga positiva, los electrones fluyen de la tierra hacia ti. En cualquiera de los casos ¡hay una chispa!

Nota: la conexión a tierra tambien se llama "puesta a tierra," debido a la relación con la Tierra

ht tp:/ / njc.t l/ f3

Slide 32 / 88

Conexión a Tierra

(símbolo para "tierra")

Los circuitos y dispositivos eléctricos están generalmente conectados a tierra para proteger de la acumulación de una carga neta que podría pasar a vos.

Para poner a tierra un dispositivo eléctrico un conductor debe conectarse desde el dispositivo al suelo.

Los tomacorrientes para muchos dispositivos eléctricos tienen una tercera clavija de conexión a tierra que conecta a un cable en la salida que va al suelo.

ht tp:/ / njc.t l/ f3

Slide 33 / 88

10 Una esfera cargada positivamente se toca con un cable de puesta a tierra. ¿Cuál es la carga en la esfera después de retirar el cable de tierra?

A Positiva.

B Neutra.

C Negativa. Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f4

Slide 34 / 88

11 Una esfera cargada negativamente se toca con un cable de puesta a tierra. ¿Cuál es la carga en la esfera después de retirar el cable de tierra?

A Positiva.

B Neutra.

C Negativa.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f5

Slide 35 / 88

++

++

--

- -

-

-- -

Aislante

Carga por Conducción

Negativamente Cargada(carga = -4Q)

++

++- -

-

-

Carga Neutra (carga = 0)

(esferas idénticas muy alejadas)

Aislante

Carga Total = -4Q

ht tp:/ / njc.t l/ f6

La carga por conducción implica conductores que están aislados del suelo, tocando y transfiriendo la carga entre ellos. El aislante es necesario para prevenir la salida o entrada de electrones de las esferas hacia la Tierra .

Slide 36 / 88

++

++

-

--

-

-

- ++

++

-

-

-

-

-

-

Carga por Conducción

Carga Total = -4Q

Si se juntan las esferas y se ponen en contacto, suselectrones se repelen tan lejos como pueden, y la carga total se distribuye igualmente entre las dos esferas. Ten en cuenta que la carga total se mantiene constante

(recuerda, cargas iguales se repelen)

Aislante Aislante

ht tp:/ / njc.t l/ f6

Slide 37 / 88

++

++-

-

- -

-

-

Carga por ConducciónCargada Negativamente

(carga = -2Q)

++

++

-

-

-

-

-

-

Cargada Negativamente (carga = -2Q)

(muy alejadas)

Una vez que se separan nuevamente, las cargas no pueden volver de donde vinieron, ya que el aire sirve como un excelente aislante.

Esto resulta en una igual distribución de carga.

Aislante AislanteCarga Total = -4Q

ht tp:/ / njc.t l/ f6

Slide 38 / 88

12 Si un conductor que lleva una carga neta de 8Q se pone en contacto con un conductor idéntico sin carga neta, ¿cuál será la carga en cada conductor después de que se separan?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f7

Slide 39 / 88

13 Una esfera de metal A tiene una carga de -2Q y una esfera metálica idéntica B tiene una carga de -4Q. Si se ponen en contacto entre sí y luego se separan, ¿cuál será la carga final en la esfera B?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f8

Slide 40 / 88

Cargas por Inducción

La carga por inducción implica la transferencia de carga entre dos objetos que no se tocan

++

++- -

-

-

AislanteEsta es una esfera conductora neutra conectada a tierra por un conductor

ht tp:/ / njc.t l/ f9

Slide 41 / 88

Carga por Inducción

Se acerca una varilla cargada negativamente, pero no toca la esfera. Los electrones dentro de la esfera son repelidos por la varilla, y pasan a través del conductor hacia la tierra, dejando una carga neta positiva en la esfera.

Los electrones son atraídos hacia abajopor el conductor hacia tierra.

+

----

+

+

+- --

-

++

++

Aislante

ht tp:/ / njc.t l/ f9

Slide 42 / 88

Carga por Inducción

Mientras que la varilla con carga negativa se mantiene cerca de la esfera, se desconecta el cable a tierra. Ten en cuenta que no puede haber más movimiento de los electrones ya que la esfera está aislada de la tierra. Los electrones no pueden saltar la brecha entre la varilla y la esfera o entre tierra y la esfera.

Se retira el conductor, desconectando la esfera de la tierra

+

----

+

+

+- --

-

++

++

Aislante

ht tp:/ / njc.t l/ f9

Slide 43 / 88

Carga por Inducción

Luego se retira la varilla. Es importante tener en cuenta que la carga de la varilla se mantiene constante (negativa). La carga de la esfera es ahora positiva, ya que sus electrones se dirijen a la Tierra

En comparación con la cantidad de electrones libres que ya están en la Tierra, se ha ganado una cantidad insignificante de carga.

----

+

+

+- --

-

++

++

Insulator

ht tp:/ / njc.t l/ f9

Slide 44 / 88

Resumen de Conducción

A través del contacto físico, un objeto cargado transferirá una parte de su carga a un objeto neutro. Debido a la conservación de la carga, la cantidad de cargas en el objeto cargado inicialmente disminuirá.

Por ejemplo, un objeto cargado positivamente transferirá carga positiva a un objeto neutro, dejándolo con una carga neta positiva. La cantidad de carga positiva en el objeto inicial disminuirá.

Del mismo modo, un objeto cargado negativamente transferirá carga negativa a un objeto neutro.

ht tp:/ / njc.t l/ f9

Slide 45 / 88

Resumen de Inducción

Un objeto cargado se acerca a un objeto neutro, pero sin tocarlo . El objeto neutro se conectará a tierra - que será el paso de conducción eléctrica hacia tierra. El objeto cargado repelerá cargas iguales sobre el objeto neutro hacia tierra.Por lo tanto, el objeto neutro se quedará con una carga opuesta a la del objeto cargado inicialmente. El objeto inicial no perderá ninguna carga - las cargas extra vienen de la tierra. Siempre y cuando se desconecte la tierra antes de que se quite el objeto inicial, el objeto neutro ganará carga.Si la tierra se deja en su lugar, una vez que se retira el objeto cargado inicialmente, el objeto neutro pasará su carga ganada de nuevo hacia tierra

ht tp:/ / njc.t l/ f9

Slide 46 / 88

14 La esfera A tiene una carga neta positiva, y la esfera B es neutra. Se colocan cerca una de la otra en una mesa aislada. La esfera B se toca brevemente con un alambre que está conectado a tierra. ¿Cuál afirmación es la correcta?

A La esfera B permanece neutra.

B La esfera B está ahora cargada positivamente.

C La esfera B está ahora cargada negativamente.

D La carga en la esfera B no puede determinarsesin información adicional.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fa

Slide 47 / 88

15 Si una barra cargada positivamente toca una esfera conductora neutra y se retira, ¿ que carga queda en la esfera? ¿Qué sucede con la magnitud de la carga en la barra?

A La esfera se torna positiva y la carga neta de la varilla se mantiene igual

B La esfera se torna positiva y la carga neta de la varilla disminuye.

C La esfera se torna negativa y la carga neta de la varilla se mantiene igual.

D La esfera se mantiene neutra y la carga neta de la varilla permanece igual.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fb

Slide 48 / 88

16 Cuando se utiliza el proceso de inducción (una barra cargada se acerca, pero sin tocar la esfera neutra conectado a tierra), ¿cuál es la fuente de carga agregada a la esfera neutra?

A La varilla cargada.

B El aire.

C La varilla y la esfera comparten sus cargas

D La Tierra.

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fc

Slide 49 / 88

Volver a laTabla deContenidos

Electroscopio

ht tp:/ / njc.t l/ fd

Slide 50 / 88

Hojuelas de oro

Conductor-

--

-+

+

++

+-+

-

El Electroscopio

El electroscopio mide la carga eléctrica (signo y magnitud). La varilla conductora está aislada del recipiente de vidrio.

Cuando el electroscopio está neutro, las hojas cuelgan hacia abajo a causa de su propia masa.

Los electroscopios pueden cargarse por conducción o inducción.

ht tp:/ / njc.t l/ fd

Slide 51 / 88

El Electroscopio

Un Electroscopio antiguo de 1878.

{PD-US} From the book "Opfindelsernes Bog" 1878 by André Lütken

ht tp:/ / njc.t l/ fd

Slide 52 / 88

Cargas = -4e

Cargando por Conducción

Un electroscopio neutro se cargará negativamente cuando se toca con un objeto cargado negativamente.

Las cargas eléctricas negativas se distribuirán en todo el electroscopio y las hojuelas de oro se repelen, ya que tienen la misma carga, al igual que las cargas iguales se repelen.

--- -+ + + ---

-+

En estado neutro

Hojuelas de oro

Conductor-

--

-+

+

++

+-+

-

ht tp:/ / njc.t l/ fd

Slide 53 / 88

Cargando por Conducción

- -+ + +--++

+-+

+-

-+--

- +

- -

-

+++

--

La barra se mueve hacia afuera y ahora hay una carga neta negativa en el electroscopio. Dado que la carga negativa se trasladó de la varilla al electroscopio, la barra tiene ahora menos carga negativa (conservación de la carga).

-+-- -+

--

Las hojuelas de oro se repelen.

Las hojuelas también podrían repelerse si el experimento se hubiese hecho con una barra con carga neta positiva.

+ -+ + ++-+

ht tp:/ / njc.t l/ fd

Slide 54 / 88

17 Cuando una varilla cargada negativamente toca la parte superior de un electroscopio neutro, las hojuelas de oro se separan. ¿Cuál es la carga de las hojas?

A Negativa

B Positiva

C Neutro Res

pues

ta

Slide 55 / 88

18 ¿Cuál es la fuente de la carga que mueve las hojuelas de oro?

A La barra cargada

B La tierra

C El vidrio que rodea las hojuelas

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fe

Slide 56 / 88

Cargando por Inducción

Un electroscopio neutro también puede cargarse por inducción.

Si una barra con una carga neta negativa se lleva cerca de la esfera metálica entonces los electrones en el electroscopio se moverán hasta las hojuelas y estas se repelen. Si se quita la barra, las hojuelas volverán a sus posiciones originales. Esta inducción es temporal - y ninguna carga se transfiere desde la barra a las hojas.

Un efecto similar es causado por una barra con una carga neta positiva. Las hojas se volverán a rechazar ya que las cargas iguales se repelen.

Se necesita una pieza más para efectuar una carga permanente en el electroscopio.

ht tp:/ / njc.t l/ f f

Slide 57 / 88

Electroscopio cargado por Inducción

La pieza que falta es la tierra. Un electroscopio neutro está conectado a tierra y se acerca una barra con carga negativa

--- -+ + + ---

-+

inicialmente neutro

varilla cargada negativamente

-

--

-+

+

++

+

-

+-

ht tp:/ / njc.t l/ f f

Slide 58 / 88

-

+-+

--

++

---

++

-

--

+ +++-

--- -+ + + ---

-+

Ahora cargado positivamente - Las hojuelas se repelen entre si

los electrones viajan

hacia la

tierra

cargada negativamente

Los electrones en la barra metálica se repelen hacia la tierra. La barra tendrá entonces una carga neta positiva. Al igual que con la carga de una esfera por inducción, la carga en la varilla NO cambia.

Electroscopio cargado por Inducción

ht tp:/ / njc.t l/ f f

Slide 59 / 88

-

+-+

--

--

---

--

--

+ +-+-

Los electrones viajan

fuera de la

tierra

-

-+- ++ + + ---

++

Ahora cargado negativamente - Las hojuelas se repelen entre si

cargada positivamente

Ocurre un efecto similar para una varilla con una carga neta positiva; excepto que la barra metálica terminará con una carga neta positiva ya que los electrones se dirigirán desde la tierra hasta la barra metálica. Nuevamente la carga en la varilla NO cambia.

Electroscopio cargado por Inducción

ht tp:/ / njc.t l/ f f

Slide 60 / 88

Cargando por Inducción

Si se quita la barra de carga, mientras que todavía hay conexión a tierra, los electrones volverán o a la tierra o a las hojuelas hasta que tengan una carga neutra y se vuelvan a juntar.

Con el fin de dejar la carga en el electroscopio (y mantener las hojuelas separadas), debe quitarse la conexión a tierra antes de cargar la barra.

Los electrones ya no tendrán lugar donde ir y el electroscopio quedará cargado, con una carga neta positiva o negativa.

ht tp:/ / njc.t l/ f f

Slide 61 / 88

19 Un objeto cargado positivamente toca un electroscopio neutro, y las hojuelas se separan. Luego un objeto cargado negativamente se coloca cerca del electroscopio, pero no lo toca. ¿Qué pasa con las hojuelas?

A Se separan aún más

B Se acercan

C No se ven afectados

D No puede determinarse sin información adicional

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fg

Slide 62 / 88

- Al cargar un electroscopio por inducción, las hojuelas adquieren una carga desde la tierra y se separan. ¿Cómo puedes mantener la carga en las hojuelas y mantenerlas separadas una de otra?

Students type their answers here

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fh

Slide 63 / 88

Determinando el tipo de carga

Cuando las hojuelas de un electroscopio se repelen, hay una carga presente. Esta podría ser positiva o negativa.El electroscopio también puede usarse para determinar la carga de las hojuelas. Toma un objeto conociendo si es positivo o negativo, colócalo cerca de la parte superior del electroscopio y observa la reacción.

La carga del objeto es:

Reacción del electroscopio

La carga sobre la

esfera es: Positiva Las hojuelas se

separan positiva

Positiva Las hojuelas se acercan negativa

Negativa Las hojuelas se separan negativa

Negativa Las hojuelas se acercan positiva

ht tp:/ / njc.t l/ f i

Slide 64 / 88

Determinando el tipo de carga

Intuitivamente, parecería que cuanto más se separan las hojuelas, mayor es la magnitud (tamaño) de la carga presente.

Esto es verdad, y en la siguiente sección se habla de las fuerzas debido a cargas eléctricas, que se encarga del movimiento de las hojuelas contra las fuerzas de la gravedad y la tensión .

ht tp:/ / njc.t l/ f i

Slide 65 / 88

Volver a laTabla deContenidos

Fuerza Eléctrica (Ley de Coulomb)

Slide 66 / 88

+

+

+-

-

-

-+-

----

+-

+---

Varilla A: Varilla

Conductora Neutra

Varilla B: Inmóvil,Cargada

Negativemente

Recuerda el ejemplo anterior de una regla de plástico para obtener una carga y luego atraer pedacitos neutros de papel. Echemos un vistazo más de cerca y veamos lo que pasó

lejos

Objetos Cargados

¿Qué pasará con las cargas en la varilla A si sta se mueve hacia la varilla B?

Slide 67 / 88

Cuando la varilla A se acerca hacia la B los electrones en la varilla A se repelen.

Los electrones en la varilla A se moverán hacia el lado izquierdo de la misma. Esto hace que los lados izquierdo y derecho de la varilla tengan una carga diferente (en general, la varilla se mantiene neutra) - la varilla esta "polarizada."

La carga neta positiva en la parte derecha de la varilla A hará que esta se mueva hacia la varilla B (los opuestos se atraen).

+

+

+-

-

-

Carga Neta Negativa

Carga Neta Positiva

-+-

----

+-

+---

Objetos cargados

Varilla A: Varilla

ConductoraNeutra

Varilla B: Inmóvil,Cargada

Negativemente

Slide 68 / 88

20 ¿Qué pasará cuando una varilla neutra se acerca a una varilla cargada negativamente?

A Las varillas se mueven una hacia la otra

B Las varillas se alejarán una de la otra.

C Nada, las varillas permanecerán en reposo

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f j

Slide 69 / 88

21 ¿Qué ocurre con los electrones de un conductor neutro que se acerca a una varilla cargada positivamente?

A Todos los electrones se mueven hacia el lado del conductor más alejado de la varilla.

B Cada electrón se mueve hacia el lado de su átomo más cercano de la varilla.

C No pasa nada

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fk

Slide 70 / 88

Fuerza Eléctrica

La Primera Ley de Newton (la ley de la inercia) afirma que los objetos en reposo tienden a permanecer en reposo a menos que una fuerza neta externa actúe sobre el objeto. Esto, por supuesto, es el caso especial de los objetos en movimiento que tienden a permanecer en movimiento (donde la velocidad del objeto es cero).

+

+

+-

-

-

+-+

----

--

--+-

La varilla libre se acelerará hacia la varilla inmóvil, por lo que debe haber una fuerza presente. A esto lo llamamos fuerza eléctrica, y como todas las fuerzas se mide en Newtons (N).

Slide 71 / 88

Fuerza Eléctrica

A finales del siglo 18, varios físicos (Joseph Priestly y John Robison) razonaron (y Robison midió) que la fuerza entre dos objetos sigue los mismos principios que la fuerza de gravedad, y que la fuerza entre dos objetos cargados depende de la inversa del cuadrado de la distancia entre ellos:

1r2

FE α

Joseph Priestly

John Robison

Slide 72 / 88

Fuerza Eléctrica Charles Coulomb en (1785) publicó un documento sobre la base de experimentos detallados, que definitivamente demostraron lo anterior, y que la fuerza también era proporcional al tamaño de las cargas.

Utilizó una balanza de torsión basada en el mismo principio que el experimento de Henry Cavendish que midió la constante gravitacional.

Charles Coulomb

Slide 73 / 88

Magnitud de la Fuerza Eléctrica

Así, la magnitud de la fuerza eléctrica es:k|q1||q2| r122

FE =

k = La Constante de Coulomb que es igual a 9 x109 N-m2/C2

|q1| = El valor absoluto de la carga neta sobre un objeto

|q2| = El valor absoluto de la carga neta sobre el otro objeto

r12 = La distancia entre el objeto 1 y el objeto 2 si son cargas puntuales, o entre los centros de los objetos si son esféricos.

Nótese la similitud matemática sorprendente a la Ley de la Gravitación Universal de Newton

Slide 74 / 88

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb se usa para calcular la magnitud de la fuerza.

Cada objeto ejerce la misma fuerza sobre el otro - excepto en direcciones opuestas (La tercera ley de Newton se aplica a todas las fuerzas, no sólo a las mecánicas).

Dado que la fuerza eléctrica, al igual que todas las fuerzas, es un vector, necesitas especificar la dirección de la magnitud de la fuerza determinada por la ley de Coulomb. Esto se hace mirando el signo de ambas cargas (cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen).

Slide 75 / 88

Relación de la Fuerza Eléctrica con la Fuerza

GravitacionalAmbas fuerzas se expresan mediante una fórmula matemática similar donde la magnitud de la fuerza disminuye de acuerdo a 1/r2.

La fuerza eléctrica puede ser atractiva o repulsiva (cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen). La fuerza Gravitacional es siempre atractiva.

¡La fuerza eléctrica está en el orden de 1036 veces más grande que la fuerza gravitacional!

Slide 76 / 88

22 Una carga puntual de +20 μC se coloca a 20 cm de otra carga puntual de -40 μC. ¿Cuál es la fuerza de cada una sobre la otra?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ f l

Slide 77 / 88

- Compara y contrasta la fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional.

Students type their answers here

Res

pues

ta

Slide 78 / 88

23 ¿Cuál es la distancia entre dos cargas de +7,8 μC y +9,2 μC si ejercen una fuerza de 4,5 mN una de la otra?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fm

Slide 79 / 88

24 Una carga de -4,2 µC ejerce una fuerza atractiva de 1,8 mN sobre una segunda carga que se encuentra a una distancia de 2,4 m. ¿Cuál es la magnitud y el signo de la segunda carga?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fn

Slide 80 / 88

25 Dos objetos iguales con carga negativa se repelen entre sí con una fuerza de 18 mN. ¿Cuál es la carga de cada objeto, si la distancia entre ellos es de 9 cm? ¿Cuántos electrones adicionales se encuentran en cada objeto?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fo

Slide 81 / 88

26 Dos esferas conductoras que tienen una carga neta de 5 mC y -9 mC se atraen entre sí con una fuerza de 4,05 x 103 N. Las esferas se ponen en contacto y luego se separan a la distancia inicial. ¿Cuál es la nueva fuerza entre las esferas? ¿Es esta fuerza atractiva o repulsiva?

Res

pues

ta

ht tp:/ / njc.t l/ fp

Slide 82 / 88

Superposición de Fuerzas Eléctricas

Q3 = 15 CQ1 = 25 C Q2 = -10 C

x (m)

Muchas veces, hay una configuración que consiste de múltiples cargas y hay que calcular la fuerza neta inicial en cada carga. Por supuesto, la configuración de carga cambiará entonces, de acuerdo a como las cargas reaccionan a sus fuerzas netas iniciales.

La configuración más sencilla de manejar es cuando las cargas están todas en una recta, por ejemplo, en el eje x

Slide 83 / 88

Superposición de Fuerzas Eléctricas

Sigue este procedimiento:

1. Asume que todas las cargas, distintas de la que se calcula la fuerza neta inicial, son inmóviles. Esto permitirá la determinación de la dirección individual de las fuerzas iniciales.

2. Dibuja un diagrama de cuerpo libre para cada carga, usando el hecho de que cargas opuestas se atraen y cargas opuestas se repelen.

3. Usa la Ley de Coulomb para encontrar la magnitud de cada fuerza.

4. Suma las fuerzas, teniendo en cuenta que son vectores con dirección y magnitud. Usa el diagrama de cuerpo libre para asignar signos a las fuerzas. Si apuntan a la derecha, son positivas; si apuntan a la izquierda, son negativas.

Slide 84 / 88

Convención sobre las Fuerzas

F12 es la fuerza que Q1 ejerce sobre Q2.

F13 es la fuerza que Q1 ejerce sobre Q3.

F23 es la fuerza que Q2 ejerce sobre Q3.

Ten en cuenta que por la aplicación de la Tercera Ley de Newton:

F12 = - F21

F13 = - F31

F23 = - F32

Slide 85 / 88

Q3 = 15 CQ1 = 25 C Q2 = -10 C

x (m)

**

Una carga positiva Q1 = 25 μC se localiza en un punto x1 = -8 m, una carga negativa Q2 = -10 μC se localiza en un punto x2 = 0 m y una carga positiva Q3 = 15 μC se localiza en un punto x3 = 4 m.

a. Dibuja diagramas de cuerpo libre de la fuerza eléctrica que actúa sobre Q1, Q2 y Q3.

Res

pues

ta

Slide 86 / 88

Q3 = 15 CQ1 = 25 C Q2 = -10 C

x (m)

**

b. Encuentra la magnitud de la fuerza entre Q1 y Q2.c. Encuentra la magnitud de la fuerza entre Q1 y Q3.d. Encuentra la magnitud de la fuerza entre Q2 y Q3.

Res

pues

ta

Slide 87 / 88

Q3 = 15 CQ1 = 25 C Q2 = -10 C

x (m)

**

e. Encuentra la magnitud y la dirección de la fuerza neta sobre Q1.f. Encuentra la magnitud y la dirección de la fuerza neta sobre Q2.g. Encuentra la magnitud y la dirección de la fuerza neta sobre Q3.

Res

pues

ta

Slide 88 / 88