Carga y Materia. Fisica 3

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Tema I- CARGA Y MATERIA
1.1- Estructura Atómica
En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.
 El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga
positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir
son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente
igual a la de un neutrón. Todos los átomos de un elemento químico tienen
en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza
a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se
representa con la letra Z.
 La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los
electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles,
giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces
menor que la de un protón. Los átomos son eléctricamente neutros,
debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el
número atómico también coincide con el número de electrones.

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1.2- Carga Eléctrica
Las cargas eléctricas son partículas que ejercen fuerzas atractivas y repulsivas
entre ellas. Por ser partículas, tienen una masa que se opone a ser acelerada
por fuerza alguna, y sufre la atracción gravitacional del centro de la Tierra, como
todos los demás cuerpos sobre la superficie del mundo.
Se dividen en dos tipos diferentes: las cargas positivas y las cargas negativas.
Una positiva y una negativa se atraen entre sí. Si se atraen, deben ser de distinta
carga.
Las cargas negativas repelen a las cargas negativas. Las cargas positivas
también se repelen entre sí.
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado
experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones
se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen
carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o
±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.
Unidades
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se
denomina culombio o coulomb (símbolo C). Se define como la cantidad de carga
que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo,
cuando la corriente eléctrica es de un amperio, y se corresponde con la carga de
6,241 509 × 10^18 electrones aproximadamente.
La fuerza eléctrica entre cargas se llama fuerza de Coulomb; es directamente
proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia entre las cargas. Es decir, al aumentar una carga, 2, 3, 4, etc., veces

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en el mismo lugar, la fuerza aumenta 2, 3, 4, etc., veces. Al incrementar la
distancia entre las cargas 2, 3, 4, etc. veces, la fuerza disminuye de tamaño a
1/4, 1/9, 1/16, etc. de su tamaño original, porque 4 es el cuadrado de 2, 9 es el
cuadrado de 3, 16 es el cuadrado de 4, y así sucesivamente. Con ayuda de
símbolos, si F representa la fuerza, q la carga, R la distancia y una A constante,
entonces la relación entre la fuerza, la carga y la distancia, se representa por la
ecuación
F = A X q/R2,
Donde la X representa la operación de multiplicar y / la operación de dividir.
La constante A es proporcional a la otra carga diferente de q.
1.3- Conductores y Aislantes
Los materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de
cargas eléctricas.
Conductores
Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de
cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y
aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la
electricidad.
Ejemplo: Oro, Cobre, Aluminio, etc.

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Aisladores
Los aisladores son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la
electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o
aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad,
pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos
conductores.
Ejemplo: Madera, Plástico, etc.
La pila es un sistema que transforma la energía química en energía eléctrica. En
el interior de la pila se está produciendo una reacción química entre el cinc
(metal) y un ácido, que genera el flujo de electricidad.
Para saber si algún elemento no identificado, metal u otro que no se sepa su
procedencia, es conductor o no, o si tiene electricidad o no, jamás debe hacerse
al tacto de las manos. Para ello hay instrumentos especiales.
1.4- Ley De Coulomb
La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales
es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las
une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si
son de signo contrario".
La Ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas
puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia
cuantitativa.

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Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos
años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos
experimentales directos.
Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto
geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una
idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos
estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas
dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen
entre ellos.
Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:
a) Cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre
suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de
Electrostática);
Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud,
dirección y sentido.
b) Las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y
reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre
sí son iguales en módulo y dirección, pero de sentido contrario:
Fq1 → q2 = −Fq2 → q1;
c) Hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de
muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre
protones y electrones en un átomo.
La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando
no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento
se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello
que es llamada fuerza electrostática.
En términos matemáticos, la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos
cargas puntuales q1 y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia d se
expresa como: