Este documento presenta una introducción a la carga eléctrica. Explica que la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que existe en dos tipos, positiva y negativa. También describe las cinco propiedades básicas de la carga eléctrica, incluyendo que está cuantizada y que la suma total de cargas en un sistema cerrado es constante. Finalmente, introduce la ley de Coulomb sobre las fuerzas eléctricas entre cargas puntuales.

1. Carga Eléctrica 1 PhD Juvenal Castromonte, M.Sc. Yuri Milachay

2. Conjugar los principios teóricos y la solución de problemas de aplicación de los fenómenos electromagnéticos. En teoría se hará uso de modelos simples para formular los conceptos generales Estos conceptos fundamentales están fuertemente relacionados con la simetría general de la naturaleza Presentación del curso 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

3. En Física I el problema fundamental era el siguiente: “ Dado el estado inicial de un cuerpo se quieren conocer sus coordenadas y velocidad en todo momento” Para solucionar este problema, en su forma más general, se hace uso de la ecuación de movimiento Introducción 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

4. Para solucionar la ecuación de movimiento, además de las condiciones iniciales, es necesario conocer la forma explícita de las fuerzas externas. Hasta el momento, del curso de mecánica, solo se conocen las fuerzas de gravitación, rozamiento y elasticidad. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

5. La fuerza de gravitación es una ley bastante simple: Esta ley es válida en todos los casos, independientemente de la naturaleza de los cuerpos y las condiciones en las que se encuentren. Esta ley se considera fundamental. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

6. La expresión para las fuerzas de rozamiento y elasticidad a primera vista son bastante simples. Sin embargo, la simplicidad es solo aparente. coeficientes se determinan experimentalmente y dependen del material, de la calidad de la superficie, etc. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

7. La expresión para la fuerza de rozamiento es válida solo para casos donde la velocidad es pequeña; Para la fuerza de elasticidad lo es para desviaciones pequeñas. Estas leyes no son fundamentales. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

8. Fuerza de rozamiento y Fuerza de Elasticidad son el valor medio de un número grande de interacciones entre moléculas. Esta interacción no tiene naturaleza gravitacional. Los cuerpos se resisten a ser expandidos o comprimidos (entre las partículas del cuerpo aparecen fuerzas de repulsión). Las fuerzas gravitacionales solo generan atracción. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte Las fuerzas de rozamiento y elasticidad son evidencias de un nuevo tipo de interacción. “Interacción electromagnética”.

9. Para determinar el comportamiento de los cuerpos, que participan en interacciones electromagnéticas, es necesario establecer una ley fundamental, análoga a la ley de Newton para el caso de la gravitación. Pero, antes debe determinarse la propiedad de las partículas que determinan esta nueva interacción. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

10. La propiedad que determina la interacción electromagnética de las partículas se conoce como carga eléctrica. El conjunto de toda la información experimental acerca de las cargas se puede reducir a cinco puntos Carga eléctrica 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

11. Cargas y fuerzas eléctrica La electricidad es un fenómeno fundamental de la naturaleza. Es la base de la tecnología moderna, pero también es la explicación de la estabilidad de la materia. Estas son algunas interrogantes que serán respondidas en el presente tema. 28/08/10 Yuri Milachay 28/08/10

12. La carga eléctrica La carga eléctrica, como la masa, es una propiedad fundamental de la materia. Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa (protones y electrones) Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas de signos contrarios se atraen. Las características y propiedades de los átomos y moléculas se deben a las interacciones eléctricas entre las partículas que los componen. 28/08/10 Yuri Milachay

13. Propiedades de la carga eléctrica La unidad de carga en el SI es el coulomb y su símbolo es C . Los valores típicos de carga se expresan utilizando prefijos. Prefijo micro  1  C = 10 – 6 C Prefijo nano  1  C = 10 – 9 C Prefijo pico  1 pC = 10 – 12 C 28/08/10 Yuri Milachay Donde e es la carga fundamental* y su valor es: e = 1,60217733 x 10 – 19 C * En los modelos teóricos actuales se supone la existencia de partículas (quarks) con cargas eléctricas fraccionarias. Neutrón Protón Electrón cero 1,6749286 x 10 - 27 kg + e 1,6726231 x 10 - 27 kg e 9,1093897 x 10 - 31 kg Carga Masa

14. Carga eléctrica 3. La carga está cuantizada. Es decir, todas las cargas son un múltiplo de la carga fundamental e . Q = + ne Donde n es un número entero positivo 4. La suma de todas las cargas de un sistema cerrado es siempre constante; esto se conoce como el principio de conservación de la carga. 5. Los cuerpos son eléctricamente neutros. Esto quiere decir que poseen la misma cantidad de carga positiva y carga negativa en su interior. 28/08/10 Yuri Milachay

15. Propiedades de la carga eléctrica Un cuerpo es eléctricamente neutro si la suma de todas las cargas es nula. Un átomo, inicialmente neutro, que pierde electrones queda cargado positivamente y se le llama ión positivo. Un átomo, inicialmente neutro, que gana electrones queda cargado negativamente y se le llama ión negativo. 28/08/10 Yuri Milachay Carga elemental negativa Carga elemental positiva Cuerpo con carga nula # cargas negativas=# cargas positivas Cuerpo cargado positivamente # cargas negativas<# cargas positivas Cuerpo cargado negativamente # cargas negativas># cargas positivas

16. Ejercicio 21.2 (pág. 828) La proporción máxima de un flujo de carga al caer un rayo es de alrededor de 20 000 C/s; esto dura 100  s más o menos. ¿Cuánta carga fluye entre el suelo y la nube en este tiempo? ¿Cuántos electrones fluyen durante este tiempo? 1  s = 10 -6 s e - = 1,60217733 x 10 – 19 C Solución . a) La cantidad de carga que fluye es igual a 20 000 C/s x 100 10 -6 s Luego de cancelar los segundos y de multiplicar 2 x 10 4 x 1 x 10 -4 La respuesta es: 2 C b)¿Cuántos electrones se han desplazado? Dividimos el resultado anterior entre la carga del electrón. 1,25 x 10 19 electrones 28/08/10 Yuri Milachay Cada día en el mundo se producen 8 000 000 de rayos http://www.pararrayos.info/pdf/Pararrayos%20CTS%20%20Agosto%202006.pdf

17. Una de las leyes fundamentales de la física La carga total (neta resultante) de un sistema, si en ella no se introducen cargas netas externas, siempre se mantiene constante Ley de Conservación de Cargas 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

18. Para la descripción del comportamiento de los cuerpos cargados se tienen dos modelos: modelo de carga puntual modelo de distribución de carga, que puede ser volumétrica, superficial o lineal. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

19. Conductores y aislantes A los materiales que permiten que las cargas se muevan fácilmente a través de ellos se les llama conductores de la electricidad. Los materiales en los que es muy difícil lograr que las cargas se muevan, estos se llaman aislantes. Los metales son buenos conductores de la electricidad y la madera y los plásticos son aislantes. 28/08/10 Yuri Milachay

20. Aplicación tecnológica de las cargas electrostáticas La pintura electrostática es utilizada para el recubrimiento eficaz de superficies para protegerlos contra la corrosión. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de la pintura electrostática? 28/08/10 Yuri Milachay + + + + - - - -

21. Manifestación de las cargas electrostáticas Explique, usando conceptos de electrostática, cómo se ha podido inicial fuego en el surtidor como se aprecia en el vídeo. 28/08/10 Yuri Milachay http://www.cdc.gov/spanish/niosh/docs/98-111sp.html

22. La ley fundamental de las fuerzas eléctricas , establecida en 1785 Coulomb halló que para dos cargas puntuales q 1 y q 2 (cargas de dimensiones muy pequeñas en comparación con la distancia r entre ellas), el módulo de la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Ley de Coulomb 28/08/10 Yuri Milachay http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb

23. k – constante eléctrica (o de Coulomb) La constante eléctrica también se expresa como: Donde  se denomina permisividad eléctrica del medio. 28/08/10 Yuri Milachay Material  (C 2 /N ∙m 2 ) k (N ∙m 2 /C 2 ) Vacío 8,85 × 10 -12 8,99 × 10 9 Parafina 1,90 × 10 -11 4,16 × 10 9 Mica 5,76 × 10 -11 1,38 × 10 9 Papel parafinado 1,95 × 10 -11 4,09 × 10 9 Poliestireno 9,30 × 10 -12 8,56 × 10 9 Baquelita 3,90 × 10 -11 2,04 × 10 9 C-irbolito 3,54 × 10 -11 2,25 × 10 9 Vidrio orgánico 3,01 × 10 -11 2,64 × 10 9

24. Se tiene dos cargas eléctricas puntuales q 1 y q 2 separadas una distancia d inmersas en parafina líquida. ¿Qué pasa con la fuerza eléctrica entre ellas si son llevadas al vacio? Considere que sus cargas y la distancia de separación no cambian. Responda la misma pregunta considerando que están sumergidas en vidrio orgánico. Ejercicio 28/08/10 Yuri Milachay Material  (C 2 /N ∙m 2 ) k (N ∙m 2 /C 2 ) Vidrio orgánico 3,01 × 10 -11 2,64 × 10 9 Parafina 1,90 × 10 -11 4,16 × 10 9 Vacío 8,85 × 10 -12 8,99 × 10 9

25. Fuerzas gravitacional vs. Fuerza eléctrica Compara la fuerza eléctrica y gravitacional en el átomo de hidrógeno m e =9,11 x 10 -31 kg m p =1,67 x 10 -27 kg q e =q p =1,60 x 10 -19 C 28/08/10 Yuri Milachay +

26. Sistema de Unidades para la carga eléctrica De mecánica se conocen las unidades de fuerza y longitud, así que las dimensiones de la constante , también, depende de la elección de las unidades de la carga. 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

27. Sistema CGSE la unidad de carga se elige de manera tal, que la fuerza con la que una unidad carga actúa sobre otra igual, en vacío, separados por una distancia de 1 cm, sea igual a 1 dina. Entonces de 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

28. se tiene que Por tanto, en este sistema de unidades 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte La unidad de carga se construye a partir de las tres unidades fundamentales, introducidas en mecánica, como son el centímetro, el segundo y el gramo

29. En este sistema de unidades, la carga se mide en coulombs, donde La constante Sistema Internacional 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte

30.  es un coeficiente con unidades propias. Sí la fuerza F se expresa en newton (N), q en coulomb (C) y r en metros (m), entonces 28/08/10 PhD Juvenal Castromonte dos cargas puntuales de 1C cada una, separadas una distancia de 1m , interactúan entre sí con una fuerza de