Ley de Coulomb

Física. Leyes electromagnéticas. Carga eléctrica. Fuerza de atracción y repulsión. Descarga electrostática. Aplicaciones industriales. Pilas eléctricas

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CONTENIDO

  • Introducción

  • Justificación

  • Objetivos

  • General

  • 3.2Especifico

  • Mapa conceptual

  • Análisis de conceptos dados

  • Desarrollo de Ejercicios

  • INTRODUCCION

  • En física, la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas (pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética.

    2. JUSTIFICACION

  • OBJETIVOS

  • Objetivo General

  • -Comprender la importancia de la Ley Coulomb en la física moderna.

    3.2 Objetivos Específicos

    -Identificar el comportamiento de las cargas eléctricas positivas y negativas.

    -Tener los conocimientos necesarios para asi poder calcular la fuerza eléctrica entre dos cuerpos cargados eléctricamente

    -identificar aplicaciones tecnológicas de la electrostática en la vida moderna.

    -Poder tener la capacidad de comprender. las propiedades eléctricas de la materia

    4.O MAPA CONCEPTUAL

    5.0 ANALISIS DE CONCEPTOS DADOS

    SITUACIÓN PROBLEMA 2: Debes leer sobre carga eléctrica, Ley de Coulomb y solucionar los siguientes ejercicios:

    Verdadero o falso: (Debes argumentar tus respuestas)

  • El campo eléctrico de una carga puntual tiene un sentido siempre de alejamiento desde la carga.

  • FALSO, el vector del campo eléctrico establecido por una carga puntual positiva siempre señala alejándose, es decir, en la misma posición de r; en cada punto, el vector de campo eléctrico establecido por una carga puntual negativa, apunta directamente hacia la carga, es decir, dirección opuesta a r.

    'Ley de Coulomb'

  • La carga del electrón es la menor carga posible.

  • VERDADERO. La carga eléctrica está cuantificada y su unidad más elemental es la carga

    del electrón. Cualquier carga es múltiplo entero del la carga del electrón y su valor

    es e = 1,6•10-19 C. Es una magnitud escalar. Por tanto un Culombio son 6,25•1018 e.

    La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. Cualquier tipo de materia consta de átomos, y éstos a su vez, de protones, neutrones y electrones. De estas partículas, las primeras y las últimas poseen carga positiva y negativa, respectivamente. Observando la materia macroscópicamente no parece observarse que esté cargada, lo que sucede es que el número de partículas positivas es análogo al de negativas, neutralizándose entre sí sus efectos. Cuando hablamos de carga de un cuerpo nos referimos a la carga neta o exceso de carga, ya sea esta positiva o negativa. Realizando mediciones precisas de carga se observa que siempre se obtienen múltiplos de una cantidad muy pequeña y nunca fracciones de la misma. A esta pequeña carga unidad se le llama carga elemental y coincide con la carga eléctrica que posee un electrón. Cualquier cantidad de carga será, por tanto, un múltiplo de la carga del electrón, q = Ne- siendo N un nº entero y e- el valor de la unidad elemental de carga.

  • Las líneas eléctricas de fuerza nunca divergen desde un punto del espacio.

  • FALSO, el termino líneas eléctricas hace referencia a redes de transporte de corriente eléctrica.

    La presencia de un campo eléctrico se puede indicar dibujando las llamadas líneas de fuerza eléctrica. Las líneas de fuerza son líneas que representan la dirección del campo en cada punto y que representan las trayectorias que seguiría una partícula con carga eléctrica positiva que se abandonara a la acción del campo. Las líneas de fuerza en cada punto son tangentes al vector campo E, en dicho punto.

    Las líneas de fuerza eléctrica divergen desde una caga puntual positiva, señala el sentido alejándose de dicha carga, y convergen sobre una carga puntual negativa, el sentido señala hacia la misma: + -

    DIVERGEN (Fuentes) CONVERGEN (Sumideros)

  • Las líneas de fuerza eléctrica nunca pueden cortarse en un punto del espacio.

  • VERDADERO, las líneas de fuerza eléctrica, son líneas imaginarias y son la trayectoria que seguira la carga positiva dejada en libertad dentro del campo eléctrico.

    Características de las líneas de fuerza:

  • Las líneas salen de las cargas positivas ( fuentes y entran en las cargas negativas (sumidero) De lo anterior se desprende que de cada punto de la superficie de una esfera, suponiendo forma esférica para una carga, puede salir o entrar solo una línea de fuerza, en consecuencia entre dos cargas que interactúan solo puede relacionarse un punto de su superficie con solo un punto de la otra superficie, y ello es a través de una línea, y esa línea es la línea de fuerza.


  • 2. El nº de líneas que entran en las cargas puntal es proporcional al valor de la carga.


    3ºEn cada punto del campo electrico nº de líneas por unidad de superficie perpendicular a ellas es proporcional a la intensidad de campo.


    4. Las lineas de fuerzas nunca puden cortarse (unicidad del campo). En cada punto el campo tiene una direccion y un sentido único, por lo que 2 líneas no pueden cruzarse ya que el campo tendria 2 direcciones; Si se admitiera que dos líneas de fuerza se interceptan, entonces se podría extender la superficie de la otra carga hacia el lugar donde se interceptan las líneas que se mencionan y se podría concluir que dos líneas entran o salen de una superficie de una carga eléctrica. Con esto se está contradiciendo lo postulado inicialmente. En consecuencia, es imposible que dos líneas de fuerza se intercepten.

    Por otra parte, si las líneas de fuerza se cortaran, significaría que en dicho punto E poseería dos direcciones distintas, lo que contradice la definición de que a cada punto sólo le corresponde un valor único de intensidad de campo.


    Las líneas de fuerza deben ser perpendiculares a las superficies de los objetos en los lugares donde conectan con ellas

    'Ley de Coulomb'

    El campo es tangente a la línea de fuerza. Las líneas se dibujan simétricamente saliendo o entrando en la carga puntual.

  • La fuerza gravitacional es más débil que la fuerza eléctrica.

  • 1.- Analicemos la fuerza eléctrica entre un protón y un electrón en el núcleo de hidrógeno. La separación promedio entre en electrón y el protón es:

      'Ley de Coulomb'

    Sustituyendo los datos tendremos:

     

    'Ley de Coulomb'

    para la fuerza gravitacional tenemos:

     

    'Ley de Coulomb'

    Podemos comparar directamente que la fuerza gravitacional es más débil que la fuerza eléctrica

    'Ley de Coulomb'

    Aunque la fuerza gravitacional es más pequeña, pero es de atracción, por ello puede generar la creación de grandes masas, tal es el caso de la formación de las estrellas y de los planetas de modo que a medida que crecen sus masas pueden generarse grandes masas gravitatorias. Sin embargo, pese a que las fuerzas eléctricas en el interior del átomo son grandes son de repulsión y por tanto no pueden crecer grandes concentraciones de carga bien sean negativas como positivas

    La fuerza gravitatoria es de largo alcance. Se manaifiesta en TODAS las partículas; es la más débil de todas (las 4) fuerzas que existen.
    La fuerza eléctrica es más fuerte pero de corto alcance. Llega hasta una distancia de la magnitud de un árbol (10 a 30 metros). SÓLO se aplica a partículas cargadas eléctricamente.

    Repulsión:
            
    La gravedad es una fuerza que se produce entre todos los cuerpos con masa, a mayor masa mayor atracción (no hay repulsión, sólo atracción).
            
    Mientras que la fuerza eléctrica produce una atracción hacia los cuerpos de carga opuesta, y una repulsión a los de carga idéntica.

    Resistencia:
            
    No hay nada que oponga una resistencia a la gravedad. Sin embargo, la fuerza eléctrica es modificada por el medio. La fuerza eléctrica está íntimamente asociada a la fuerza magnética de hecho, se consideran dos fenómenos de la misma fuerza. La fuerza gravitatoria no está asociada a ninguna otra fuerza.

    Ejercicios: (Debes argumentar tus respuestas)

  • Qué relación numérica existe entre un (1) µC y un (1) C.

  • Cualquier cantidad de carga será, por tanto, un múltiplo de la carga del electrón, q = Ne- siendo N un nº entero y e- el valor de la unidad elemental de carga.

    Esta propiedad se expresa diciendo que la carga está cuantizada. En el Sistema Internacional se toma como unidad de carga eléctrica el coulomb o culombio (C) que equivale a 6,242·1018 cargas elementales, siendo por tanto, la carga de un eigual a 1,6·10-19 C.

    El culombio se define a partir de la unidad de intensidad de corriente eléctrica: Un culombio es la carga que pasa por la sección transversal de un conductor en un segundo cuando la intensidad de corriente que circula por él es de un amperio.

    Con frecuencia se usan submúltiplos del culombio siendo los más frecuentes los siguientes:

    1 mC = 10-3 C (miliculombios)

    1 μC = 10-6 C (microculombios)

    1 nC = 10-9 C (nanoculombios)

    Experimentalmente se observa que la carga no puede crearse ni destruirse, es decir, que en un sistema aislado (sistema en el cual no puede entrar ni salir carga), las cargas + y - pueden variar con el tiempo pero la carga neta (suma de cargas + y -) permanece constante. A esta ley se la conoce como Ley de conservación de la carga eléctrica.

    La unidad más pequeña de carga conocida en la naturaleza es la que tiene un electrón o un protón. La carga de un electrón o de un protón tiene una magnitud de e  1.602191019C.

    Por lo tanto, 1C de carga es igual a la carga de 6.31018 electrones (esto es, 1/ ). Se puede comparar esto con el número de electrones libres que se encuentran en 1 cm³ de cobre, que es del orden de 1023 .

  • A veces al abrir las puertas de un automóvil sentimos lo que se llama un “corrientazo”; ¿Cómo explicar dicho fenómeno?

  • La descarga electrostática (conocido por sus siglas en inglés: electrostatic discharge, ESD) es un fenómeno electrostático que hace que circule una corriente eléctrica repentina y momentáneamente entre dos objetos de distinto potencial eléctrico; como la que circula por un pararrayos tras ser alcanzado por un rayo. El término se utiliza generalmente en la industria electrónica y otras industrias para describir las corrientes indeseadas momentáneas que pueden causar daño al equipo electrónico.

    Automovilistas y pasajeros conocen de sobra los efectos del fenómeno "ESD" que se produce cuando tocan las extremidades de la puerta o del maletero, con la punta del capó o del ángulo de cualquier montante de la carrocería. Aunque la potencia de dicha descarga sea débil y carezca de peligrosidad, el sujeto es sensible a su manifestación. Se han dado casos excepcionales de automovilistas que, estando cargados sus cuerpos de electricidad estática, han cogido la manguera de combustible en la estación de servicio y al ir a introducir el surtidor en el depósito, se ha desencadenado una chispa electrostática que acabó por incendiar la manguera. Para evitar ese suceso tan peligroso, es recomendable que antes de repostar, toquemos una superficie metálica (como la puerta de nuestro coche) para descargarnos de electrostática.

    Cualquiera que sean las distintas formas de receptividad humana, las reacciones son de impotencia. Ante esta serie de hechos, los más precavidos, prudentes o afectados compran pequeñas cintas que incorporan generalmente hilos conductores metálicos, y las colocan en la parte trasera del vehículo, para que por ahí se pueda desprender la electricidad estática

    8.¿Con qué fuerza se atraen o repelen dos carga eléctricas de 0.5 y 0.8 culombios si se hallan separadas por una distancia de 5 metros? ¿En qué caso se atraen y en cuál se repelen?

    Ley de coulomb:

    q(1)= 0,5 C

    q(2)= 0,8 C

    F= ?

    K=9.0'Ley de Coulomb'
    N./=1/4π€(0)

    r = 5 metros

    Entonces reemplazamos en la formula:

    F= k q(1)q(2)

    F= 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (0,5 C)(0,8 C)

    (5 m)²

    F= 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (0,4 )

    25m²

    F= 0,36x'Ley de Coulomb'
    N

    25

    F= 0,0144x'Ley de Coulomb'
    N

    F= 144 x 105 N

    Estas cargas se repelen con una fuerza de 144 x 105 N, la causa por la cual se repelan es porque las dos son positivas (+).

    Las fuerzas entre dos cargas son atractivas o repulsivas según las cargas sean de signos opuestos o del mismo signo, respectivamente.

    A partir de estas observaciones, enunció la ley que lleva su nombre:

    “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”. Esta ley se aplica sólo a cargas puntuales en reposo, es decir, a aquellas cargas cuya dimensión es muy pequeña en comparación con otra longitud del problema a considerar.

    'Ley de Coulomb'

    La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva).

    El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza repulsiva).

    9.¿A qué distancia deben situarse dos cargas de y 'Ley de Coulomb'
    culombios para que accionen con la fuerza de 5 newton?

    Teniendo en cuenta que seguimos trabajando con la Ley de Coulomb, y que lo que necesitamos es la distancia, despejamos:

    q(1)= 10 -4 C

    q(2)= 10 -6 C

    F= 5 N

    K=9.0'Ley de Coulomb'
    N./=1/4π€(0)

    r = ?

    Entonces despejamos en la formula:

    F= k q(1)q(2)

    Obtenemos:

    r²= k q(1)q(2)

    F

    r² = 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (10 -4 C)(10 -6 C)

    5 N

    r² = 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (10 -10 )

    5 N

    r² = 9.0x'Ley de Coulomb'
    . (10 -10)

    5

    r² = 9.0x10 -1

    5

    r² = 0,18x10 -1

    r² = 18

    r = 4,24 m

    Ahora verificamos temiendo en cuenta nuestra respuesta, en la formula inicial:

    F= k q(1)q(2)

    F= 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (10 -4 C)(10 -6 C)

    (4 ,24 m2)

    F= 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (10 -4 -6 C2)

    18 m2

    F= 9.0x'Ley de Coulomb'
    N. (10 -10 )

    18

    F= 9.0x 10 -1 N

    18

    F= 0,5x10 -1 N.

    F= 5 N.

  • Qué aplicaciones industriales tendrá todo lo que acabamos de estudiar?

  • En un coche no faltan las fuentes de tribo-electricidad: "ferodos" o pastillas de los frenos en fricción con disco o tambores y correas de ventilador/alternador, para citar solamente las dos principales.

    ESD y la industria Electrónica.

    La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.[1] [2] [3] [4] Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrónicos.[5] Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.

    Aquellos cuya polarización es permanente (electretos y materiales ferroeléctricos) se usan para fabricar dispositivos como micrófonos y altavoces, entre otros

    ¿ Que es y cómo funciona una pila eléctrica?

    Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrólito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrólito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente eléctrica.
    Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía química se ha transformado en energía eléctrica (es decir, cuando las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas reversibles en las que el producto químico que al reaccionar en los electrodos produce energía eléctrica, puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal de la pila.

     PILAS PRIMARIAS  

    La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en la década de 1860. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrólito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que el recipiente de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 voltios. Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce 1,34 V, aproximadamente.
    La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.  PILAS SECUNDARIAS  

    El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse invirtiendo la reacción química, fue inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería, que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrólito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrólito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrólito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrólito produciendo nuevamente sulfato de plomo.


    Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se invierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.

    Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo es de óxido de níquel y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce 1,15 V, aproximadamente.Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

     PILAS SOLARES  

    Las pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la superficie opuesta. Allí se recogen como corriente eléctrica. Las pilas solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones, como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.

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