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INTRODUCCIÓN En este trabajo podremos ver la importancia de la energía, pues sabemos que en nuestra vida diaria está presente. Para realizar éste trabajo nos basamos en los conceptos y fórmulas para obtener los resultados de la Energía. CARGA ELÉCTRICA La electrostática, es decir, la interacción entre cargas eléctricas en reposo (o casi en reposo) Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una negativa se atraen. Atracción y repulsión eléctricas En ocasiones, la atracción y la repulsión de dos objetos cargados se resume como “cargas iguales se repelen, y cargas opuestas se atraen”. Sin embargo, tenga en cuenta que la frase “cargas iguales” no significa que las dos cargas sean idénticas, sino sólo que ambas carga tienen el mismo signo algebraico (ambas positivas o ambas negativas). La expresión “cargas opuestas” quiere decir que los dos objetos tienen carga eléctrica de signos diferentes (una positiva y la otra negativa). LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA CARGA La carga eléctrica se conserva En el análisis anterior hay implícitos dos principios muy importantes. El primero es el principio de conservación de la carga: La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante. De ahí que no cambie la carga eléctrica total en los dos cuerpos tomados en conjunto. En cualquier proceso de carga, ésta no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro. Se considera que el principio de conservación de la carga es una ley universal, pues no se ha observado ninguna evidencia experimental de que se contravenga. Aun en las interacciones de alta energía donde se crean y destruyen partículas, como en la creación de pares electrón-positrón, la carga total de cualquier sistema cerrado es constante con toda exactitud. El segundo principio importante es: La magnitud de la carga del electrón o del protón es la unidad natural de carga. Toda cantidad observable de carga eléctrica siempre es un múltiplo entero de esta unidad básica. Decimos que la carga está cuantizada. En tanto que la carga eléctrica no se divide en cantidades menores que la carga de un electrón o un protón. (Es probable que las cargas de los quarks, de y, no sean observables como cargas aisladas.) Entonces, la carga de cualquier cuerpo macroscópico siempre es igual a cero o a un múltiplo entero (negativo o positivo) de la carga del electrón. La comprensión de la naturaleza eléctrica de la materia abre la perspectiva de muchos aspectos del mundo físico. Los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos para formar moléculas se deben a las interacciones eléctricas entre ellos. Incluyen los enlaces iónicos fuertes que unen a los átomos de sodio y cloro para formar la sal de mesa, y los enlaces relativamente débiles entre las cadenas de DNA que contienen nuestro código genético. La fuerza normal que ejerce sobre usted la silla en que se sienta proviene de fuerzas eléctricas entre las partículas cargadas, en los átomos de usted y los de la silla. La fuerza de tensión en una cuerda que se estira y la fuerza de adhesión de un pegamento se parecen en que se deben a las interacciones eléctricas de los átomos CONDUCTORES Y AISLANTES Un conductor eléctrico es un material que ofrece poca resistencia al movimiento de la carga eléctrica. Sus átomos se caracterizan por tener pocos electrones en su capa de valencia, por lo que no se necesita mucha energía para que estos salten de un átomo a otro. Son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los mejores conductores eléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierro, la plata y el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones salinas (por ejemplo, el agua del mar). Para el transporte de energía eléctrica, se puede usar el aluminio, metal que, si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60 % de la del cobre, es sin embargo https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomos https://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_valencia https://es.wikipedia.org/wiki/Metal https://es.wikipedia.org/wiki/Cobre https://es.wikipedia.org/wiki/Oro https://es.wikipedia.org/wiki/Hierro https://es.wikipedia.org/wiki/Plata https://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio https://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Grafito https://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Electrolito https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica un material tres veces más ligero, por lo que su empleo está más indicado en líneas aéreas que en la transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión.1 A diferencia de lo que mucha gente cree, el oro es levemente peor conductor que el cobre; sin embargo, se utiliza en bornes de baterías y conectores eléctricos debido a su durabilidad y “resistencia” a la corrosión. Aplicaciones de los conductores: • Conducir la electricidad de un punto a otro (pasar electrones a través del conductor; los electrones fluyen debido a la diferencia de potencial). • Crear campos electromagnéticos al constituir bobinas y electroimanes. • Modificar la tensión al constituir transformadores. Un aislante eléctrico es un material cuyas cargas eléctricas internas no pueden moverse causando una escasa magnitud de corriente bajo la influencia de un campo eléctrico, a diferencia de los materiales conductores y semiconductores, que conducen fácilmente una corriente eléctrica. La característica fundamental que distingue a los materiales aislantes es su alta resistividad comparada con los semiconductores y conductores. El aislamiento eléctrico perfecto no existe; incluso el mejor aislamiento contiene pequeños portadores móviles (portadores de carga), capaces de transportar corriente. Por lo cual, cualquier tipo de aislamiento se vuelve conductor cuando se le aplica una tensión lo suficientemente alta como para que dispare electrones de los átomos que constituyen el material. Este valor se conoce como tensión de https://es.wikipedia.org/wiki/Alta_tensi%C3%B3n_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico#cite_note-1 https://es.wikipedia.org/wiki/Oro https://es.wikipedia.org/wiki/Corrosi%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad) https://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor https://es.wikipedia.org/wiki/Electroim%C3%A1n https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad) https://es.wikipedia.org/wiki/Transformador https://es.wikipedia.org/wiki/Material https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico https://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor https://es.wikipedia.org/wiki/Resistividad https://es.wikipedia.org/wiki/Portador_de_carga https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_de_ruptura ruptura de un aislamiento. Comúnmente se atribuye como buen Aislante el vidrio, el papel y el teflón, los cuales cuentan con una alta resistividad. Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector). Un ejemplo de estos materiales son los polímeros similares al caucho, y la mayoría de plásticos que pueden ser de naturaleza termoestable o termoplástica. El aislamiento se usa ampliamente en equipos eléctricospara separar conductores eléctricos y evitar que fluya corriente eléctrica entre ellos. El aislamiento se usa también para cubrir los cables eléctricos. El término aislador se refiere específicamente a los soportes aislantes usados para fijar las líneas de transmisión o de distribución a postes y torres de transmisión. Los aisladores soportan el peso de las líneas y evitan que fluya corriente a través de estas hacia la estructura que las soporta. LEY DE COULOMB La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con las que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas 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. https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_de_ruptura https://es.wikipedia.org/wiki/Pol%C3%ADmeros La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas. Dichas mediciones permitieron determinar que: • La fuerza de interacción entre dos cargas q y duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas: en consecuencia: • Si la distancia entre las cargas es r, al duplicarla, la fuerza de interacción disminuye en un factor de 4 (2²); al triplicarla, disminuye en un factor de 9 (3²) y al cuadriplicar r, la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16 (4²). En consecuencia, la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia: Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relación anterior en una igualdad: FUERZA Y CAMPO ELÉCTRICO DE UN DIPOLO Las líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales de igual magnitud pero de signos opuestos son conocidas como dipolo eléctrico, es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí. Los dipolos aparecen en cuerpos aislantes dieléctricos. A diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. Al aplicar un campo eléctrico a un dieléctrico aislante este se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del campo disminuyendo la intensidad de este. LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO En sus primeras investigaciones sobre el electromagnetismo, Michael Faraday (1791-1867) desarrolló un ingenioso sistema para observar los campos eléctricos, el cual consiste en representar tanto la intensidad como la dirección de un campo mediante líneas imaginarias denominadas líneas del campo eléctrico. Las líneas del campo eléctrico son líneas imaginarias trazadas de tal manera que su dirección en cualquier punto es la misma que la dirección del campo eléctrico en ese punto. https://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctrico https://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico https://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_el%C3%A9ctrica Por ejemplo, las líneas trazadas radialmente hacia fuera de la carga positiva en la figura 24.3a representan la dirección del campo en cualquier punto sobre la línea. Las líneas eléctricas próximas a una carga negativa tendrían una forma radial hacia dentro y estarían dirigidas hacia la carga, como se advierte en la figura 24-3b. Después veremos que la densidad de estas líneas en cualquier región del espacio es una medida de la magnitud de la intensidad del campo en esa región. En general, la dirección del campo eléctrico en una región del espacio varía de un lugar a otro; por tanto, normalmente las líneas eléctricas son curvas. Por ejemplo, consideremos la construcción de una línea del campo eléctrico en la región situada entre una carga positiva y una negativa. La dirección de la línea del campo eléctrico en cualquier punto es la misma que la del vector resultante del campo eléctrico en ese punto. Deben seguirse dos reglas al construir líneas del campo eléctrico: 1. La dirección de la línea del campo en cualquier punto es la misma que la dirección en la que se movería una carga positiva si estuviera colocada en ese punto. 2. La separación entre las líneas del campo debe ser tal que estén más cercanas cuando el campo sea fuerte y más alejadas cuando el campo sea débil. Siguiendo estas reglas generales es posible construir líneas del campo eléctrico. Como consecuencia de la forma en que se trazan las líneas eléctricas siempre saldrán cargas positivas y entrarán cargas negativas. Ninguna línea puede originarse o terminar en el espacio, aunque un extremo de una línea eléctrica puede extenderse hasta el infinito. Ley de Gauss Para cualquier distribución de carga podemos dibujar un número infinito de líneas eléctricas. Es claro que si la separación entre las líneas será una indicación estándar de la intensidad del campo, debemos establecer un límite al número de líneas trazadas para cada situación. Por ejemplo, consideremos las líneas del campo dirigidas radialmente hacia fuera a partir de una carga puntual positiva (véase la figura 24.10). Usaremos la letra N para representar el número de líneas trazadas. Ahora imaginemos que una superficie esférica rodea la carga puntual a una distancia r de la carga. La intensidad del campo en cualquier punto de una esfera así estaría dada por E=kq/r² Partiendo de la forma en que se trazan las líneas del campo también podemos decir que el campo en una pequeña porción de su área AA es proporcional al número de líneas AN que penetran en esa área. En otras palabras, la densidad de líneas del campo (líneas por unidad de área) es directamente proporcional a la intensidad del campo. Simbólicamente, El subíndice n indica que el campo es normal al área superficial en todas partes. Esta proporcionalidad siempre es válida, independientemente del número total de líneas N que se pueden trazar. Sin embargo, una vez que se elige una constante de proporcionalidad para la ecuación , se establece automáticamente un límite para el número de líneas que pueden trazarse en cada situación. Se ha encontrado que la elección más conveniente para esta constante de espaciamiento es e₀. Esto se conoce como permitividad del espacio libre y se define mediante la expresión donde k = 9 X 10ᶺ9 N • m2/C² de la ley de Coulomb. La elección de ϵ₀ como la constante de proporcionalidad ha dado por resultado que el número total de líneas que pasan normalmente a través de una superficie es numéricamente igual a la carga contenida dentro de la superficie. Aunque este resultado se obtuvo usando una superficie esférica, se aplicará a cualquier otra superficie. El planteamiento más general de ese resultado se conoce como ley de Gauss: El número total de líneas de fuerza eléctricas que cruzan cualquier superficie cerrada en dirección hacia fuera es numéricamente igual a la carga neta total contenida dentro de esa superficie. La ley de Gauss se utiliza para calcular la intensidad del campo cerca de las superficies de carga. Esto representa una clara ventaja sobre los métodos desarrollados anteriormente debido a que las ecuaciones anteriores se aplican sólo a cargas puntuales. La mejor forma de entender la aplicación de la ley de Gauss es mediante ejemplos. Objetivos: 1. Estudiar el campo eléctrico generado por una carga puntual, y un dipolo eléctrico mediante un applet. Materiales y equipos 1. Computadora 2. Acceso a internet 3. Acceso a bibliotecas virtuales 4. Software de hoja de cálculo Procedimiento 1. Realizar una investigación documental de los siguientestemas: La carga eléctrica, ley de la conservación de la carga, conductores y aislantes, ley de coulomb, el campo eléctrico, fuerza y campo eléctrico de un dipolo, y líneas de campo eléctrico. Con tal información deberá realizar la introducción del reporte de la actividad. 2. Ingresar a un navegador de internet y teclear en la url la dirección https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and- fields_en.html 3. Seleccionar las casillas: Electric Field, Values, y Grid. Después colocar una carga de +1 nC en el centro de la zona de trabajo (área oscura). 4. Dar click en el sensor amarillo y arrastrar a la zona de trabajo 5. Arrastrar la cinta métrica que se encuentra en el lado derecho a la zona de trabajo. Realizar mediciones de la magnitud del campo eléctrico E y la distancia entre la carga que genera el campo y el punto donde se realiza la medición r. Llenar la tabla 1. 6. Realizar un gráfico de los resultados de la tabla 1 en una hoja de cálculo. Grafique los puntos de la tabla 1 en una hoja de cálculo. En el eje de las abscisas (eje x) debe graficar r y en el eje de las ordenadas (eje y) debe graficar E. 7. Realizar un ajuste de mínimos cuadrados con los datos de la tabla 2 y obtener: el valor de la pendiente, el coeficiente de correlación. Una opción para realizar el ajuste es usar Excel, https://www.youtube.com/watch?v=UCjMwKKf9zA 8. Realizar siete mediciones de la magnitud del campo E a diferentes ángulos θ. Llenar la tabla 3. 9. Colocar una carga de -1 nC a una distancia de 2 m de una carga de +1 nC. Realiza una captura de la imagen que se muestra en el applet e intégralo en el reporte de la actividad. 10. Llene la tabla 4 considerando que Q = +1 nC, k = 9(10) 11. Compare los resultados de la tabla 1 y 4. 4. Resultados de la actividad Tabla 1. Magnitud del campo eléctrico de una carga puntual (Simulación) Número de medición r [m] E[V/m] 1 1.501 4.03 2 2.004 2.26 3 2.508 1.44 4 3.003 1 5 3.506 0.73 6 4.001 0.56 7 4.505 0.44 Tabla 2. Magnitud del campo eléctrico de una carga puntual (Simulación) Número de medición ln r In E 1 0.406 1.393 2 0.695 0.815 3 0.919 0.364 4 1.099 0 5 1.254 -0.314 6 1.386 -0.579 7 1.505 -0.820 Tabla 3. Componentes del campo eléctrico de una carga puntual E [V/m] θ [Grados] Ex = E cos θ [V/m] Ey = E sin θ [V/m] 4.03 0.3 3.850 1.190 2.26 0.5 1.983 1.083 1.44 1 0.778 1.211 1 1 0.540 0.841 0.73 0.1 0.726 0.072 0.56 0.2 0.548 0.111 0.44 -0.2 0.431 -0.087 Tabla 4. Magnitud del campo eléctrico de una carga puntual (Teórico) Número de medición r [m] E(V/m) teórico 1 1.501 3.994 2 2.004 2.241 3 2.508 1.430 4 3.003 0.998 5 3.506 0.732 6 4.001 0.562 7 4.505 0.443 Tabla 5. Comparación entre la tabla 1 y 4 Número de medición r [m] E(V/m) E (teórico) Error absoluto 1 1.501 4.03 3.994 0.036 2 2.004 2.26 2.241 0.019 3 2.508 1.44 1.430 0.01 4 3.003 1 0.998 0.002 5 3.506 0.73 0.732 -0.002 6 4.001 0.56 0.562 -0.002 7 4.505 0.44 0.443 -0.003 Una carga de -1 nC a una distancia de 2 m de una carga de +1 nC Cuestionario 1. ¿Cuáles son las unidades de medida de la fuerza eléctrica y el campo eléctrico en el SI? La unidad del campo eléctrico en el SI es Newton por Coulomb y Voltio por metro. ¿Con cuales letras se representan estas magnitudes? Newton por Culombio (N/C) y Voltio por metro es representado por (V/m). 2. ¿Cuál es la diferencia entre el campo y la fuerza eléctricos? El campo es el medio no sustancial a través del cual los cuerpos cargados interactúan mediante una magnitud vectorial, mientras que la fuerza Eléctrica es la fuerza aplicada sobre un cuerpo de carga "q”. 3. ¿Cuál es la naturaleza de la fuerza y el campo eléctrico? ¿Son magnitudes escalares o vectoriales? Estos se pueden definir como sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica, siendo magnitudes vectoriales pues están caracterizados por tres números que se denominan componentes o coordenadas del vector. 4. ¿La magnitud del campo eléctrico es proporcional a la distancia o inversamente proporcional? Explique su respuesta Esta es inversamente proporcional, y para ello nos podemos basar en la ley de Coulomb. La cual dice “La magnitud de cada una https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad de las fuerzas eléctricas con las que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une” 5. ¿Cuál es la relación entre la pendiente del paso 7 con el exponente de r en el modelo de la ecuación del paso 10? En que tanto el exponente del modelo de la ecuación en el paso 10 y la pendiente del paso 7 tienen como relación, el numero 2. 6. ¿En qué dirección apunta el campo eléctrico generado por una carga puntual negativa? ¿Hacia la carga o fuera de la carga? La dirección del campo eléctrico apunta hacia adentro 7. ¿Cuál es la relación entre la fuerza y el campo eléctrico? la relación entre la fuerza y el campo eléctrico es que una carga en el seno de un campo eléctrico E experimenta una fuerza proporcional al campo cuyo módulo es F=qE, 8. ¿Cuál es el significado de componente del campo eléctrico? Es la interacción que existe entre los cuerpos con carga eléctrica, la cual se comprende del nivel de electricidad que contienen los cuerpos estos dependiendo de la carga que posean. 5. Análisis de los resultados En base a la utilidad de applet rellenamos la tabla 1, ya que era más sencillo porque ahí mismo nos proporciona los datos para completar la tabla. Para la tabla 2, nos basamos en la tabla 1. De acuerdo con los valores de r y E, obtuvimos el logaritmo de cada uno. Para la tabla 3, utilizamos los grados que nos menciona en applet, al poner el sensor a la distancia correspondiente. Obtuvimos los ángulos seno y coseno, éstos multiplicados por E. Para la tabla 4, ocupamos los mismos valores de r de la tabla 1. Los valores de e E teórico, se sacaron de acuerdo a la fórmula que nos presentan. Los valores de la E son menores que el de la tabla 1. Para la tabla 5, solo obtuvimos el error absoluto, es decir, la E [V/M]- E teórico, nos dimos cuenta que la diferencia no es mucha entre ambas, ya que applet nos sirve de mucho para esos cálculos. Como vimos la diferencia no es mucha, solo es por los decimales, pero sí coinciden en gran parte. 6. Conclusión Sabemos que el campo eléctrico es importante en la vida diaria o cotidiana ya que con ello se han podido hacer nuevas innovaciones en el ámbito tecnológico. ¿Qué nos ha pasado a veces? Nuestra piel actúa como un capacitor de cargas, acumulando en la misma cargas estáticas y al entrar en contacto con una masa se produce la descarga que puede hasta formarse un arco voltaico que vemos como chispazo. Estos fenómenos se aprecian mucho en invierno que al usar ropa de lana o nylon, al movilizarnos y por frotación se produce la carga de las mismas y se transmiten a la piel, como estamos con calzados de gomas que nos aíslan eléctricamente a la gran masa terrestre entonces, cuando entramos en contacto con un cuerpo relativamente más descargado que el nuestro este último actúa de masa eléctrica y le transferimos dicha carga en forma abrupta. Éste puede ser un ejemplo de cómo la electricidad y la electrostática están presentes. 7. Fuentes de información i i Tippens, P. & Ruiz, A. (2011). Física: conceptos y aplicaciones. Mexico, D.F: 2McGraw-Hill Interamericana. 3Serway, R. & Jewett. (2007). Física para ciencias e ingenierías Vol. 2. 7e. Mexico, 4México: Cengage Learning Editores S.A. de C.V. 5Resnick,R., Halliday, D. & Krane, K. (1993). Física. México: Compañía Editorial 6Continental, S.A. 7Young, H., Freedman, R., Flores, V. & Sears, F. (2009). Física universitaria. México: Addison-Wesley. 8colaboradores de Wikipedia. (2020c, septiembre 26). Dipolo eléctrico. Wikipedia, la enciclopedia libre. 9colaboradores de Wikipedia. (2020c, septiembre 6). Aislamiento eléctrico. Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/wiki/Aislamiento_el%C3%A9ctrico 10colaboradores de Wikipedia. (2020f, octubre 13). Conductor eléctrico. Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico#:%7E:text=Un%20condu ctor%20el%C3%A9ctrico%20es%20un,de%20un%20%C3%A1tomo%20a%20otro https://es.wikipedia.org/wiki/Aislamiento_el%C3%A9ctrico
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