WebQuest - Unidad V - Física

Actividad 1.

Concepto de electroestática:

- Es el área de la física que se encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo.

- Es la rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica.

- La electrostática describe los fenómenos que tienen lugar en sistemas donde distribuciones de carga eléctrica mantienen su localización invariante en el tiempo.

Actividad 2

Carga eléctrica:

Es la propiedad de los cuerpos que toman parte en las interacciones eléctricas, también  interactúan entre sí manifestándose mediante efectos dinámicos (Atracciones y repulsiones) que permiten distinguir dos clases de carga (positiva y negativa).

Estructura de los átomos:

La estructura de los átomos se describe en término de tres partículas:

-         El electrón con carga negativa

e=1.6×10[C], m=9.109×10[kg]

-         El protón cuya carga es positiva

q=e=1.6×10[C], m=1.673×10[kg]

-         El neutrón sin carga

q=0[C], m=1.673×10[kg]

Propiedades de la carga eléctrica:

1.     Las cargas de signos diferentes se atraen unas a otras y cargas de signos iguales se rechazan o repelen.

2.     La fuerza de atracción o repulsión entre las cargas varía con el inverso al cuadrado de su distancia de separación.

3.     La carga se conserva: Esto de acuerdo a la ley de conservación de la materia y la energía.

4.     La carga esta cuantizada: esto es que posee valores unitarios ya predispuestos.

Actividad 3

Leyes de la Electroestática:

a.    August Coulomb :

(Angulema, Francia, 1736-París, 1806) Físico francés. Su delebridad se basa sobre todo en que enunció la ley física que lleva su nombre (ley de Coulomb), que establece que la fuerza existente entre dos cargas eléctricas es proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Las fuerzas de Coulomb son unas de las más importantes que intervienen en las reacciones atómicas.

También realizó investigaciones sobre las fuerzas de rozamiento, y sobre molinos de viento, así como también acerca de la elasticidad de los metales y las fibras de seda. La unidad de carga eléctrica del Sistema Internacional lleva el nombre de culombio (simbolizado C) en su honor.

b.    Ley de Coulomb :

Dentro del átomo esta el núcleo compuesto por protones (Carga positiva) y neutrones, y alrededor del mismo, orbitando, los electrones (carga negativa). Al ser cargas de distintos signos se atraen y los electrones se mantienen en sus órbitas debido a esas fuerzas de repulsión, girando sobre el mismo núcleo. Siendo así la ley de coulomb sirve para medir esas fuerzas de atracción o repulsión.

c.    Ejercicios:

Ejercicio 1

Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas Q1 = + 1 x 10-6 C. y Q2 = + 2,5 x 10-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.

                                                       

        

         F= {(9x10⁹Nm²/C²)*[(1x10^-6C * 2.5x10^-6C)/(.05m)²]}

         F= 9N

Ejercicio 2

Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C. y q2 = +2 x 10-5 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.

         F= {(9x10⁹Nm²/C²)*[(-1.25x10^-9C * 2x10^-5C)/(.1m)²]}

         F= -2.25x10^-2N

Ejercicio 3

Supongamos un segmento AB de 1.00 m. de longitud sobre el que se fijan dos cargas. Sobre el punto A tenemos la carga q1 =+4 x 10-6C. y sobre el punto B situamos la carga q2=+1 x 10-6C.

a) determinar la posición de una tercera carga q=+2 x10-6C colocada sobre el segmento AB de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultánea de las dos cargas dadas.

b) La posición de q, ¿depende de su valor y signo?

F_AC= {(9x10⁹Nm²/C²)*[(4x10^-6C * 2x10^-6C)/(d)²]}

F_BC= {(9x10⁹Nm²/C²)*[(1x10^-6C * 2x10^-6C)/(1-d)²]}

F_AC=F_BC

{(9x10⁹Nm²/C²)*[(4x10^-6C * 2x10^-6C)/(d)²]} = {(9x10⁹Nm²/C²)*[(1x10^-6C *

2x10^-6C)/(1-d)²]}

(4/d²) = [1/(1-d)²]

Entonces

4(1-2d+d²) = d²

Resolviendo la ecuación

4 - 8d + 4d²=d²

^­3d²8d+4 = 0

Por formula general obtenemos

[8(+/-) 4]/6

d­­­^­­­­­­­­­­₁= 2m

d­­­^­­­­­­­­­­₂ = .67m

      .67 = .33m

Actividad 4

Campo eléctrico:

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.

r es un vector unitario que va orientado hacia el punto de observación por lo tanto E también es un vector,k es la coeficiente de coulomb res la distancia al punto de observación.

La unidad es el N/C (Newton/Coulomb) o V/m (Volt/Metro).

Actividad 5

Líneas de campo eléctrico:

Son líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va variando la dirección del campo eléctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona libremente, por lo que las líneas de campo salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas.

Las propiedades de las líneas de campo se pueden resumir en:

• El vector campo eléctrico es tangente a las líneas de campo en cada punto.
• Las líneas de campo eléctrico son abiertas; salen siempre de las cargas positivas o del infinito y terminan en el infinito o en las cargas negativas.
• El número de líneas que salen de una carga positiva o entran en una carga negativa es proporcional a dicha carga.
• La densidad de líneas de campo en un punto es proporcional al valor del campo eléctrico en dicho punto.
• Las líneas de campo no pueden cortarse. De lo contrario en el punto de corte existirían dos vectores campo eléctrico distintos.
• A grandes distancias de un sistema de cargas, las líneas están igualmente espaciadas y son radiales, comportándose el sistema como una carga puntual.

Actividad 6

Potencial Eléctrico:

El Potencial Eléctrico o también llamado Diferencia de Potencial, es la cantidad de energía necesaria para efectuar el movimiento de  una particula cargada de un punto a otro.

Actividad 6.1

o   Problema 1: Si tenemos una carga Q₁= 100 C, en el vacío situada en un punto de coordenadas (2,0); calcular potencial eléctrico que se origina en el punto de coordenadas (0,2).

Solución: Teniendo como formula y como datos conocidos K = 9_x10⁹ y Q= 100_x10^-9 sólo se calcula la magnitud de  r,

r =  √2² + 2² = √8 = 2√2

Una vez obtenido ese valor, se sustituyen en la formula:

Así, encontramos el valor de 318.2 V.

o   Problema 2: Si tenemos una carga Q₂ = 50 C, en el vacío, situada en el punto de coordenadas (-2,0); calcular potencial eléctrico que se origina en el punto de coordenadas (0,2).

Solución: Teniendo como formula y como datos conocidos K = 9_x10⁹ y Q= 50_x10^-9 sólo se calcula la magnitud de  r,

r =  √2² + 2² = √8 = 2√2

Una vez obtenido ese valor, se sustituyen en la formula:

Así, encontramos el valor de 159.2 V.

o   Problema 3: En este ejercicio, haciendo uso del principio de superposición, determinar el potencial eléctrico creado por el conjunto de las dos cargas anteriores (problemas 1 y 2) en el punto (0,2).

Solución: Tomando los cálculos de los ejercicios pasados, lo que basta hacer es sumar los resultados anteriores, para obtener el potencial total:

U = U₁ + U₂ = 318,2 + 159,2 = 477,4 V

Teniendo como resultado, 477.4V de potencia.

Actividad 7

La diferencia entre un material dieléctrico o aislante y un material conductor es que el primero, no posee portadores de carga libre o en su defecto contiene un número muy reducido por unidad de volumen; el segundo puede ser cualquier sustancia que posee una gran cantidad de portadores de carga libre.

Actividad 7.1

Un condensador o capacitor es un dispositivo que almacena carga eléctrica.

Un capacitor en general está construido por dos o más conductores separados por una sustancia no conductora, lo cual hace posible que el condensador almacene una gran cantidad de energía eléctrica.

Un condensador plano consta de dos láminas metálicas llamadas armaduras, las cuales reciben el nombre de colectoras; entre ambas armaduras se coloca una sustancia aislante.

Los condensadores se pueden asociar de diferentes formas para obtener una mayor o menor capacidad, ya sea paralelo, serie o mixto.

Actividad 7.2

Asociación en Paralelo: Este tipo de asociación se realiza uniendo todas las armaduras colectoras a un mismo punto y todas las condensadoras a otro; de tal forma que el sistema funciona como un condensador único. Para determinar los parametros de se usan las siguientes formulas:

Asociación en Serie: En este tipo de asociación se coloca un condensador a continuación de otro, de tal for­ma que la placa condensadora del primero está unida a la colectora del segundo, y así sucesivamente, pero quedando libres la colectora del primero y la condensadora del último. Para determinar los parámetros de esta asociación se usan las siguientes formulas:

o   Asociación Mixta: En este tipo de asociación, dos o más condensadores suelen ir en paralelo y otro u otros en serie con los anteriores. Para calcular la capacidad de esta asociación se calcula primero la capacidad de los que van en paralelo y se supone que actúan como un solo condensador que va en serie con el resto.

Actividad 7.3

o   Problema 1: Tres condensadores de 3mF, 6mF, 9mF, se hallan conectados en serie.

ü  ¿Cuál es la capacidad equivalente del sistema?

 

 1/3 + 1/6 + 1/9 + = 11/18 = 0.6111

1/C = 11/18

18/C = 11

18/11 = C

C=1.6363

ü  ¿Cuál es la carga que almacenan cada uno de ellos cuando se conectan a 1000V?

Q= 1.6363

o   Problema2: Se tienen 3 condensadores de igual capacidad de 30nF conectados en serie a una bateria de 9V.

ü  ¿Cuál es la capacidad equivalente al sistema?

30 nF para los tres condensadores.

1/C = 1/30x10-9 + 1/30x10-9 + 1/30x10-9 = 100,000,000F
C= 1/100000000 = 1x10-8
Q = C*V
Q = 1x10-8F * 9 = 9x10-8 C Este resultado es el mismo para los tres condensadores.

ü  ¿Cuál es la caida del potencial en cada uno de los condensadores?

V = Q/C = (9x10-8 C)/(30x10-9 F) = 3V  Este resultado es el mismo para los tres condensadores.



_________________________________________

Trabajo elaborado por:

          -Corona Gallegos Yael
          -Islas Flores Juan Manuel