ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

Los fenómenos ligados a la electricidad y al magnetismo, han sido observados y estudiados desde hace muchos siglos. No obstante ello, las leyes fundamentales que rigen estos fenómenos fueron descubiertas en el siglo pasado.

Existen muchas razones para estudiar en este curso las fuerzas eléctricas y magnéticas. Éstas forman parte de las denominadas Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza y son responsables de la existencia de átomos, moléculas y, consecuentemente, de las propiedades químicas y estructurales de la materia.

La electricidad y el magnetismo, estrechamente ligados entre sí, son responsables de la radiación electromagnética, incluidas las ondas de radio, los rayos X y la luz. Resulta evidente, entonces, la importancia del conocimiento de los fundamentos de la electricidad y del magnetismo.

Esta parte del programa está compuesta por tres bolillas. En la primera de ellas estudiaremos fenómenos asociados con cargas eléctricas en reposo (Electrostática), en la segunda introduciremos el concepto de corriente eléctrica y teoría de circuitos eléctricos, finalmente en la última bolilla se estudia el magnetismo y se introducen los conceptos básicos del electromagnetismo.

ELECTROSTÁTICA

La electrostática es la parte de la física que estudia las cargas eléctricas en reposo.

Experiencias simples demuestran que existen dos tipos de cargas eléctricas, según la convención propuesta por Franklin en el siglo XVIII, denominadas cargas positivas y cargas negativas. Cargas de igual signo se repelen, y cargas de distinto signo se atraen.

La materia está compuesta por átomos, que en un modelo simplificado podemos suponer formado por un núcleo cargado positivamente y electrones que giran a su alrededor cargados negativamente. Los electrones son retenidos debido a la fuerza de atracción que lo liga al núcleo.

Dos propiedades fundamentales de las cargas eléctricas son las siguientes:

• La carga eléctrica esta cuantizada, esto significa que cualquier valor de carga es un múltiplo de la carga fundamental (carga del electrón).

• La carga eléctrica se conserva. En cualquier proceso físico la carga eléctrica total permanece constante.

FUERZAS ELÉCTRICAS. LEY DE COULOMB

Ley de Coulomb: la fuerza eléctrica entre dos cargas es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

De este modo dada dos cargas eléctricas, como las representadas en la figura, el vector fuerza eléctrica tiene las siguientes características:

Módulo:

Dirección: recta por q1, q2.

Sentido: cargas de igual signo se repelen,

cargas de distinto signo se atraen.

La expresión vectorial de la Ley de Coulomb es:

En el sistema internacional la unidad para la carga eléctrica es el Coulomb (C) y la constante K es 9 x 109 Nt m2 C-2 .

EL CAMPO ELÉCTRICO

Se denomina campo eléctrico a la región del espacio en donde una carga de prueba q experimenta una fuerza eléctrica. Por ejemplo, en la vecindad de una carga (carga Q, fuente) cualquier otra carga (carga q, de prueba) experimentará una fuerza eléctrica. Decimos que Q genera un campo eléctrico a su alrededor.

Si F simboliza la fuerza sobre la carga q, la intensidad del campo eléctrico en el punto P donde se encuentra la carga es, por definición:

Si el campo eléctrico es generado por una carga Q, utilizando la Ley de Coulomb concluimos que a una distancia r de la carga, el campo es:

Líneas de Campo Eléctrico: en la figura siguiente se representa el campo eléctrico debido a una carga positiva.

Las líneas (denominadas líneas de campo eléctrico o líneas de fuerza), son líneas imaginarias y tienen como objetivo una representación visual del campo eléctrico en una región del espacio. Sus propiedades más importantes son:

• La densidad de líneas de fuerza es proporcional a la intensidad del campo eléctrico.

• En un punto de una línea, la tangente a la misma coincide con la dirección del campo eléctrico en este punto.

• Se asigna un sentido a cada línea. El sentido de la línea, complementando la propiedad anterior, determina el sentido del campo eléctrico en un punto de la línea. Podemos imaginar que las líneas parten de las cargas positivas y arriban a las cargas negativas.

En las figuras siguientes se representan, respectivamente, el campo eléctrico debido a un dipolo eléctrico (dos cargas de igual valor y distinto signo) y debido a un plano cargado uniformemente.

POTENCIAL ELÉCTRICO

La fuerza eléctrica, del mismo modo que la fuerza gravitatoria, es una fuerza conservativa. Siguiendo el análisis del problema gravitacional, podemos definir la Energía Potencial Eléctrica de un sistema de cargas.

Energía Potencial Eléctrica (UE) de una dada configuración de cargas, es el trabajo que debe realizarse para traer las cargas, a velocidad constante, desde el infinito (UE = 0) hasta la posición que ocupan.

Se puede demostrar que la Energía Potencial Eléctrica en el caso de dos cargas puntuales separadas una distancia r es:

Se define Potencial Eléctrico (V) debido a la carga Q en el punto P (donde se encuentra la carga de prueba q) a la Energía Potencia Eléctrica por unidad de carga:

La unidad del potencial es el volt: 1 volt = 1 joule/ 1 coulomb.

Para el caso de una carga puntual el potencial a una distancia r es:

El potencial en un punto debido a un conjunto n de cargas puntuales es:

ri es la distancia entre la carga qi y el punto donde se calcula el potencial.

Relación entre el campo eléctrico y el potencial eléctrico. Gradiente de Potencial.

En la figura se representa

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