Fuerza eléctrica

UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE INGENIERÍA ÁREA DE FÍSICA

CARRERAS: INGENIERÍAS        Segundo semestre 2022

Fuerza eléctrica

1°) Revisión del concepto de fuerza considerando un modelo mecánico análogo al de un modelo eléctrico

Cuando se estudia la interacción de los cuerpos debido a sus masas gravitacionales, se encuentra que cada uno de ellos ejerce una fuerza de atracción gravitacional.

m = m1 + m2[pic 1]

m1[pic 2]

x[pic 3][pic 4][pic 5]

La magnitud de la fuerza de gravedad es (fórmula no utilizada en Física General)

| 𝐹→

M, m

𝑀 𝑚

| = G   𝑟2[pic 6]

= m g

G: constante de gravitación universal

De la ecuación anterior:

1. ¿Es posible calcular el peso de un cuerpo?

1. ¿Es posible analizar la aceleración de gravedad g ?

Respuesta

1. Recordar que el peso de un cuerpo es la magnitud de la fuerza de gravedad. Entonces, si el cuerpo con masa M representa a la Tierra y m a un cuerpo en la Tierra, se tiene

peso =  | 𝐹→

M, m

𝑀 𝑚

|        ===> peso = G 𝑟2[pic 7]

(1)

b ) Para analizar información (contenida en un sistema, en una magnitud física, etc.) es útil procesarla, es decir, mostrarla de manera conveniente.

Puesto que el peso de un cuerpo es mg, se tiene en (1):

m g = G

𝑀 𝑚

[pic 8]

𝑟2

Entonces

𝐺 𝑀

g =        ,        R: distancia al centro de gravedad de la Tierra[pic 9]

𝑟2

Análisis de la aceleración de gravedad

La aceleración de gravedad no es constante: disminuye a medida que nos alejamos de la Tierra. Si la Tierra implotara, su radio tendería a cero y su atracción gravitacional aumentaría considerablemente (efecto de agujero negro)

Interpretación

Un cuerpo no será afectado gravitacionalmente por la tierra cuando

𝑟2   >> GM ≈        4 x 1014[m] ===> r >> 2x107 [m]

2°) Modelo para la fuerza eléctrica

𝐺 𝑀

𝑟2      << 1, es decir, cuando[pic 10]

En forma equivalente se sabe empíricamente que al frotar cuerpos, éstos pueden atraer o repeler a otros cuerpos. Debido a que los antiguos griegos descubrieron este fenómeno frotando barras de ámbar (elektron) contra pieles u otras superficies, se denominó carga eléctrica q a la característica de los cuerpos que permite esta interacción de atracción o repulsión (tal como se llama masa gravitacional m a la característica de los cuerpos que permite la atracción gravitacional). En el sistema internacional de unidades las cargas eléctricas se miden en Coulomb [C].Consecuentemente, la interacción debido a las cargas eléctricas recibió el nombre de fuerza eléctrica.

[pic 11]

[pic 12]

Evidencia[pic 13]

Existen dos tipos de carga eléctrica que se identifican asignándoles signo positivo o signo negativo ( cargas positivas y negativas). Las cargas de igual signo se repelen y las de distinto signo se atraen

Fuerza de atracción

q1 < 0        q2 > 0[pic 14]

+        𝐹→21        𝐹→12        + +

- -        - +

Fuerza de repulsión

q1 < 0        q3 < 0[pic 15]

+        𝐹→31        𝐹→13        + -

- -        - -

Carga eléctrica en los átomos o estructura base de la materia

Desde un punto de vista eléctrico, los átomos se pueden considerar como estructuras constituidas por la misma cantidad de partículas positivas y negativas, y partículas eléctricamente neutras (el átomo de hidrogeno carece de partículas neutras). Los átomos no perturbados son eléctricamente neutros. En esta perspectiva, tales estructuras se pueden considerar como esferas conteniendo un núcleo formado por partículas con carga positiva (protones) y partículas sin carga eléctrica (neutrones). Alrededor del núcleo giran partículas con carga negativa (electrones). Aunque esta imagen simplista de los átomos no es una representación fidedigna, sirve para estudiar fenómenos eléctricos.

Átomo de helio: dos electrones, dos protones, uno o dos neutrones

Los átomos no perturbados son neutros

[pic 16][pic 17][pic 18][pic 19]

Principios de la electricidad

1. Principio de conservación de la carga

En un sistema cerrado (no entra ni sale carga), la carga se conserva

1. Principio de cuantización de la carga

El valor de la carga eléctrica de cualquier partícula o cuerpo conocido siempre es un múltiplo de la carga de un electrón o de un protón

Observación

Dado que los electrones y protones tienen la misma magnitud de carga |qe|, el principio (2 ) establece que la unidad de carga es la magnitud de la carga de un electrón

...