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Capítulo 23. Fuerza Capítulo 23. Fuerza eléctrica eléctrica Presentación PowerPoint de Presentación PowerPoint de Joaquín E. Borrero Visbal, Joaquín E. Borrero Visbal, Profesor de Física Profesor de Física I.E.T.D. “HELENA DE CHAUVIN” I.E.T.D. “HELENA DE CHAUVIN” 2010

Capítulo 23. Fuerza eléctrica

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Capítulo 23. Fuerza eléctrica. Presentación PowerPoint de Joaquín E. Borrero Visbal , Profesor de Física I.E.T.D. “HELENA DE CHAUVIN”. 2010. Objetivos: Después de terminar esta unidad deberá:. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Capítulo 23. Fuerza Capítulo 23. Fuerza eléctricaeléctrica

Presentación PowerPoint dePresentación PowerPoint deJoaquín E. Borrero Visbal, Profesor de Joaquín E. Borrero Visbal, Profesor de

FísicaFísicaI.E.T.D. “HELENA DE CHAUVIN”I.E.T.D. “HELENA DE CHAUVIN”

2010

Page 2: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Objetivos: Después de Objetivos: Después de terminar esta unidad terminar esta unidad deberá:deberá:

• Explicar y demostrar la Explicar y demostrar la primera ley de la primera ley de la electrostáticaelectrostática y discutir la carga por y discutir la carga por contacto contacto y y por por induccióninducción..

• Escribir y aplicar la Escribir y aplicar la ley de ley de CoulombCoulomb y aplicarla a y aplicarla a problemas que involucran problemas que involucran fuerzas eléctricas.fuerzas eléctricas.

• Definir el Definir el electrónelectrón, el , el coulombcoulomb y el y el microcoulombmicrocoulomb como como unidades de carga eléctrica.unidades de carga eléctrica.

Page 3: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Carga eléctricaCarga eléctricaCuando una barra de caucho se frota con piel, se remueven Cuando una barra de caucho se frota con piel, se remueven electrones de la piel y se depositan en la barra.electrones de la piel y se depositan en la barra.

Se dice que la barra se Se dice que la barra se cargó negativamentecargó negativamente debido a debido a un un excesoexceso de electrones. Se dice que la piel se de electrones. Se dice que la piel se cargó cargó positivamentepositivamente debido a una debido a una deficienciadeficiencia de electrones. de electrones.

Los electrones Los electrones se mueven de se mueven de la piel a la la piel a la barra de barra de caucho.caucho.

positivonegativo

+ + + +

--

--

PielPiel

CauchoCaucho

Page 4: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Vidrio y sedaVidrio y sedaCuando una barra de vidrio se frota con seda, se Cuando una barra de vidrio se frota con seda, se remueven electrones del vidrio y se depositan en la seda.remueven electrones del vidrio y se depositan en la seda.

Se dice que el vidrio está Se dice que el vidrio está cargado positivamente cargado positivamente debido a debido a una una deficienciadeficiencia de electrones. Se dice que la seda está de electrones. Se dice que la seda está cargada negativamentecargada negativamente debido a un debido a un excesoexceso de electrones. de electrones.

Los electrones Los electrones de mueven del de mueven del vidrio a la vidrio a la seda.seda.

positivo

negativo- - - -

+ +

+ +

seda

vidrio

Page 5: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

El electroscopioEl electroscopio

Electroscopio de esferas de médula

de saúco

Electroscopio de hoja de oro

Aparatos de laboratorio que se usan para estudiar la existencia de dos tipos de carga eléctrica.

Page 6: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Dos cargas negativas se Dos cargas negativas se repelenrepelen

1. Cargue la barra de caucho al frotarla con piel.1. Cargue la barra de caucho al frotarla con piel.

2. Transfiera electrones de la barra a cada esfera.2. Transfiera electrones de la barra a cada esfera.

Dos cargas negativas se repelen mutuamente.

Page 7: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Dos cargas positivas se Dos cargas positivas se repelenrepelen

1. Cargue la barra de vidrio al frotarla con seda.1. Cargue la barra de vidrio al frotarla con seda.

2. 2. Toque las esferas con la barra. Los electrones libres en las Toque las esferas con la barra. Los electrones libres en las esferas se mueven para llenar los vacíos en la seda, lo que esferas se mueven para llenar los vacíos en la seda, lo que deja a cada esfera con deficiencia. (Se cargan deja a cada esfera con deficiencia. (Se cargan positivamente.)positivamente.)

Las dos cargas positivas se repelen mutuamente.Las dos cargas positivas se repelen mutuamente.

Page 8: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Los dos tipos de cargaLos dos tipos de carga

piel

caucho

Atracción

Note que la esfera cargada negativamente Note que la esfera cargada negativamente (verde)(verde) es es atraídaatraída por la esfera cargada positivamente por la esfera cargada positivamente (roja)(roja)..

¡Cargas opuestas se atraen!

seda

vidrio

Page 9: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Primera ley de la Primera ley de la electrostáticaelectrostáticaCargas iguales se repelen;cargas opuestas se atraen.

NegNeg PosNegPosPos

Page 10: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Carga por contactoCarga por contacto1. 1. Tome un electroscopio descargado, como se muestra abajo.Tome un electroscopio descargado, como se muestra abajo.2. 2. Ponga una barra cargada negativamente en contacto con la Ponga una barra cargada negativamente en contacto con la perilla.perilla.

3. Los electrones se mueven 3. Los electrones se mueven porpor la hoja y el eje, lo que la hoja y el eje, lo que hace que se separen. Cuando la barra se retira, el hace que se separen. Cuando la barra se retira, el electroscopio permanece cargado electroscopio permanece cargado negativamentenegativamente..

--- ---

- - -

------

--- - -

Page 11: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Cargue el electroscopio Cargue el electroscopio positivamente mediante positivamente mediante

contacto con una barra de contacto con una barra de vidrio:vidrio:

+++

+++ ++

++++++

++

+

+++

Repita los procedimientos usando una barra de vidrio cargada positivamente. Los electrones se mueven desde la esfera para llenar la deficiencia en el vidrio, lo que deja el electroscopio con una carga neta positiva cuando se retira el vidrio.

Page 12: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Carga de esferas por Carga de esferas por induccióninducción

--- - -

Esferas no cargadas Separación de carga--- - -

Aislamiento de esferas

Cargadas por inducción

----

++++

----

++++ +

++ +

--

- -

Inducción

Electrones Electrones repelidosrepelidos

Page 13: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Inducción para una sola Inducción para una sola esferaesfera

--- - -

Esfera no cargada Separación de carga

Los electrones se mueven a tierra

Cargada por inducción

++

+ +

Inducción

----

--- - -

++++

----

- - - -

----

++++

----

Page 14: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

La cantidad de cargaLa cantidad de cargaLa La cantidad de cargacantidad de carga (q)(q) se puede definir en se puede definir en términos del número de electrones, pero el términos del número de electrones, pero el Coulomb (C)Coulomb (C) es una mejor unidad para trabajo es una mejor unidad para trabajo posterior. La siguiente puede ser una posterior. La siguiente puede ser una definición definición temporaltemporal::

Coulomb: 1 C = 6.25 x 1018 electrones

Esto significa que la carga en un solo electrón Esto significa que la carga en un solo electrón es:es:

1 electrón: e- = -1.6 x 10-19 C

Page 15: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Unidades de cargaUnidades de cargaEl El coulombcoulomb (que se selecciona para usar (que se selecciona para usar con corrientes eléctricas) en realidad es con corrientes eléctricas) en realidad es una una unidad muy grandeunidad muy grande para electricidad para electricidad estática. Por ende, con frecuencia es estática. Por ende, con frecuencia es necesario usar los prefijos métricos.necesario usar los prefijos métricos.

1 C = 1 x 10-6 C 1 nC = 1 x 10-9 C

1 pC = 1 x 10-12 C

Page 16: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 1.Ejemplo 1. Si Si 16 millones16 millones de de electrones se remueven de una electrones se remueven de una esfera neutral, ¿cuál es la carga en esfera neutral, ¿cuál es la carga en coulombs sobre la esfera?coulombs sobre la esfera?1 electrón: e- = -1.6 x 10-19 C -19

6 --

-1.6 x 10 C(16 x 10 e )1 e

q

q = -2.56 x 10-12 C

Dado que se Dado que se remuevenremueven electrones, la carga que electrones, la carga que permanece sobre la esfera será permanece sobre la esfera será positiva.positiva.

Carga final sobre la esfera: q = +2.56 pC

+ + + + + + + + + +

+ +

+ +

Page 17: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ley de CoulombLey de CoulombLa 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 entre ellas.

Fr

FF

q

q q’

q’- +

- -

2

'qqFr

Page 18: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Cálculo de fuerza eléctricaCálculo de fuerza eléctricaLa constante de proporcionalidad La constante de proporcionalidad k k para la para la ley de ley de CoulombCoulomb depende de la elección de las unidades depende de la elección de las unidades para carga.para carga.

Cuando la carga Cuando la carga qq está en está en coulombscoulombs, la distancia , la distancia r r en en metrosmetros y la fuerza y la fuerza F F en en newtonsnewtons, se tiene:, se tiene:

2 29

2

N m9 x 10' C

Frkqq

qqFrk

rqkqF

2

2 donde

Page 19: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 2.Ejemplo 2. Una carga de –5 Una carga de –5 C se C se coloca a 2 de una carga de +3 coloca a 2 de una carga de +3 C. C. Encuentre la fuerza entre las dos Encuentre la fuerza entre las dos cargas.cargas.

- +2 mm

+3 C-5 Cq q’Dibuje y marque lo

dado en la figura: rF

2

29 -6 -6Nm

C2 -3 2

(9 x 10 )( 5 x 10 C)(3 x 10 C'(2 x 10 m)

kqqFr

F = 3.38 x 104 N; atracción

Nota: Los signos se usan SÓLO para determinar la dirección de la fuerza.

Page 20: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Estrategias para resolución Estrategias para resolución de problemasde problemas

1. 1. Lea, dibuje y etiquete un bosquejo que muestre toda la Lea, dibuje y etiquete un bosquejo que muestre toda la información dad en información dad en unidades SIunidades SI apropiadas. apropiadas.

2. No confunda el signo de la carga con el signo 2. No confunda el signo de la carga con el signo de las fuerzas. de las fuerzas. Atracción/repulsiónAtracción/repulsión determina determina la dirección (o signo) de la fuerza.la dirección (o signo) de la fuerza.

3. 3. La La fuerza resultantefuerza resultante se encuentra al considerar la se encuentra al considerar la fuerza debida a cada carga fuerza debida a cada carga independientementeindependientemente. . Revise el módulo acerca de Revise el módulo acerca de vectoresvectores, de ser necesario., de ser necesario.

4. Para fuerzas en equilibrio: 4. Para fuerzas en equilibrio: FFxx = 0 = = 0 = FFyy = 0. = 0.

Page 21: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 3.Ejemplo 3. Una carga de Una carga de –6 –6 CC se coloca a se coloca a 4 cm4 cm de una carga de de una carga de +9 +9 CC. ¿Cuál es la fuerza . ¿Cuál es la fuerza resultante sobre una carga de resultante sobre una carga de –5 –5 CC que se ubica que se ubica a medio camino entre las primeras cargas?a medio camino entre las primeras cargas?

- +2 cm

+9 C-6 Cq1 q2r2

2 cm

-r1

1. Dibuje y etiquete.1. Dibuje y etiquete.

q32. Dibuje fuerzas.2. Dibuje fuerzas. F2

F1

1 nC = 1 x 101 nC = 1 x 10-9-9 C C

3. Encuentre 3. Encuentre resultante; derecha resultante; derecha es positivo.es positivo.

9 -6 -61 3

1 2 21

(9 x 10 )(6 x 10 )(5 x 10 ) ;(0.02 m)

kq qFr

FF11 = = 675 N675 N

9 -6 -62 3

2 2 21

(9 x 10 )(9 x 10 )(5 x 10 ) ;(0.02 m)

kq qFr

FF22 = = 1013 N1013 N

Page 22: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 3.Ejemplo 3. (Cont.) Note que la (Cont.) Note que la dirección (signo) de las fuerzas se dirección (signo) de las fuerzas se encuentra de encuentra de atracción-repulsiónatracción-repulsión, no , no de + o – de la carga.de + o – de la carga.

- +2 cm

+9 C-6 Cq1 q2r2

2 cm

-r1

q3F2

F1

FF11 = = 675 N675 NFF22 = = 1013 N1013 N

++

La fuerza resultante es la suma de cada fuerza La fuerza resultante es la suma de cada fuerza independiente:independiente:

FFRR = = FF11 + F + F22 = = 675 N + 1013 675 N + 1013 N;N;

FR = +1690 N

Page 23: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 4. Ejemplo 4. Tres cargas, Tres cargas, qq11 = = +8 +8 CC, , qq22 = = +6 +6 CC y y qq33 = -4 = -4 CC se ordenan como se se ordenan como se muestra abajo. Encuentre la fuerza muestra abajo. Encuentre la fuerza resultante sobre la carga de resultante sobre la carga de –4 –4 CC debida debida a las otras.a las otras.

Dibuje Dibuje diagrama de cuerpo diagrama de cuerpo librelibre..

-53.1o

-4 Cq3

F1

F2

Note que las Note que las direccionesdirecciones de las fuerzas F de las fuerzas F1 1 y Fy F22 sobre sobre qq33 se basan en atracción/repulsión de se basan en atracción/repulsión de qq1 1 y y qq22. .

+ -

4 cm

3 cm

5 cm

53.1o

+6 C

-4 C

+8 Cq1

q2

q3

+

Page 24: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 4 (Cont.)Ejemplo 4 (Cont.) A continuación A continuación encuentre las fuerzas encuentre las fuerzas FF11 yy F F22 a partir de la a partir de la ley de Coulomb. Tome los datos de la ley de Coulomb. Tome los datos de la figura y use unidades SI.figura y use unidades SI.

9 -6 -6

1 2

(9 x 10 )(8 x 10 )(4 x 10 )(0.05 m)

F

F1 = 115 N, 53.1o S del O

9 -6 -6

2 2

(9 x 10 )(6 x 10 )(4 x 10 )(0.03 m)

F

F2 = 240 N, oeste

1 3 2 31 22 2

1 2

; kq q kq qF Fr r

Por tanto, se necesita encontrar la Por tanto, se necesita encontrar la resultante resultante de dos fuerzas:de dos fuerzas:

+ -

4 cm

3 cm

5 cm

53.1o

+6 C

-4 C

+8 Cq1

q2

q3

F2

F1

+

Page 25: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 4 (Cont.)Ejemplo 4 (Cont.) Encuentre los Encuentre los componentes de las fuerzas componentes de las fuerzas FF11 yy F F22 (revise (revise vectores).vectores).

53.1o- -4 C

q3

F1= 115 N

F1y

F1xFF1x1x = - = -(115 N) cos 53.1(115 N) cos 53.1oo = =

- 69.2 N- 69.2 NFF1y1y = - = -(115 N) sen 53.1(115 N) sen 53.1oo = =

- 92.1 N- 92.1 NAhora observe la fuerza FAhora observe la fuerza F22::

FF2x2x = = -240 N; F-240 N; F2y2y = 0 = 0 RRxx = =FFxx ; R ; Ry y = = FFyy

RRxx = – 69.2 N – 240 N = -309 N = – 69.2 N – 240 N = -309 N

RRyy = -69.2 N – 0 = -69.2 N = -69.2 N – 0 = -69.2 N

F2

240 N

Rx= -92.1 N

Ry= -240 N

Page 26: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 4 (Cont.)Ejemplo 4 (Cont.) Ahora encuentre la Ahora encuentre la resultante R de los componentes Fresultante R de los componentes Fxx y F y Fyy. . (revise vectores).(revise vectores).

Rx= -309 N Ry= -69.2 N- -4 C

q3

Ry = -69.2 N

Rx = -309 NR

Ahora se encuentra la resultanteAhora se encuentra la resultanteR,R,::

y2 2

x

R; tan =

Rx yR R R

2 2(309 N) (69.2 N) 317 NR

R = 317 NPor tanto, la magnitud Por tanto, la magnitud de la fuerza eléctrica es:de la fuerza eléctrica es:

Page 27: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Ejemplo 4 (Cont.)Ejemplo 4 (Cont.) La fuerza La fuerza resultante es resultante es 317 N317 N. Ahora es . Ahora es necesario determinar el ángulo o necesario determinar el ángulo o direccióndirección de esta fuerza. de esta fuerza.

2 2 317 Nx yR R R

y

x

R 309 NtanR -69.

2 N

-69.2 N

--309 NR

-62.9 N

O, el ángulo polar O, el ángulo polar es: es: = 1800 + 77.40 = 257.40

El ángulo de referencia es: El ángulo de referencia es: = 77.40 S del O

Fuerza resultante: R = 317 N, = 257.40

Page 28: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

Resumen de fórmulas:Resumen de fórmulas:Cargas iguales se repelen; cargas iguales se atraen.

1 electrón: e- = -1.6 x 10-19 C

1 C = 1 x 10-6 C 1 nC = 1 x 10-9 C

1 pC = 1 x 10-12 C

29

2

N m9 x 10C

k 2

'kqqFr

Page 29: Capítulo 23. Fuerza eléctrica

CONCLUSIÓN: Capítulo 23CONCLUSIÓN: Capítulo 23Fuerza eléctricaFuerza eléctrica