domingo, 15 de mayo de 2011

Introducción Histórica Carga y Materia Ley de Coulomb Campo Eléctrico

            GALILEO GALILEI                        


                                                 
SIR ISAAC NEWTON            MAXWELL                      ALBERT EISTEIN

Introducción Histórica
Es la ciencia en forma experimental que tiene por objeto el estudio de los cuerpos, sus leyes, propiedades, mientras no cambia su composición, así como  el de los agentes naturales con los fenómenos que en los cuerpos producen su influencia.
Desde un punto de vista aplicado, el campo de la física es amplio, porque se utiliza, por ejemplo, en la explicación de la aparición de propiedades emergentes, más típicas de otras ciencias como Sociología y Biología. Esto hace que la física y sus métodos se puedan aplicar y utilizar en otros campos de la ciencia y se utilicen para cualquier tipo de investigación científica.
La física es una de las Ciencias Naturales que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del hombre porque gracias a su estudio e investigación ha sido posible encontrar explicación a los diferentes fenómenos de la naturaleza, que se presentan cotidianamente en nuestra vida diaria. Como por ejemplo, algo tan común para algunas personas como puede ser la lluvia, entre muchos otros.
El recorrido histórico pretende no sólo recopilar los conceptos más importantes en el desarrollo de esta rama de la ciencia, sino además resumir en algunos ejemplos paradigmáticos cómo ocurrió la evolución de este conocimiento.
Comienza con el desarrollo de la mecánica clásica desde la antigua civilización griega, pasando por Copérnico y Galileo hasta llegar a Newton. El siguiente paso fundamental en la historia de la física lo constituye el de la unificación de los fenómenos eléctricos y magnéticos, que da lugar a la comprensión de la naturaleza de la luz. Hacia fines del siglo XIX, la física clásica, basada fundamentalmente en la mecánica desarrollada por Newton y el electromagnetismo unificado por Maxwell, había llegado a su máximo desarrollo y parecía estar completa. Según buena parte de la comunidad científica de esa época sólo eran necesarios algunos refinamientos y, sobre todo, resolver “apenas” un par de problemas abiertos. Sin embargo, para solucionar ese par de problemas sería necesario sacudir los mismos cimientos de la física clásica, originando el nacimiento de la teoría de la relatividad de Einstein y de la mecánica cuántica, ambas tratadas con cierto detalle a lo largo de este recorrido. Estas dos teorías tendrían posteriormente un efecto espectacular sobre nuestro conocimiento acerca de la estructura fundamental de la materia.
Los cambios que ocurrieron en cada una de las áreas que se describen a lo largo de la historia han sido impresionantes. En ocasiones nuevas teorías han superado por completo a las anteriores, sin que esto signifique que aquellas quedaran completamente descartadas. La física es una ciencia que se desarrolla a distintas escalas: hay descripciones que, aunque no sean perfectas, permiten entender determinados fenómenos que involucren ciertas escalas de tamaño o de energía, sin necesidad de utilizar teorías más avanzadas. En la mayoría de los casos, incluso, intentar una descripción de un cierto fenómeno con una teoría más detallada que la necesaria sería directamente infructuosa, debido al alto grado de complejidad, como la descripción de un fenómeno termodinámico en términos de la dinámica de todos los átomos que forman un sistema dado.
Gracias a esta propiedad de manifestación a distintas escalas, la física ha podido avanzar hasta el conocimiento con el que contamos hoy. Si bien las ecuaciones de Newton no son válidas para objetos a escalas atómicas o moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz, son perfectamente suficientes para explicar y predecir fenómenos que involucren objetos y energías cotidianas.

Carga y Materia:
En física, la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética.
Materia: es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, tiene una energía medible y está sujeta cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida.
LEY DE COULOMB ELECTROSTÁTICA

Diversas interacciones eléctricas donde la cuantificación de estas cargas fueron estudiadas a finales del siglo XVIII por el físico Francés:


                                 Charles Agustín Coulombdonde utilizo como recurso manipulable al momento de experimentar la balanza de torsión donde esta a su vez se describe por cargas eléctricas


NOTA: CARGAS IGUALES SE REPELAN CARGAS DIFERENTES SE ATRAEN.


video

LA BALANZA DE TORSIÓN
Este aparato consta de una esfera metálica fija y de otras dos esferas B y C unidas por una varilla delgada la cual se encuentra suspendida por su mitad de un hilo especial. Cuando por ejemplo las esferas A y B llevan cargas del mismo signo, la repulsión hace torcer el alambre de suspensión hasta que los dos momentos estáticos se equilibran.
Como resultado de sus investigaciones Coulomb llego a establecer que:

"La fuerza de atracción o repulsión que ejercen entra si dos cargas, es directamente proporcional al producto de estas cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa".



Submúltiplos y Equivalencias del Coulomb:

mC ------ 10-3Coul
µC ------ 10-6Coul
nC ------ 10-9Coul
pC ------ 10-12Coul
ftC ------ 10-15Coul
attC ------ 10-18Coul

EJEMPLOS EJERCICIOS:

Ejercicios # 1 y # 2

                                                             Ejercicio # 3
                                                   Ejercicio # 4

                                            Como se cargan los Cuerpos
Carga por fricción: se transfieren los electrones por la fricción del contacto de un material a otro. A un cuando los electrones mas internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo de carga opuesta, los mas externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad.
Carga por inducción: es aquella que no se restringe a los conductores sino que se puede presentar en todos los materiales.
Carga por contacto: es posible transferir electrones por el simple contacto o por ejemplo si se pone en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro se transferirá la carga a este.
 EN ESTE VÍDEO SE DAN LOS DIVERSOS EJEMPLOS A TRAVÉS DE UNA PRACTICA.
 
Electrón: Simbólicamente (e-)  es una partícula subatómica del tipo fermionico en un átomo de electrones que rodean al núcleo compuesto únicamente de protones y neutrones.

Positrón: antipartícula del electrón posee su misma carga y masa aunque de diferente signo (e+)
Clasificación de la materia según sus propiedades eléctricas:
 Conductores: Es cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de la electricidad  estos también son encargados de unir el generador con los receptores transportando la corriente desde los primeros hasta los segundos. Un buen conductor de electricidad: plata, oro cobre entre otros.
Semiconductores: es una sustancia que se comporta como un conductor o aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en que se encuentre presentan un diagrama de bandas similar al de los sólidos. Por lo que al ser materiales sólidos o líquidos son capaces de conducir la electricidad mejor que un aislante pero peor que un metal.
Semi-conductores intrínsecos: se encuentran en el estado puro no contienen ninguna impureza ni átomos ni otro tipo dentro de su estructura.
Semi-conductores extrínsecos: cuando la estructura molecular se dopa mezclando los átomos de silicio (Si) o germanio (Ge) con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos e impurezas.




                                       ELEMENTOS SEMICONDUCTORES
METALES
METALOIDES
NO METAL
Cadmio (Cd)
Boro (B)
Fosforo (P)
Aluminio (Al)
Silicio (Si)
Azufre (S)
Galio (Ga)
Germanio (Ge)
Selenio (Se)
Indio (In)
Arsénico (As)


Antimonio (Sb)


Telurio (Te)

Aislantes: Son materiales en los que las cargas se mueven con mucha dificultad y ofrecen una elevada resistencia al paso de la electricidad como: lana, madera, fibra de vidrio, yeso, caucho, porcelana entre otros.
                                   VÍDEO DE ALGUNOS CONDUCTORES Y AISLANTES:

                                                          BANDAS DE CONDUCCIÓN:
Para un Conductor                           Para un Semiconductor                                                                          
Para un aislante

                             CAMPO ELÉCTRICO
Noción de Campo Eléctrico: Está referido a los diversos fenómenos de la naturaleza así por ejemplo, decimos que alrededor de la tierra o entorno a cualquier cuerpo dotado de una masa existente a un campo gravitacional (g) el cual se manifiesta porque cualquier masa (m) en un punto de dicho campo está sometido a la fuerza gravitatoria fg que esta ultima ejerce.
Campo eléctrico: es una región en la cual se manifiestan fuerzas de atracción o repulsión entre cargas.
La idea del campo eléctrico fue propuesta por el ingles Michael Faraday en 1832, para referirse a la influencia que ejerce un cuerpo cargado eléctricamente sobre la región que lo rodea.
Diferencias entre campo Eléctrico y Gravitatorio
El campo eléctrico es aquel que solo existe cuando los cuerpos están cargados de electricidad y las fuerzas pueden ser de atracción o repulsión regidas por la ley de coulomb, donde cada punto del espacio que lo rodea se le asocia un vector E llamado intensidad del campo eléctrico donde hay interacciones entre cargas eléctricas.
Mientras que el campo gravitatorio es universal existe para todos los cuerpos las fuerzas son siempre de atracción, donde las fuerzas de  atracción o repulsión  están regidas por la Ley de Gravitación Universal de Newton, siendo las fuerzas únicamente atractivas y a cada punto en el espacio que lo rodea se le asocia un vector (g) llamado intensidad del campo gravitacional y la fuerza gravitatoria fg ejerce la magnitud de g y hay interacciones entre masas.

Si F representa la Fuerza que actúa sobre qo por efecto de la carga q podemos definir el campo eléctrico E como:













LINEAS DE FUERZA EN UN CAMPO ELÉCTRICO

Es una linea recta imaginaria que representa la propiedad de que el vector campo eléctrico E sea tangente a ella en cada uno de sus puntos.Ejemplo:

Magnitud del Campo Eléctrico creado por una carga Puntual.
Si el campo es creado por varias cargas puntuales q1,q2 y q3 el campo se determinará a través de la suma vectorial.
Para calcular el valor del campo eléctrico resultante creado por varias cargas puntuales primero se calcula la magnitud del vector campo eléctrico creado en el punto en forma individual para cada carga utilizando la ecuación:
Como el campo es una magnitud vectorial el campo eléctrico resultante se determinará sumando vectorialmente los campos parciales.


EJEMPLO EJERCICIO:







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