La palabra “ electricidad ” proviene de la palabra griega “Elektron” que significa “ ámbar ”. Las fuerzas magnéticas y eléctricas presentes en los materiales, átomos y moléculas afectan sus propiedades. El término «carga eléctrica» se refiere solo a dos tipos de entidades. Un experimento reveló dos formas de electrificación: primero, cargas iguales que se repelen entre sí, y otras cargas diferentes que se atraen entre sí. La polaridad de la carga es el elemento distintivo entre estos dos tipos de cargas.
Un experimento sobre cargas eléctricas generadas por electricidad friccional reveló que los conductores ayudan en el paso de la carga eléctrica mientras que los aisladores no. Los metales, la tierra y los cuerpos humanos son todos conductores, mientras que la porcelana, el nailon y la madera son aislantes y ofrecen una resistencia sustancial al flujo de electricidad a través de ellos.
Campo eléctrico
Una carga eléctrica crea un campo eléctrico, que es una región del espacio alrededor de una partícula u objeto cargado eléctricamente donde la carga se siente forzada. El campo eléctrico existe en todas partes del espacio y se puede estudiar introduciendo otra carga en él.
Si las cargas están lo suficientemente separadas, el campo eléctrico se puede aproximar a 0 para fines prácticos. Los campos eléctricos son una cantidad vectorial representada por flechas que apuntan hacia o desde las cargas. Las líneas deben apuntar radialmente hacia afuera, alejándose de una carga positiva, o radialmente hacia adentro, hacia una carga negativa.
La magnitud del campo eléctrico se calcula mediante la fórmula:
E = F/q
- donde E es la fuerza del campo eléctrico,
- F es la fuerza eléctrica,
- q es la carga de prueba.
Propiedades de las líneas de campo eléctrico
- Las líneas del campo eléctrico son curvas continuas.
- Comienzan con un cuerpo con carga positiva y terminan con uno con carga negativa.
- La dirección de la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto se determina siendo tangente a la línea del campo eléctrico.
- No hay dos líneas de campo eléctrico que se crucen.
- Las líneas de campo eléctrico siempre son paralelas a la superficie del conductor.
Ley de Coulomb
La fuerza que existe entre dos cargas puntuales está descrita por la Ley de Coulomb. En física, la frase carga puntual se refiere al hecho de que los objetos cargados linealmente tienen un tamaño pequeño en contraste con la distancia entre ellos. Como resultado, los tratamos como cargas puntuales ya que calcular la fuerza de atracción/repulsión entre ellos es sencillo.
Representación pictórica de la ley de Coulomb
La declaración, en general, incluye dos cargos, q 1 y q 2 . La fuerza de atracción/repulsión entre las cargas se indica con la letra ‘F’, mientras que la distancia entre ellas se indica con la letra ‘r’. Entonces la ley de Coulomb se expresa matemáticamente como:
- F es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas en contacto, es decir, F ∝ q 1 q 2 .
- F es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las dos cargas en contacto, es decir, F ∝ 1/ r 2 .
Pongamos los dos juntos de la siguiente manera:
F ∝ q 1 q 2 / r 2
Ahora bien, si eliminamos la proporcionalidad se introduce una constante k;
F = kq 1 q 2 / r 2
donde k es la constante de proporcionalidad y es igual a 1/40, y 0 es el epsilon not, que denota la permitividad del vacío. k se ha calculado en 9 × 10 9 Nm 2 /C 2 .
Según Coulomb, las cargas iguales se repelen mientras que las cargas diferentes se atraen. Esto indica que las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas de signos opuestos se atraen.
Flujo eléctrico
El flujo eléctrico es el número total de líneas de campo eléctrico que se mueven a través de un área particular en un período de tiempo determinado. Sin embargo, a diferencia del caso del flujo de líquido, no hay flujo de una cantidad físicamente observable.
Para empezar, la definición de flujo eléctrico a través de un elemento de área S es la siguiente:
Δθ= E.ΔS= E ΔS cosθ
La cantidad de líneas de campo que cortan el elemento de área determina esto. El ángulo, en este caso, es el ángulo formado por E y S. En una superficie cerrada, cuando se ha establecido previamente la convención, es el ángulo formado por E y el elemento de área la normal hacia el exterior. Para determinar el flujo total a través de una superficie dada, divídala en elementos de área pequeña, calcule el flujo en cada elemento y luego súmelos. Como resultado, el flujo total a través de una superficie S es igual a ES. Debido a que se supone que el campo eléctrico E es constante sobre el elemento de área pequeña, se emplea el símbolo de aproximación.
Dipolo Eléctrico: Está formado por un par de cargas iguales u opuestas A y -B separadas por 2x. El vector de momento dipolar tiene una magnitud de 2Ax y apunta de -B a A en la dirección del eje del dipolo.
Ejemplos de preguntas
Problema 1: En el centro de un cubo de 8 cm 3 se coloca una carga de 2 C. ¿Cuál es la magnitud del flujo eléctrico que viaja a través de una de las caras?
Solución:
Como el volumen del cubo dado es de 8 cm3, la longitud de sus lados es de 2 cm.
El flujo eléctrico sobre una superficie cerrada es la carga contenida dentro de la superficie cerrada dividida por la permitividad del medio, según el teorema de Gauss.
Si el medio dentro del cubo es aire o vacío, el flujo eléctrico total sobre la superficie cerrada es
= Q / Eo
= 2 / ( 8.854 10 -12 )
= 2.259 10 11 NC -1 m 2 .
Flujo eléctrico que pasa por una cara = ( 2.259 × 10 11 ) / 6 = 3.765 × 10 10 NC -1 m 2 .
Problema 2: ¿Por qué dos líneas de campo eléctrico nunca se cruzan?
Solución:
Habrá dos tangentes y, en consecuencia, dos direcciones de campo eléctrico neto en el punto donde se unen las dos líneas, lo cual no es posible. Como resultado, dos líneas de campo eléctrico no se cruzan.
Problema 3: Se experimenta una fuerza de 8 N cuando dos cargas puntuales separadas por 1 m tienen cargas iguales. ¿Qué fuerza sentirán si ambos están sumergidos en agua al mismo tiempo? (Asumiendo K agua = 80)
Solución:
Fuerza que actúa entre dos cargas puntuales
F aire=q1q2/4πEoxr2
F agua=q1q2/4πEoKxr2
Por lo tanto ,
F aire/F agua=K
8/F agua=80
F agua=8/80
=1/10N
Problema 4: ¿Cómo disminuye el campo eléctrico dentro de un dieléctrico cuando se coloca en un campo eléctrico externo?
Solución:
Cuando un dieléctrico se expone a un campo eléctrico (vector E), se induce una carga en él, lo que produce un campo eléctrico en dirección opuesta a E. Como resultado, el campo eléctrico neto disminuye.
E neto = E vector −Ep
donde Ep denota el campo producido por la polarización dieléctrica.
Problema 5: Considere un sistema de dos cargas de magnitud 3 × 10-7 C y 4 × 10-7 C sobre las que actúa una fuerza de 0,1 N. ¿Cuál es la distancia entre las dos cargas?
Solución:
Dado que,
La primera carga, q 1 es 3 × 10 -7 C.
La segunda carga, q 2 es 4 × 10 -7 C.
La fuerza que actuó sobre ellos, F es 0.1 N.
La fórmula para calcular la fuerza electrostática entre las cargas es:
F = kq 1 q 2 / r 2
Sustituya los valores dados en la expresión anterior como,
0,1 N = (9 × 10 9 Nm 2 / C 2 )(3 × 10 -7 C)(4 × 10 -7 C) / (r) 2
r = 0,103 m
Por tanto, la distancia entre las dos cargas, r, es de 0,103 m.
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Artículo escrito por amanarora3dec y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA