ELECTRODINÁMICA

ELECTROSTATICA

ELECTROSTÁTICA

La electrostática es la rama de la electricidad encargada de estudiar las cargas electrostáticas en reposo. Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos por materia, la cual a su vez está conformada por pequeñas partículas que son visibles a simple vista, llamadas átomos. Los átomos tienen electrones que contienen carga eléctrica negativa, protones que poseen carga eléctrica positiva y por los neutrones que no tienen carga eléctrica.

·       Cuando un átomo neutro pierde electrones adquiere una carga positiva dando lugar a un John positivo.

·       Cuando  un átomo neutro gana electrones adquiere una carga negativa dando lugar a un John negativo.

·       Cuando 2 materias se ponen en contacto los electrones unidos débilmente pueden transferirse de un material a otro, de tal manera que un cuerpo se puede electrizar; esta electrificación de dio precisamente porque los electrones pasan de un cuerpo de otro.

Un cuerpo neutro (no electrizado) el número de protones es igual a los electrones.

·       Cuando se da la transferencia de electrones el cuerpo que pierde electrones presenta un exceso de protones, es decir, queda electrizado positivamente es obvio que el otro cuerpo quedara electrizado negativamente y tendrá así un exceso de electrones.

Formas de electrizar un cuerpo:

Ø Frotamiento: se presenta cuando 2 cuerpos se frotan entre sí o por la fricción que existe entre ellos.

Ø Contacto: consiste en simplemente tocar los 2 cuerpos entre sí.

Ø Inducción: ocurre cuando un cuerpo excedido en carga eléctrica se acerca a otro sin tener que presentar contacto directo entre ellos.

Unidades que se utiliza para medir las cargas eléctricas

La unidad que se utiliza para medir las cargas eléctricas en el sistema internacional (SI) se llama Coulomb (C) y se define como la cantidad de electrones que posee en exceso un cuerpo con respecto a lo que posee en su estado neutro. La equivalencia en electrones es la siguiente.

1C = 6.25 x 10¹⁸  electrones

Clasificación de los materiales

Existen materiales en nuestro entorno que al estar formados por átomos contienen protones y electrones, a pesar de esta característica común entre ellos, no presentan la misma propiedad de poder conducir la electricidad.

Cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos como los metales, los electrones de las órbitas más lejanas no permaneces unidos en sus respectivos átomos y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido, Estas partículas se denominan electrones libres por lo tanto los materiales que poseen electrones libres es posible que su carga eléctrica sea transportada por medio de ellos por lo tanto decimos que estas sustancias son conductores eléctricos.

ü Materiales conductores: es una material por el cual se transfiere la carga fácilmente; ejemplo: agua salada, cobre, hierro, aluminio, zinc, etc.

ü Aislante: es un material que se resiste al flujo de la carga; ejemplo: madera, tela, papel, plástico, látex, etc.

ü Semiconductor: es un material intermedio en su capacidad para llevar o transportar carga; ejemplo: silicio, germanio, boro, fosfato, etc.

¿Cómo se puede inducir la carga en un objeto?

Existe electrización o carga por inducción cuando un cuerpo con carga eléctrica se aproxima a otro neutro causando una redistribución en las cargas de este. Para completar el proceso de carga por inducción se debe conectar brevemente el objeto a “tierra” y luego retirar el cuerpo cargado. La inducción transmite carga.
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que esta neutro. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro.

LEY DE COULOMB

Charles coulomb en 1984 desarrolla la balanza de torsión para medir la variabilidad de la fuerza en términos de separación y de la cantidad de carga.

La balanza de torsión tiene su fundamento en el péndulo de torsión está constituida por un material elástico sometido a torsión. Cuando se le aplica una torsión el material reacciona con un par torsor contrario o recuperado. Fue diseñada originalmente por el geólogo británico John Michell, y mejorada por el químico y físico de la misma nacionalidad Henry Cavendish. El instrumento fue inventado de forma independiente por el físico francés Charles-Agustín de coulomb en el año de 1777 que lo empleo para medir la atracción eléctrica y magnética.

La separación R de 2 objetos cargados es la distancia en línea recta entre sus centros. De la cantidad de carga que puede pensarse que es el exceso dado por el número de protones en el cuerpo.

Coulomb determina que la fuerza de atracción o repulsión de 2 objetos es inversamente proporcional al cuadro de su distancia de separación. En otras palabras la distancia entre 2 objetos cargados se reduce a la mitad la carga de atracción y repulsión entre ellos se cuadra duplicará.
En la época de coulomb no se comprendía claramente el concepto de cantidad de carga, en la actualidad sus conclusiones se establecen en la ley de coulomb que dice “la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre 2 cargas puntuales  q₁ y q₂ es directamente proporcional al producto de la cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa”.

DESARROLLO HISTÓRICO DE LA ELECTRICIDAD

CALOR GANADO O PERDIDO POR LOS CUERPOS, Y EQUILIBRIO TÉRMICO

Calor ganado o perdido por los cuerpos

y

Equilibrio térmico

Como sabemos el calor se trasmite de un cuerpo caliente a un cuerpo frío, en este intercambio la cantidad de calor pertenece constante. La ley de la conservación del intercambio de energía calorífica dice: la cantidad de calor que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad que pierde el otro, hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Es decir:

Calor perdido = Calor ganado

Matemáticamente hablando podemos expresarlo de la siguiente forma:

Si observamos nos daremos cuenta que uno de ellos es negativo debido a que pierde calor, y el otro es positivo por que gana calor.

Si sustituimos por las ecuaciones completas tendremos:

Si los cuerpos alcanzan el equilibrio térmico, entonces la temperatura final de ambos debe ser la misma.

La cantidad de calor que un cuerpo pierde o gana depende de tres factores:

1. La variación de la temperatura que se desea conseguir.

2. La masa del cuerpo que se caliente o enfríe.

3. La naturaleza del cuerpo.

Ejercicio

Josefina esta cenando un caldo de pavo con su mamá. Introduce su cuchara de aluminio a 25ºC y con una masa de 150g. Si el caldo está a 60ºC y son 350 ml ¿a qué temperatura quedan ambos al ponerse en contacto? Considera el calor específico del caldo igual al del agua.

Datos:

Cuchara de aluminio:

Ce= 0.217 cal/gºC

Ti= 25ºC

m= 150g

Caldo:

Ce= 1cal/gºC

Ti= 60ºC

m= 350 ml =350g

Solución:

CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO DE LAS SUSTANCIAS

Capacidad calorífica y calor específico de las sustancias

Todas las sustancias necesitan absorber una cierta cantidad de calor para variar su temperatura. La cantidad de calor necesaria es única para cada sustancia y se determina por la variación de su temperatura. Esta cantidad se conoce como capacidad calorífica, la cual se expresa matemáticamente como:

Donde:

C= capacidad calorífica (cal/ºC)

ΔQ= variación del calor (cal)

ΔT= variación de temperatura (ºC)

Cuando la sustancia es la misma, la capacidad calorífica de la sustancia no cambia, pero pueden presentar diferentes masas por lo cual cada una absorbe distinta cantidad de calor, es decir, la masa determina entonces la cantidad de calor necesaria para variar su temperatura, por tanto, si cada sustancia necesita cierta cantidad de calor por gramo  de masa para hacer variar su temperatura un grado centígrado, esta relación se conoce como calor específico. La expresión matemática es:

Donde la capacidad calorífica (C) corresponde a la variación de calor entre la variación de la temperatura, por tanto, sustituyendo C:

Donde:

C_e= calor especifico (cal/gºC)

ΔQ= variación de calor (Cal)

ΔT= variación de temperatura (ºC)

El calor específico es diferente y único para cada sustancia. Podemos despejar la ecuación para conocer la variación del calor:

Ejercicio

Para calentar 600g de agua, de 40ºC a 95ºC, Víctor pretende saber qué cantidad de calor necesita aplicarle.

Datos:

m= 600g

T_i = 40ºC         

T_f = 95ºC

C_e = 1 cal/gºC

ΔQ= ?

Solución:

ΔQ = C_emΔT

ΔQ = (1 cal/gºC)(600g)(95ºC-40ºC)

ΔQ =(600 cal/ºC)(55ºC)

ΔQ = 33, 000 cal

DILATACIÓN DE LOS CUERPOS

¿Qué es dilatación térmica?

Es el aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en el por cualquier medio. Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos casos de contracción térmica.

¿Qué es dilatación lineal?

La mayoría de las sustancias aumentan su tamaño cuando aumenta su temperatura. En un sólido a medida que aumenta la temperatura, aumenta amplitud de la vibración atómica, se incrementa modificando así todas las dimensiones del sólido = dilatación lineal.

Dilatación lineal:

Fórmula que se utiliza para la dilatación lineal

El cambio proporcional en longitud está dado por:

ΔL= Variación de la longitud

α = Coeficiente de dilatación lineal

LO = Longitud inicial

ΔT=Variación de la temperatura (Temperatura final menos la Temperatura inicial)

• El α = coeficiente de proporcionalidad = coeficiente de dilatación lineal.
• El α produce el mismo incremento de longitud para todos los materiales
• El α da por entendido que es la longitud que aumenta el material al elevar su temperatura.

Entonces se puede decir que una vez sacado la variación de la longitud ya podemos calcular la longitud final del cuerpo:

LF = Longitud final

LO = Longitud inicial

ΔL= Variación de la longitud

Ejercicio de dilatación lineal

1) Un riel de aluminio de 30 metros a 20° C, aumentara su temperatura a 60°C, sabiendo que el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es de 2.4x10^-5 °C-1 ¿Cuánto medirá su longitud?

Datos:        
          

α= 2.4x10^-5 °C-1
LO = 30 m
Tº = 20º C
T_F = 60º C

Solución:

ΔL = α.Lo.ΔT           ΔT= TF - Tº

      = (2.4x10-5/ºC)(30m)(60ºC-20ºC)

     = 0.0288 m

LF = Lo + ΔL

     = 30 m + 0.0288 m

    = 30.0288 m es la Longitud que tendrá la riel a aumentar su temperatura a 60ºC

¿Qué es dilatación superficial?

Cuando un área o superficie se dilata lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción tanto en su largo como su ancho lo que significa un incremento en su área, la dilatación del área se diferencia de la lineal, por que implica un incremento en su área.  Cuando a los sólidos con un área inicial de un metro cuadrado se les aumenta 1ºC su temperatura, varían en su área de manera constante, a esta cantidad se le conoce como coeficiente de dilatación superficial. Este coeficiente de dilatación superficial es específico para cada sustancia y se representa con la letra griega ɣ(gamma).

Dilatación superficial:

Fórmula que se utiliza para la dilatación superficial

 Para calcular la variación del área de un cuerpo se utiliza la siguiente expresión: 

ΔS= Variación del área de la superficie

ɣ = 2α = Coeficiente de dilatación superficial

SO = área de la superficie inicial

ΔT= Variación de la temperatura (Temperatura final menos la Temperatura inicial)

Para calcular la superficie final del cuerpo se utiliza la siguiente expresión: 

SF= área de la superficie final

SO = área de la superficie inicial

ΔS= Variación del área de la superficie 

Ejercicio de dilatación Superficial

A una temperatura de 19ºC una ventana de vidrio tiene un área de 1.9m² con un coeficiente de dilatación superficial de 14.6x10-6

  ºC-1 ¿Cuál será su área final al aumentar su temperatura a 35ºC?

Datos:

Tº= 19ºC

TF = 35ºC

So = 1.9 m²

ɣ = 14.6x10-6 ºC-1

Solución:

ΔS= ɣ.So. ΔT                           ΔT= TF - Tº

     = (14.6x10-6/ºC)(1.9 m²)( 35ºC- 19ºC)

     = 0.000443 m²

SF = So + ΔS

    = 1.9 m2 + 0.000443 m²

   =1.900443 m²será el área final al aumentar su temperatura a 35ºC

¿Qué es dilatación volumétrica?

Es el incremento de volumen que experimenta un cuerpo al aumentar su temperatura. Cuando a las sustancias con un volumen inicial de un metro cubico se les aumenta 1ºC su temperatura, varían su volumen de manera constante, a esta cantidad se le conoce como coeficiente de dilatación volumétrica. Este coeficiente de dilatación volumétrica es específico para cada sustancia y se representa con la letra griega ß(Beta).

Dilatación volumétrica:

Fórmula que se utiliza para la dilatación volumétrica

Para calcular la variación del volumen de una sustancia se utiliza la ecuación:

ΔV= Variación del volumen

VO = volumen  inicial del cuerpo

ß = 3α = Coeficiente de dilatación volumétrica

ΔT= Variación de la temperatura (Temperatura final menos la Temperatura inicial)

VF= volumen  final al del cuerpo

VO = volumen  inicial del cuerpo

ΔV= Variación del volumen

Ejercicio de dilatación volumétrica  

Adrián tiene un tanque de 10,000 cm³ de gasolina. Está almacenado a 23ºC, si la temperatura del ambiente está a 36 ºC, ¿Cuánto aumenta su volumen?

Datos:

ß = 1100x10^-6 ºC^-1
VO= 10,000 cm³

T_i= 23ºC

T_F = 36ºC

Solución:

ΔV= ßVOΔT                                   ΔT= T_F – T_i

      =(1100x10^-6/ ºC)(10,000 cm³)( 36ºC-23ºC)

     = 143 cm³

V_F= Vo + ΔV

     = 10,000 cm³ + 143 cm³

     = 10, 143 cm³  

Dilatación irregular del agua

La dilatación irregular se debe a que cuando la temperatura decrece de 4ºC a 0ºC el agua aumenta su volumen. De manera natural todos los demás líquidos se contraen cuando disminuye la temperatura, pero el agua no lo hace. A 4ºC el agua tiene su volumen mínimo y su densidad máxima. Esto provoca que el agua a esa temperatura tienda a irse al fondo y solo una parte se congela. En el medio ambiente favorece ala supervivencia de las especies acuáticas, ya que al tener menor densidad el hielo, flota congelado solo la superficie de los lagos o mares y, en el fondo, se mantiene el agua a 4ºC.