Estructura De La Materia

Carga eléctrica Indice 1. Estructura de la materia. 2. Ley De Coulomb 3. Fuerza de atracción entre los cuerpos 4. ¿Cómo se define un campo eléctrico? 5. Formas de cargar un cuerpo 6. Carga Electrica 1. Estructura de la materia. 1. Estructura atómica de la materia. QUÉ es la materia? Según el diccionario, es "aquello que constituye la sustancia del universo físico". La Tierra, los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombre contempla, toca o siente, es materia. También lo es el hombre mismo. La palabra materia deriva del latín mater, madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tan adaptable como el agua, tan informe como el oxígeno del aire. A diferentes temperaturas puede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, está constituida por las mismas entidades básicas, los átomos. Las radiaciones ionizantes y sus efectos también son procesos atómicos o nucleares. 2.- Indica cual es la partícula portadora de cada clase de carga eléctrica: a.- Carga positiva: PROTONES b.- Carga negativa: ELECTRONES 3.- ¿Qué es un electrón libre? Electrón, tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres. 4. Explica cómo una átomo puede carga eléctrica positiva o negativa. Un átomo eléctricamente neutro tiene el mismo número de protones que de electrones. Todo cuerpo material contiene gran número de átomos y su carga global es nula salvo si ha perdido o captado electrones, en cuyo caso posee carga neta positiva o negativa, respectivamente. Sin embargo, un cuerpo, aunque eléctricamente neutro, puede tener cargas eléctricas positivas en ciertas zonas y cargas positivas en otras. En todo proceso, físico o químico, la carga total de un sistema de partículas se conserva. Es lo que se conoce como principio de conservación de la carga. Las cargas eléctricas del mismo tipo interaccionan repeliéndose y las cargas de distinto tipo interaccionan atrayéndose. La magnitud de esta interacción viene dada por la ley de Coulomb. 5.a.- Conductor eléctrico, cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. 5.b.- Aislante, cualquier material que conduce mal el calor o la electricidad y que se emplea para suprimir su flujo. 5.c.- Electrolitos: Desde el punto de vista Fisicoquímico los conductores más importantes son los del tipo electrolíticos, es decir los electrolitos; estos se distinguen de los conductores electrónicos, como los metales por el hecho de que el

paso de una corriente eléctrica va acompañada por el transporte de materia. Cuando pasa una corriente eléctrica a través de un conductor electrolito, el transporte de materia se manifiesta en las discontinuidades del sistema. Por ej., si en una disolución acuosa diluida en un ácido se sumergen dos alambres, preferentemente de platino, unidos a los 2 polos de una batería voltaica que actúa como fuente de corriente, se desprenden en los alambres burbujas de hidrogeno y oxigeno respectivamente, si la disolución electrolítica contuviera una sal de cobre o plata se liberaría el metal correspondiente en lugar de hidrogeno. Los fenómenos asociados con la electrólisis fueron estudiados por Faraday y la nomenclatura que utilizó y que se emplea todavía fue ideada por Whewell. 5.d.- Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido. Interacciones electricas 1. ¿Cómo interactúan dos cuerpos que tenga carga eléctrica de igual signo? Se repelen 2.- ¿ Cómo interactúan dos cuerpos que tenga carga eléctrica de signos contrarios? Se atraen 3.- ¿Cómo se manifiesta la interacción entre dos cuerpos eléctricamente cargados? Existe movimiento de electrones

2. Ley De Coulomb 1.- Ley de Coulomb. Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb Según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas. 2.- Expresión matemática. La ley de Coulomb Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se

exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10-9 Nm2/C2. 4. Compara la ley de de Coulomb con la ley de gravitación universal. Obsérvese que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal 3. Fuerza de atracción entre los cuerpos La interacción entre dos cuerpos de masa M y m se describe en término de una fuerza atractiva, cuya dirección es la recta que pasa por el centro de los dos cuerpos y cuyo módulo viene dado por la expresión G es la constante de la gravitación universal G=6.67·10-11 Nm2/kg2, y r es la distancia entre los centros de los cuerpos Aceleración de la gravedad Se denomina intensidad del campo gravitatorio, o aceleración de la gravedad g en un punto P distante r del centro del planeta de masa M, a la fuerza sobre la unidad de masa situada en el punto P.

Fuerza central La fuerza de atracción entre un planeta y el Sol es central y conservativa. La fuerza de repulsión entre una partícula alfa y un núcleo es también central y conservativa. En este apartado estudiaremos la primera, dejando para más adelante la segunda, en el estudio del fenómeno de la dispersión, que tanta importancia tuvo en el descubrimiento de la estructura atómica. Una fuerza es central, cuando el vector posición r es paralelo al vector fuerza F. El momento de la fuerza M=r× F=0 y de la relación entre le momento de las fuerzas que actúa sobre una partícula y el momento angular, (Teorema del momento angular) se concluye que El momento angular permanece constante en módulo, dirección y sentido. El momento angular L de una partícula es el vector producto vectorial L=r× mv, perpendicular al plano determinado por el vector posición r y el vector velocidad v. Como el vector L permanece constante en dirección, r y v estarán en un plano perpendicular a la dirección fija de L. De aquí, se concluye que la trayectoria del móvil estará contenida en un plano perpendicular al vector momento angular L Fuerza conservativa Supongamos que una partícula de masa m se mueve desde la posición A hasta la posición B en las proximidades de un cuerpo fijo de masa M. Vamos a calcular el trabajo realizado por la fuerza de atracción F.

El trabajo infinitesimal es el producto escalar del vector fuerza F por el vector desplazamiento dl, tangente a la trayectoria. dW=F·dl=F·dl·cos(180-θ)=-F·dl·cosθ=-F·dr. donde dr es el desplazamiento infinitesimal de la partνcula en la dirección radial. Para calcular el trabajo total, integramos entre la posición inicial A, distante rA del centro de fuerzas y la posición final B, distante rB del centro fijo de fuerzas. El trabajo W no depende del camino seguido por la partícula para ir desde la posición A a la posición B. La fuerza de atracción F, que ejerce el cuerpo fijo de masa M sobre la partícula de masa m es conservativa. La fórmula de la energía potencial es El nivel cero de energía potencial se ha establecido en el infinito, para r=∞, Ep=0 El hecho de que la fuerza de atracción sea conservativa, implica que la energía total (cinética más potencial) de la partícula es constante, en cualquier punto de la trayectoria. Ecuación de la trayectoria Para obtener ecuación de la trayectoria r=r(θ ) se expresa el momento angular y la energía en coordenadas polares y se integra la ecuación diferencial resultante, tal como veremos en la siguiente página. El resultado es una cónica cuyo parámetro  denominado excentricidad define el tipo de trayectoria

Clase de cónica Descripción geométrica Descripción física Elipse

<1

E<0

Parábola

ε =1

E=0

Hipérbola

ε >1

E>0

Así, una elipse se define en geometría como el tipo de cónica cuya excentricidad es menor que la unidad. Para que una partícula sometida a una fuerza central, atractiva, inversamente proporcional al cuadrado de las distancias al centro de fuerzas, describa dicha trayectoria tiene que tener una energía total negativa (E<0). Volviendo a la geometría de la elipse en la primera ley de Kepler, la posición más cercana al foco r1 se obtiene cuando θ =0 y la posición más alejada r2 se obtiene cuando θ =π . Es decir, Los semiejes a y b de la elipse valen Periodo Se denomina periodo al tiempo que tarda el móvil en dar una vuelta completa. En el applet que estudia la segunda ley de Kepler y en la figura vemos que el

radiovector que une el Sol con el planeta barre en el intervalo de tiempo comprendido entre t y t+dt el área de color rojo de forma triangular. El ángulo del vértice de dicho triángulo es dy la base del triángulo es un arco de longitud rd. El área del triángulo es (base por altura dividido por dos)

Integrando la ecuación del momento angular expresado en coordenadas polares La primera integral es el área total de la elipse π ab, que es igual a la suma de las áreas de todos triángulos infinitesimales. La integral del segundo miembro es el periodo P del planeta, por tanto Esta ecuación se puede transformar para obtener la relación entre el periodo de la órbita de un planeta P y el semieje mayor de la elipse a, denominada tercera ley de Kepler. 4. ¿Cómo se define un campo eléctrico? El concepto físico de campo Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas éste viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático. El campo eléctrico El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. 1. ¿Cómo se define el vector intensidad de campo eléctrico? La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el

nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E. 2. ¿Cuál es su expresión matemática? La expresión del módulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fácilmente para el caso sencillo del campo eléctrico creado por una carga puntual Q sin más que combinar la ley de Coulomb con la definición de E. La fuerza que Q ejercería sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genérico P distante r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, pero aquélla es precisamente la definición de E y, por tanto, ésta será también su expresión matemática Puesto que se trata de una fuerza electrostática estará aplicada en P, dirigida a lo largo de la recta que une la carga central Q y el punto genérico P, en donde se sitúa la carga unidad, y su sentido será atractivo o repulsivo según Q sea negativa o positiva respectivamente. Si la carga testigo es distinta de la unidad, es posible no obstante determinar el valor de la fuerza por unidad de carga en la forma: Donde F es la fuerza calculada mediante la ley de Coulomb entre la carga central Q y la carga de prueba o testigo q empleada como elemento detector del campo. Es decir: E=KQq/rª /=KQ/rª expresión idéntica a la (9.2). A partir del valor de E debido a Q en un punto P y de la carga q situada en él, es posible determinar la fuerza F en la forma F = q · E (9.4) Expresión que indica que la fuerza entre Q y q es igual a q veces el valor de la intensidad de campo E en el punto P. Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variación con la posición hace más sencillos los cálculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas. La unidad de intensidad de campo E es el cociente entre la unidad de fuerza y la unidad de carga; en el SI equivale, por tanto, al newton (N)/coulomb (C). 5. Formas de cargar un cuerpo 1. Explica brevemente los siguientes procesos para cargar un cuerpo: A.- Electrizacion Por Contacto Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. B.- Electrizacion Por Frotamiento Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si frotas una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda.

Si frotas un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño a al lápiz. C.- Electrizacion Por Inducción Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. 2.- Explica en términos de movimiento de electrones lo que ocurre cuando: A.- Un objeto con carga positiva se conecta a tierra: Existe un flujo de electrones de tierra hasta la carga, carga neutra. B.- Una esfera con carga negativa se pone en contacto con una neutra: Existe un flujo de electrones de la carga hacia tierra. C.- Una barra con carga positiva se acerca a una placa metálica neutra y aislada: Se atraen los cuerpos. 6. Carga Electrica 1. Explica brevemente las siguientes propiedades de la carga eléctrica: A.- La carga está cuantizada: la carga de un cuerpo cargado siempre es un múltiplo entero de una carga elemental que corresponde a la carga del electrón. Es decir: Donde q = carga eléctrica n = número entero e- = electrón Los electrones pueden desplazarse a través de ciertos cuerpos que reciben el nombre de conductores. B.- La carga se conserva: al electrizar un cuerpo no se está creando carga, sólo se transmite carga (electrones) de un cuerpo a otro. La carga total siempre la permanece constante. 2. ¿Cómo se define la unidad de carga eléctrica en el sistema MKS? En amperios 3. ¿Cuál es la unidad elemental de carga eléctrica? La unidad con la cual se mide la carga eléctrica es el coulomb (C), en honor a Charles Coulomb. Corresponde a la siguiente carga: 1 Coulomb = 6,25x10 18 electrones

de donde podemos decir que la carga del electrón es igual a Para cargas más pequeñas se usan los submúltiplos: 1 coulomb = 3x10 9 stat-coulomb (stc) 1 milicoulomb = 1mC = 0,001 C = 1x10 –3 C 1 microcoulomb = 1?C = 0,000001 C = 1x10 – 6 C 2. Investiga los valores y completa la siguiente tabla:

PARTICULA

CARGA (Coulomb) MASA (Kilogramos)

ELECTRÓN

1,602 x 10 –19

9,109 x 10-31

PROTON

1,6019 x 10 -19

1,676 x 10-27

NEUTRON ALFA

1,675 x 10-27