EL MARAVILLOSO MUNDO DE LA FÍSICA 11°(ELECTROSTÁTICA )

SEGUNDO PERIODO

INSTITUCIÓN EDUCATIVA PUNTA DE PIEDRA

DOCENTE: VALENTINA PADILLA CERVANTES

ÁREA: CIENCIAS NATURALES

ASIGNATURA: FÍSICA

FECHAS: 4 DE MAYO DE 2020

GRADO: 11°

   ELECTROSTÁTICA

ESTÁNDAR DE COMPETENCIAS

Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y la masa.

DBA

Comprende las interacciones de las cargas en reposo genera fuerzas eléctricas y que cuando las cargas están en movimiento genera fuerzas magnéticas.

APRENDIZAJE

v  ELECTROSTÁTICA

Cargas eléctricas Fuerza eléctrica y ley de Coulomb

Campo eléctrico Potencial eléctrico Condensadores

Corriente eléctrica y resistencia Circuitos eléctricos

Usos de la energía eléctrica Semiconductores Simulaciones Phet Videos educativos

v  ELECTROMAGNETISMO Manifestaciones del campo magnético Ley de Ampere y campos magnéticos Fuerzas magnéticas

Aplicaciones

COMPETENCIAS

• Identifica el tipo de carga eléctrica (positiva o negativa) que adquiere un material cuando se somete a procedimientos de fricción o contacto

OBJETIVO:

• Realizar simulaciones mediante el uso de las TICS
• Solucionar los talleres de competencias Realizar un trabajo experimental (Ley de Ohm) Realizar una competencia comunicativa (Experimentación) Prueba tipo ICFES.

PROPOSITO:

• Consulta en diferentes tipos de texto para complementar su aprendizaje.
• Propone acciones tendientes a mejorar su medio ambiente

METODOLOGÍA DIDÁCTICA

Todas las acciones generadas para propiciar la fijación del aprendizaje; lecturas alusivas al tema, Construcción de dibujos, pinturas, diálogos dirigidos, lectura de imágenes, actividades de correlación, exposiciones magistrales, lectura de reflexiones, lectura de textos, fotocopias, sopa de letras, crucigrama observación de vídeos.

Para este periodo se ejecutará la lectura de comprensión del apunte, resolución de la autoevaluación que se encuentra al final de la temática, y la revisión del mapa conceptual el cual sirve como retroalimentación para el estudiante.

Entregar una investigación por escrito partir de revisión de artículos, mi blog, video, -programas e Internet.

Aprendizaje basado en problemas

Para ello, con la debida anticipación, se les comenta a los estudiantes cuándo se trabajará la propuesta. Se presentan los objetivos de la unidad y se les entrega la guía de situaciones problemáticas. Se realizan talleres de retroalimentación relacionados con el tema para fijar los conceptos teóricos que se abordarán en las tutorías.

En términos generales, se organiza en torno a problemas de la vida real. Al trabajar con este tipo de planteos se espera que se generen estrategias de resolución, reflexionando sobre su propio conocimiento.

Además, un adecuado aprendizaje basado en la resolución de problemas implica emplear diversas operaciones de comprensión como interpretación, análisis, deducción, inducción, especificación, comparación, interrelación, fundamentación y síntesis, entre otras, que evitan un aprendizaje superficial y permiten apropiaciones profundas y perdurables.

• Estrategia de Evaluación:

se refiere a todas las formas de verificar el aprendizaje, cognitivos, autoevaluación y avances comportamentales determinado fortalezas y de debilidades de manera integral en el estudiante, evaluaciones orales, escritas prueba saber, trabajo grupal, trabajo individual, consultas, recorta y pega, puntualidad, responsabilidad, presentación personal, lecturas y análisis de texto.

Recursos; copias, libros, retos

1.     Estrategias Metodológicas: (son todas las acciones generadas para propiciar la fijación del aprendizaje) Video Documental, Exposiciones, realización de experimentos, consultas, Explicaciones orales y escritas. - Explicaciones procedimentales. - Expresiones gráficas

2.    Estrategia de Evaluación: (se refiere a todas las formas de verificar el aprendizaje, cognitivos y avances comportamentales determinado fortalezas y de debilidades de manera integral en el estudiante

·         Evaluaciones escritas (Tipo Saber),

·         Exposiciones, 

·         carteles

·         charlas

·         Ensayo

·         Laboratorios

·         Salidas al tablero

·         Talleres interpretativos

·         Salidas - Observación directa - Juegos libres - Juegos dirigidos

3.    Reto saber (Preguntas tipo saber, Fortalezas, Debilidades, necesidades de los educandos)

¿Cómo puedes aprender a divertirte manteniendo un equilibrio entre un ambiente cargado de luces y sonido y un ambiente relajado?

4.    Recursos (se refiere a todos los materiales usados para el proceso de la enseñanza): Estándares Básicos de Competencias de ciencias naturales, Libro los caminos del saber, revistas, televisor, programas curriculares, Implementos propio de cada estudiante, implementos de medidas, implementos de laboratorio internet. Computador, video beam, laminas, Entre otros

IDEAS PREVIAS

                                        La fábula de la pistola de mantequilla

Supón que un restaurante tiene el problema de ponerle mantequilla al pan tostado, y quieren ser muy modernos y hacerlo con una máquina. El dueño del restaurante inventa una pistola de mantequilla, con mantequilla derretida en la culata que puede dispararse en líneas rectas.

Aquí hay una rebanada de pan tostado; las líneas de mantequilla salen disparadas y lo golpean en toda su superficie.                                                                            

 Las líneas de mantequilla podrían continuar, por lo que puedes poner el pan mucho más atrás, al doble de la distancia. En vez de una rebanada, puedes colocar cuatro: dos rebanadas de largo y dos rebanadas de alto.

Las cuatro rebanadas juntas interceptan la mantequilla, y la capa interceptada es de un cuarto del grosor original. Esta es la ley del inverso del cuadrado (de enmantequillar).

Extendamos la idea: al triple de la distancia, puedes colocar 3 rebanadas por 3 rebanadas para que quepan dentro de las líneas de mantequilla, para un total de 99 rebanadas, y obtendrás rebanadas con una capa de mantequilla de 1/99​ de grueso, el tratamiento "económico".

Realiza una fabula teniendo en cuenta como usamos la ley de Coulomb en nuestra cotidianidad. emplea tu genialidad y creatividad.

EL SIGUIENTE VÍDEO TE SERVIRÁ DE RETROALIMENTACIÓN

Nuestro estudio de la electricidad comienza con la electrostática y la fuerza electrostática, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La fuerza electrostática está descrita por la ley de Coulomb. Usamos la ley de Coulomb para encontrar las fuerzas generadas por configuraciones de carga.

La electrostática se ocupa de las fuerzas entre las cargas. La palabra estática significa que las cargas no se mueven, o por lo menos que no se mueven tan rápido. 

    CONCEPTOS GENERALES

ELECTROSTÁTICA:

Es la rama del electromagnetismo que estudia las cargas eléctricas en reposo y los campos que producen.

ORIGEN DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS:
Toda la materia del universo está constituida por cuerpos diminutos llamados ÁTOMOS, quienes a su vez, poseen en su interior varias partículas elementales cargadas eléctricamente:

• Los protones (p⁺) de carga positiva.
• Los electrones (e^-)de carga negativa.
• Los neutrones (n⁰) que no tienen carga eléctrica.

NOTA: En esta gráfica se ha representado un átomo de Oxígeno (O), el cual posee 8 protones, 8 neutrones y 8 electrones, es decir, que posee un equilibrio de sus cargas por lo que eléctricamente es neutro.

Los protones y los neutrones se encuentran juntos en el núcleo del átomo, que es su parte interior, mientras que los electrones se localizan en la periferia externa del átomo. Los electrones se encuentran en constante movimiento alrededor del núcleo y describen órbitas que se representan como líneas circulares.

Cuando en el átomo existe igual cantidad de electrones que de protones, se produce un equilibrio de las cargas eléctricas de ambas partículas, haciendo que el átomo sea eléctricamente neutro. Este es el caso más común y ordinario de la naturaleza. Sin embargo, si se llegara a alterar el equilibrio debido a la diferencia en las cantidades de electrones y la de protones, se obtiene un átomo cargado eléctricamente que se lo llama: IÓN.

Los iones pueden ser positivos (+) o negativos (-): Son negativos si hay exceso de electrones en el átomo y son positivos si hay escasez de los mismos.

Esta definición se basa en que los protones permanecen fijos dentro del núcleo atómico, y son sólo los electrones los que pueden variar el equilibrio de cargas cuando el átomo los gana o los pierde en su periferia externa.

En los materiales que experimenten este fenómeno, aparece como resultado una CARGA ELÉCTRICA, de signo (+) o (-).


Campo eléctrico

La Ley de Coulomb describe las fuerzas que actúan a una distancia entre dos cargas. Podemos reformular el problema dividiéndolo en dos pasos distintos, utilizando el concepto de campo eléctrico.

·         Piense en una carga como la producción de un campo eléctrico en todas partes en el espacio.

·         La fuerza sobre otra carga introducida en el campo eléctrico de la primera, es causada por el campo eléctrico en la ubicación de la carga introducida.

Si todas las cargas son estáticas, obtienes exactamente las mismas respuestas con el campo eléctrico que con la Ley de Coulomb. Entonces, ¿será esto solo un ejercicio de notación inteligente? No. El concepto de campo eléctrico adquiere importancia cuando se permite que las cargas se muevan una con respecto a la otra. Los experimentos muestran que solo considerando el campo eléctrico como una propiedad del espacio que se propaga a una velocidad finita (la velocidad de la luz), podemos dar cuenta de las fuerzas observadas en las cargas en movimiento relativo. El concepto de campo eléctrico también es esencial para comprender una onda electromagnética auto propagante como la luz. El concepto de campo eléctrico nos brinda una manera de describir cómo la luz de las estrellas viaja a través de grandes distancias del espacio vacío para llegar a nuestros ojos.

Si la idea de la fuerza "actuando a distancia" en la Ley de Coulomb parece problemática, tal vez la idea de la fuerza causada por un campo eléctrico alivia un poco la incomodidad. Por otro lado, también puede preguntarse si un campo eléctrico es más "real". La realidad de un campo eléctrico es un tema para filósofos. En cualquier caso, real o no, la noción de campo eléctrico resulta útil para predecir lo que sucede con la carga.

Introducimos el campo eléctrico inicialmente con cargas estáticas para facilitar el concepto y practicar con el método de análisis.

Cómo pensar en el campo eléctrico.

El campo eléctrico es fuerza eléctrica normalizada. El campo eléctrico es la fuerza experimentada por una carga de prueba que tiene un valor de +1

Una forma de visualizar el campo eléctrico (este es mi modelo mental): una pequeña carga de prueba positiva imaginada pegada al extremo de un palo imaginario. (Asegúrese de que su palo imaginario no conduzca, como madera o plástico). Explore el campo eléctrico manteniendo su carga de prueba en varios lugares. La carga de prueba será empujada o tirada por la carga circundante. La fuerza que experimenta la carga de prueba (magnitud y dirección), dividida por el valor de la carga de prueba pequeña, es el vector de campo eléctrico en esa ubicación. Incluso si quita la carga de prueba, todavía hay un campo eléctrico en esa ubicación. 

LEY DE LAS CARGAS:
Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen.

La carga

¿Cómo sabemos que existe una cosa como la carga? El concepto de carga surge de una observación de la naturaleza: fuerzas entre los objetos. La carga eléctrica es la propiedad de los objetos que da lugar a esta fuerza observada. Como la gravedad, la fuerza eléctrica "actúa a distancia". La idea de que una fuerza puede "actuar a distancia" es bastante alucinante, pero es lo que la naturaleza realmente hace.

Las fuerzas eléctricas son muy grandes, mucho más grandes que la fuerza de la gravedad. A diferencia de la gravedad, hay dos tipos de carga eléctrica, (mientras que solo hay un tipo de gravedad, que solo es atractiva).

Las cargas opuestas se atraen:

Las cargas iguales se repelen.

Las cargas opuestas se atraen.

Las cargas iguales se repelen:

ELECTRIZACIÓN

Se llama ELECTRIZACIÓN a la acción de cargar eléctricamente un cuerpo. Para ello, existen tres formas de hacerlo:

ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO:
Ocurre cuando dos objetos no cargados de diferente material, se frotan entre sí hasta que al separarlos ambos quedan con cargas opuestas. Este método es el más sencillo y desde la antigüedad se conocía.

ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO:
Ocurre cuando un cuerpo cargado toca a otro objeto, transmitiéndole parte de su carga con igual signo.

ELECTRIZACIÓN POR INFLUENCIA:
Ocurre cuando un cuerpo cargado se aproxima a otro objeto, pero sin llegarlo a tocar, y este último adquiere una carga eléctrica aunque de signo contrario al primero.

EL ELECTROSCOPIO: Es un dispositivo que permite detectar la presencia de cargas eléctricas en un cuerpo. Está compuesto por una botella de vidrio que posee dos láminas de aluminio unidas a un cable conductor hacia la boca del recipiente. El conductor está aislado de la botella por un tapón no conductor de la electricidad.

Cuando se aproxima un objeto cargado electrostáticamente, el conductor se electriza por influencia, y hace que en el extremo de las láminas adquieran una carga de igual signo que el objeto. Al ser del mismo signo las dos láminas se repelen y su movimiento sirve como prueba de que el objeto sí estaba cargado.

LEY DE COULOMB

En la Ley de las Cargas se afirma que las cargas eléctricas que se aproximan pueden atraerse o repelerse según su signo, indicando que entre ambas debe de surgir una FUERZA capaz de ocasionar ese movimiento. El valor de dicha fuerza se establece en la ley descubierta por el científico Charles de Coulomb, la cual lleva su nombre:

LEY DE COULOMB:
La fuerza de atracción o repulsión entre dos carga eléctricas, es directamente proporcional al producto de sus cargas y es inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa:

F = fuerza eléctrica
K = constante dieléctrica
q₁ = carga número 1
q₂ = carga número 2
d = distancia entre q₁ y q₂

El valor de K se llama constante dieléctrica del medio, que depende del tipo de material en el que se encuentran las cargas. Sin embargo, el caso más importante y práctico es en el vacío, donde equivale a:

Observación: En la fórmula de la Ley de Coulomb, aparece una magnitud física nueva: La Carga Eléctrica Q, la cual no puede expresarse en términos de las tres magnitudes básicas comunes (longitud, masa y tiempo) ya que es de naturaleza diferente a las demás. Por lo tanto, la carga eléctrica se la considera como una nueva magnitud básica denotada por "C".

En el sistema MKS, la unidad de carga eléctrica es el COULOMBIO (C). Un coulombio es la carga eléctrica que actuando a un metro de distancia de otra igual en el vacío, la repele con una fuerza de 9x10⁹ Newtons.

VALORES DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS:

Para determinar en qué medida los cuerpos cargados tienen mayor o menor CANTIDAD DE ELECTRICIDAD que otros, se debe emplear una magnitud que permita medir los valores de las cargas eléctricas.

En general, el término "Carga Eléctrica" es sinónimo de la "Cantidad de Electricidad" que tiene un cuerpo. 

La unidad de carga eléctrica más elemental, es la carga que posee un electrón (e^-), ya que son precisamente los electrones quienes originan los fenómenos eléctricos.

Sin embargo, el valor de la carga de un electrón es una unidad extremadamente pequeña para usos prácticos, por lo que se usa el Coulombio (C) que es mucho más grande. La equivalencia entre ambos es de:

1 coulombio = 6.25x10¹⁸ electrones

De donde: 1 electrón = 1.6x10^-19 coulombios

NOTA: Este último valor es una constante llamada Carga del Electrón. La carga del electrón también es igual en valor a la Carga del Protón (1.6x10^-19 C), sólo que en el electrón es negativa y en el protón es positiva.

CAMPOS ELÉCTRICOS

Todo cuerpo cargado eléctricamente, crea a su alrededor un campo de fuerzas, llamado CAMPO ELÉCTRICO, que es la región del espacio en donde "actúa" la presencia de la carga eléctrica.

Los campos eléctricos se representan mediante líneas imaginarias de las fuerzas eléctricas, las cuales son tangentes a la dirección del campo eléctrico en los diferentes puntos del espacio. Estas líneas permiten trazar las direcciones de las fuerzas (como vectores) indicando la extensión y forma del campo. Las líneas se dibujan con flechas que siempre van (por convención) apuntando hacia afuera si la carga es positiva (+), o apuntando hacia adentro si la carga es negativa (-). Además, por cada punto del espacio sólo pasa una línea de fuerza a excepción de los puntos donde el campo es nulo.

Campo Eléctrico Uniforme

Campos Eléctricos de una carga positiva y negativa.

Campo Eléctrico de dos cargas iguales

Campo Eléctrico de dos cargas diferentes

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO:

La INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO en un punto, es la razón entre la fuerza que se ejerce en ese punto sobre la carga eléctrica que origina el campo:

E = Intensidad del Campo

F = fuerza del campo eléctrico

Q = carga que origina el campo

La intensidad del campo eléctrico se mide usualmente en Newtons/Coulombios. De la anterior expresión y a partir de la Ley de Coulomb se obtiene también:

Ejemplos de Ejercicios Resueltos de la Electrostática

   Pon a prueba lo que has aprendido en el tema Electrostática con esta lista de ejercicios con 

   sus respectivas soluciones.

         Ley de Coulomb

         La fuerza del electrón y el protón

   La fuerza del electrón y el protón

   Problema

       ¿Con que fuerza se atraen o se repelen un electrón y un protón situados a 10^-7 m de distancia?

          ¿Qué indica el signo de la fuerza que has obtenido?
     (datos: q_e = -1.6·10^-19 C; q_p = 1.6·10 ^-19 C; K = 9 · 10⁹ N·m²/c²)

       Datos

        q_e = -1.6·10^-19 C
        q_p = 1.6·10 ^-19 C
        r = 10^-7 m

    Solución   

      Aplicando la expresión de la fuerza eléctrica de la ley de Coulomb, obtenemos que:

      F=K⋅qe⋅qpr2⇒F=9⋅109⋅1.6⋅10−19⋅−1.6⋅10−19(10−7)2⇒F=−2.30⋅10−14 N

      El signo negativo en la fuerza indica que las cargas se atraen, ya que son cargas de distinto signo.

      Distancia entre cargas

      Ley de Coulomb con Más de Dos Cargas

      Un sistema de 3 cargas

      Problema

6.               Dado el sistema de cargas de la figura, determina la fuerza que experimenta q₂ sabiendo

            que las tres cargas se encuentran en el vacío y el sistema de referencia está expresado en metros.

            Solución

            Datos

           q₁ = -4 µC = -4·10^-6 C
           q₂ = 2 µC = 2·10^-6 C
           q₃ = -5 µC = -5·10^-6 C

           K = 9·10⁹ N·m²/C²

           Distancia entre q₁ y q₂. d_1,2 = 5 m
           Distancia entre q₃ y q₂. d_3,2 = 9 - 5 = 4 m

           Tenemos;

           Aplicando el principio de superposición de fuerzas eléctricas, la fuerza (F→2)  

           que actúa sobre q₂ será la suma vectorial de:

•  la fuerza que ejerce q₁ sobre q₂ (F→1,2). Como q₁ y q₂ tienen distinto signo, F→1,2 será     atractiva.
• la fuerza que ejerce q₃ sobre q₂ (F→3,2). Como nuevamente q₂ y q₃ tienen distinto signo, F→3,2 será atractiva.

F→2=F→1,2+F→3,2

               Vamos a estudiar F→1,2 y F→3,2 por separado:

               Fuerza F→1,2

              Aplicando la ley de Coulomb sobre las cargas q₁ y q₂ obtenemos que:

F→1,2=K⋅q1⋅q2d1,22⋅u→1,2

             Por definición, u→1,2 es un vector unitario que tiene la misma dirección que la fuerza

             y el mismo sentido si q₁ y q₂ tienen el mismo signo y sentido opuesto si tienen signo 

             distinto. En nuestro caso el signo es distinto, por lo que será un vector unitario que

             va en dirección y sentido del eje x.

           ¿Ese vector te suena de algo?. Probablemente si, se trata del vector i o u x. 

             Por tanto, u→1,2=i→:F→1,2=K⋅q1⋅q2d1,22⋅i→⇒F→1,2=9⋅109⋅−4⋅10−6⋅2⋅10−652⋅i→

            ⇒F→1,2 = −2.88⋅10−3⋅i→N  

            Fuerza F→3,2

            Al igual que con F1, vamos a utilizar la ley de Coulomb, pero esta vez para 

            estudiar la fuerza que ejerce q₃ sobre q₂:

F→2,3=K⋅q3⋅q2d2,32⋅u→3,2

         En este caso u→3,2 es precisamente el opuesto del vector i→, ya que "mira" en 

         sentido opuesto al eje x. Por tanto:

F→2,3=K⋅q3⋅q2d2,32⋅(−i→) ⇒F→2,3=9⋅109⋅−5⋅10−6⋅2⋅10−642⋅(−i→) ⇒

F→2,3=−5.62⋅10−3⋅(−i→) ⇒ F→2,3=5.62⋅10−3⋅i→ N

         Una vez que conocemos ambas fuerzas, podemos calcular la fuerza resultante 

          que actúa sobre la carga q₂:

 F→2=F→1,2+F→3,2 ⇒F→2=−2.88⋅10−3⋅i→ + 5.62⋅10−3⋅i→ ⇒F→2=2.74⋅10−3⋅i→ N

        Cargas en un triángulo rectángulo

         Problema

                      Dado el sistema de cargas de la figura, determina el valor de la fuerza que experimenta q₁

               sabiendo que las tres cargas se encuentran en el vacío.

           Solución

          Datos

           q₁ = -7 µC = -7·10^-6 C
           q₂ = 4 µC = 4·10^-6 C
           q₃ = 3 µC = 3·10^-6 C

            K = 9·10⁹ N·m²/C²

            Distancia entre q₂ y q₁. r_2,1 = 10 cm = 0.1 m
            Distancia entre q₃ y q₁. r_3,1 = 50 cm = 0.5 m

             Resolución

             Aplicando el principio de superposición de fuerzas eléctricas, la fuerza (F→1) 

             que actúa sobre q₁ será la suma vectorial de:

• la fuerza que ejerce q₂ sobre q₁ (F→2,1). Como q₁ y q₂ tienen distinto signo, F→2,1 será atractiva.
• la fuerza que ejerce q₃ sobre q₁ (F→3,1). Como nuevamente q₃ y q₁ tienen distinto signo, F→3,1 será atractiva.

F→1=F→2,1+F→3,1

           Vamos a estudiar cada fuerza por separado:

           Fuerza F→2,1

           Aplicando la ley de Coulomb sobre las cargas q₁ y q₂ obtenemos que:

F→2,1=K⋅q2⋅q1r2,12⋅u→2,1

            Por definición, u→2,1 es un vector unitario que tiene la misma dirección que la fuerza

            y el mismo sentido si q₁ y q₂ tienen el mismo signo y sentido opuesto si tienen signo

            distinto. En nuestro caso el signo es distinto, por lo que será un vector unitario

            que va en dirección y sentido contrario al eje y.

            ¿Ese vector te suena de algo?. Probablemente si, se trata del vector j→ o uy→ 

             pero en sentido contrario. Por tanto, u→2,1=−j→:

F→2,1=K⋅q2⋅q1r2,12⋅u→2,1 ⇒F→2,1=9⋅109⋅4⋅10−6⋅−7⋅10−60.12⋅−j→

 ⇒F→2,1=−25.2⋅−j→ ⇒F→2,1=25.2 ⋅j→N

               Fuerza F→3,1

             Al igual que con F→2,1, vamos a utilizar la ley de Coulomb, pero esta vez para 

             estudiar la fuerza que ejerce q₃ sobre q₁:

F→3,1=K⋅q3⋅q1r3,12⋅u→3,1

[Referencias]

https://www.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-electrostatics/ee-electric-force-and-electric-field/a/ee-electric-field