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Preuniversitario Esperanza Joven
Curso Fı́sica Intensivo, Módulo Común
Guı́a 12
Electricidad I
Nombre:
Fecha:
Cargas positivas y negativas: Si se toma una varilla de vidrio y se frota con
seda colgándola de un hilo largo, se observa que al aproximar una segunda
varilla (frotada con seda) se produce una repulsión mutua. Sin embargo,
si se aproxima una varilla de ebonita, previamente frotada con una piel,
se observa que atrae la varilla de vidrio colgada. Estos hechos se explican
diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga electrica y que las
cargas en las dos varilla ejercen fuerzas entre sı́. La conclusión de tales
experiencias es que sólo hay dos tipos de carga y que cargas similares se
repelen y cargas diferentes se atraen.
Principio de conservación de la carga
En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no
hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga
total de un sistema aislado se conserva.
Cuantización de la carga
La experiencia ha demostrado que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible tomar valores
arbitrarios, sino que los valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica
mı́nima. Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al
valor de la carga eléctrica que posee el electrón. Vale la pena destacar que para el electrón la carga es −e,
para el protón +e y para el neutrón, 0.
Medición de la carga
El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones
que posea en exceso o en defecto. En el SI, la unidad de carga eléctrcia se denomina Culombio (sı́mbolo
C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de
carga igual, la fuerza de 9 × 109 N. Un culombio corresponde a 6, 24 × 1018 electrones. En consecuencia,
la carga del electrón es e = −1, 6 × 10−19 C.
Distribución de las cargas eléctricas en los conductores
Cualquiera sea el signo de las cargas en un conductor, éstas siempre estarán situadas en su superficie externa. Esto tiene su justificación en el principio de repulsión de las cargas eléctricas del mismo signo.
Formas de electrizar un cuerpo
I. Electrización 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 se toca un cuerpo neutro con otro
con carga positiva, el primero también queda con carga positiva.
II. Electrización por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan, uno
con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda,
hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda.
III. Electrización por inducción: La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está 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. Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera:
el cuerpo electrizado provoca el despazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este
proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en
algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente.
Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor,
induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
Electroscopio
Es un instrumento que permite determinar si un cuerpo tiene carga neta. Un electroscopio sencillo consiste
en una varilla metálica vertical que tiene un bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas
de oro muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con
un armazón de metal en contacto con tierra.
En la figura se aprecia la siguiente situación: (a) El
electroscopio se encuentra nuetro (la misma cantidad
de cargas negativas y positivas), (b) al acercar una
barra cargada porsitivamente, el conductor se polariza concentrando cargas negativas en la parte superior y negativas en la parte inferior haciendo que las
láminas sientan repulsión, (c) sin quitar la barra, el
conductor se conecta a tierra mediante una conexión,
”subiendo”tanto electrones tal que neutralizan las cargas positivas. La(s) lámina(s) de oro cae(n) por acción
de la gravedad. (d) Al retirar la barra, vemos que la
carga en el conductor se redistribuye y éste queda cargado negativamente.
Ley de Coulomb
En 1785 Charles Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza elécrica entre dos partı́culas estacionarias con carga. Los experimentos muestran que una fuerza eléctrica tiene las siguientes propiedades:
1. Es inversamente proporcional al cuadrado de la separación, r, entre las dos partı́culas y se ejerce a lo
largo de la lı́nea recta que las une.
2. Es proporcionalmente al producto de las magnitudes de las cargas q1 y q2 , de las dos partı́culas.
3. Es de atracción si las cargas son de dignos opuestos y de repulsión si las cargas tienen el mismo signo.
Dos cargas puntuales Q1 y Q2 separadas a una distancia r y situadas en el vacı́o, se atraen o repelen con
una fuerza de intensidad F , la cuál está dada por:
F = K0 ·
|Q1 | · |Q2 |
r2
2
donde K0 = 9 × 109 NC·m
2 . Si se sumergen estas cargas en un medio material, el valor de la fuerza entre
ellas se vuelve K veces menor, donde K es la constante dieléctrica de este medio.
Ejercicios
1) Tres cuerpos idénticos se pondrán en contacto. Antes de ponerse en contacto A tenı́a una carga de 40
[C], B de −28 [C] y C estaba neutro. Al hacer contacto simultáneo entre ellos y al mismo tiempo se
conecta el cuerpo C a tierra, entonces será correcto que después de unirse
A) cada uno de ellos queda con carga neta igual a 4 [C]
B) A y B cada uno queda con carga neta 6 [C]
C) ninguno de los tres cuerpos queda con carga neta
D) A queda con 40 [C], pero B y C cada uno queda con carga
−14 [C]
E) A queda con 4 [C], B y C cada uno con −4 [C]
2) Respecto a los materiales neutros y los que presentan una carga neta se afirma que
I) dos cuerpos con carga neta distinta de cero pueden repelerse o atraerse entre si.
II) dos cuerpos neutros a veces se atraen y otras veces no sienten atracción.
III) un cuerpo neutro y uno con carga neta puede haber atracción entre ellos.
Es(son) verdadera(s)
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y II
E) Sólo I y III
3) Una barra neutra C, es colocada cerca y a igual distancia de dos barras A y B, tal como se aprecia en la
figura. El cuerpo A tiene una carga de 20 [C] y el cuerpo B posee una carga neta de −8 [C]. Es correcto
decir después de esto que el cuerpo C
A)
B)
C)
D)
E)
tiene una carga neta de 12 [C].
tiene una carga neta de 4 [C].
continúa neutro.
está con carga neta positiva pero no se sabe cuanto es su carga neta.
la mitad está con 10 [C] y su otra mitad con −4 [C]
4) Un cuerpo M está neutro y se diseña un sistema para extraerle un millón de electrones, al hacer esto la
carga neta de M es
A)
B)
C)
D)
E)
0C
1, 6 × 10−6 C
−1, 6 × 10−6 C
1, 6 × 1013 C
1, 6 × 10−13 C
5) La figura muestra un electroscopio de hojas en el cual tiene sus láminas separadas, la explicación
correcta para esto es que el electroscopio
A) debe estar en su parte superior con carga neta positiva y en la
parte inferior negativa.
B) debe estar en su parte superior con carga neta negativa y en la
parte inferior positiva
C) está con carga neta negativa.
D) está con carga neta positiva.
E) está cargado positivamente o negativamente, faltando datos para
saber el signo de su carga.
6) Sobre una mesa metálica ubicada sobre el piso se coloca un cuerpo C con carga neta de 40 [C], sobre C
se coloca un cuerpo neutro B y sobre B se coloca un cuerpo A con una carga neta de −10 [C], entonces
después de apilar los cuerpos, hechos de material conductor, es correcto que
A) A queda con carga neta de 10 [C]
B) B queda con carga neta de −10 [C]
C) B queda con carga neta de 15 [C]
D) A queda neutro
E) C queda con carga neta de 20 [C]
7) Una persona infla un globo y luego de anudarlo lo frota contra el pelo de su cabeza para finalmente
adosarlo a la pared por el lado en que lo frotó. Es correcto decir que
A) la carga con la que quedó el globo la reparte con el muro y se repelen de inmediato.
B) el globo se cae ya que se descarga con el muro y queda neutro.
C) el globo queda adosado al muro que este se polariza y ası́ se atrae con el globo.
D) el globo queda adherido al muro ya que el globo está neutro pero polarizado y esto hace que exista
atracción entre el muro y el globo.
E) el globo se cae de inmediato debido a que la fuerza de gravedad es mucho mayor que la fuerza
eléctrica.
8) Un electrón se ubica cerca de un neutrón, entonces se cumplirá respecto a la fuerza entre ellos que
A) la fuerza que ejerce el electrón sobre el neutrón es de mayor magnitud que la que ejerce el neutrón
sobre el electrón.
B) habrá atracción al principio y luego repulsión.
C) no hay fuerza eléctrica de atracción entre ellos ni de repulsión.
D) se atraen con fuerzas de igual módulo y distinta de cero.
E) se ejercen fuerzas negativas y atractivas.