Interacción electrostática y Ley de Coulomb.
Las interacciones que se presentan
entre iones, dipolos permanentes o inducidos, cuadrupolos permanentes o
inducidos, etc. reciben el nombre de interacciones electrostáticas. No
obstante, en esta sección se distinguirá (después se verá por qué) entre las
interacciones puramente electrostáticas, es decir las que provienen de la
ley de Coulomb y las que están relacionadas con la polarizabilidad
molecular o atómica. Dentro del primer apartado se van a estudiar solamente las
interacciones más habituales: entre dos iones (ión-ión), entre un ión y un dipolo
eléctrico (ión-dipolo) y entre dos dipolos (dipolo-dipolo)
Las interacciones electrostáticas están representadas por la ley de
Coulomb y el uso riguroso de esta ley implicaría considerar cada núcleo atómico
y cada electrón separadamente, introducir sus funciones de onda en la ecuación
de Schrödinger y aplicar los métodos de la química cuántica resolviendo la
ecuación para la configuración de
núcleos en la que estemos interesados. Para una bio-macromolécula esto sería
una tarea de proporciones tales que, hoy por hoy, es prácticamente inabordable.
Los dos tipos de interacciones electrostáticas (i.e.) más relevantes en
las estructuras de las macromoléculas Biológicas son:
a)
Interacciones iónicas: formación de pares iónicos o sistemas iónicos de más
alta complejidad (triples iones, etc.)
b)
Interacciones dipolares: Como hicimos anteriormente debemos distinguir
entre i.e. intra moleculares y las i.e. intermoleculares
(especialmente las que se producen entre la macromolécula y el disolvente). No
obstante para un biopolímero en disolución las segundas afectan sensiblemente a
las primeras; así por ejemplo la formación de un pariónico en una proteína o la
repulsión entre cargas de los grupos fosfato en una doble hélice de ADN
dependen fuertemente de la fuerza iónica, I, de la disolución. En este segundo
ejemplo la dependencia es tan marcada que la doble hélice no se forma a I = 0 mientras
que a elevada fuerza iónica su formación es espontánea y termodinámicamente estable.
La Ley de Coulomb, que establece cómo es
la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida
de la Electrostática como ciencia cuantitativa.
Fue descubierta
por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero
fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.
Entendemos por carga puntual una carga eléctrica
localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual
no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando
estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente
cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen
entre ellos.
La Ley de Coulomb dice que "la
fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de
las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión
si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo
contrario".
Es importante
hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:
a) cuando hablamos de la fuerza
entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en
reposo (de ahí la denominación de Electrostática); Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud,
dirección y sentido.
b) las fuerzas electrostáticas
cumplen la tercera ley de Newton (ley
de acción y reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, pero de
sentido contrario:
Fq1 → q2 = −Fq2
→ q1;

En términos matemáticos, esta ley se refiere a la magnitud F de la
fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1y q2
ejerce sobre la otra separadas por una distancia r y se expresa en forma de
ecuación como:

k es una constante conocida como constante
Coulomb y las barras denotan valor absoluto.
F es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de
atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (en función de que
las cargas sean positivas o negativas).
- Si las cargas son de signo opuesto (+ y –), la fuerza "F" será negativa, lo que indica atracción
- Si las cargas son del mismo signo (– y – ó + y
+), la fuerza "F" será
positiva, lo que indica repulsión.

En el gráfico vemos que, independiente del signo que ellas posean, las fuerzas se ejercen siempre en la misma dirección (paralela a la línea que representa r), tienen siempre igual módulo o valor (q1 x q2 = q2 x q1) y siempre se ejercen en sentido contrario entre ellas.
Recordemos que la unidad por carga eléctrica en el Sistema Internacional
(SI) es el Coulomb.
c) hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida
desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las
existentes entre protones y electrones en un átomo.
Y la recapitulación de éstos mismos...
SEMANA 4
3, 5, 6. 02. 2015
SEMANA4
SESIÓN
10
|
Física 2
UNIDAD
5: FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS
|
contenido
temático
|
5.4 Interacción electrostática. Ley de Coulomb.
|
Aprendizajes esperados del grupo
|
Conceptuales
Procedimentales
·
Investigaciones
bibliográficas.
·
Medición y relación de variables.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
-
Cooperación,
responsabilidad respeto y tolerancia, contribuirá al
trabajo en un ambiente de confianza.
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Materiales generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación en el cuaderno
de las indagaciones bibliográficas del tema.
De laboratorio:
Dos
globos, hilo, varilla de vidrio, varilla de plástico, regla.
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Desarrollo del proceso
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FASE DE APERTURA
-
El Profesor hace la presentación de las preguntas:
-
Los alumnos en equipo,
discuten y escriben sus respuestas en el cuadro, utilizando el procesador de
palabras:
-
Se realiza una discusión en
el grupo, mediada por el Profesor para consensar las respuestas.
FASE DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las
indicaciones del Profesor:
-
Solicitar el material
requerido para realizar las actividades siguientes:
No olvidar foto del experimento
Globos
suspendidos de un mismo punto cargadas con el mismo signo
Dos globos suspendidos de un mismo punto se cargan eléctricamente de igual signo. Se puede observar la separación entre ellas por efecto de la fuerza de repulsión.
Globos
suspendidos independientes cargadas con el mismo signo
Dos globos suspendidos y las cuales se pueden ubicar a distintas distancias se cargan eléctricamente de igual signo. Se puede observar el aumento de la separación entre ellas por efecto de la fuerza de repulsión.
Globos
suspendidos independientes cargadas con signos contrarios
Dos pequeñas esferas suspendidas y las cuales se pueden ubicar a distintas distancia se cargan eléctricamente de distinto signo. Se puede observar la disminución de la separación entre ellas por efecto de la fuerza de atracción.
Dos
esferas cargadas
Dos globos suspendidos que se pueden ubicar a distintas
distancias se cargan eléctricamente de igual o distinto signo. Se puede
observar que al variar la separación entre ellas varia la fuerza
interactuante.
Con la regla se miden los diferentes diámetros de los globos y distancias de atracción y repulsión en cada
caso.
Por equipo tabulan y grafican los datos obtenidos.
Los alumnos discuten y obtiene conclusiones:
Equipo 1: Con este experimento
pudimos observar la fuerza de atracción y repulsión de un campo eléctrico.
Las cargas son diferentes por el tamaño y distancia del globo.
Equipo 2: Pudimos observar en este
experimento que la fuerza de atracción y repulsión se debe a los diferentes
tamaños de los globos y la distancia en la que éstos se encontraban, esto
quiere decir que tienen cargas diferentes.
Equipo5: En esta actividad
podemos comprobar que las cargas de los globos de diferente equipo son
distintas y por lo tanto la distancia que se observan son diferentes.
FASE DE CIERRE
Al final de las
presentaciones, se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de
lo que se aprendió y aclaración de
dudas por parte del Profesor.
Actividad Extra clase:
Los alumnos llevaran la información a su casa y los que tengan computadora e
internet, indagaran los temas de la siguiente sesión, de acuerdo al
cronograma.
Se les sugiere que abran
una carpeta nombrada Física 1; en la cual almacenaran su información, se
les solicitara que los equipos formados, se comuniquen vía e-mail u otro programa para comentar y analizar los
resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente clase en USB.
Los alumnos
que tengan PC y Programas elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe en Power
Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad. Completar ejercicios
referentes a la Ley de Coulomb.
Ejercicio E-1
Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = + 1 x 10-6 C. y q2 = + 2,5 x 10-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm. Ejercicio E-2 Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C. y q2 = +2 x 10-5 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm. Protón= 1,602 x 10–19 culombios Electrón = Carga eléctrica: −1.6 × 10−19C Ejercicio E-5 Calcular la fuerza entre dos cargas: a) De + 5C y +3C situadas a 10 cm. Ejercicio E-6 Calcular la fuerza entre dos cargas: a)De + 5C y -3C situadas a 10 cm. Ejercicio E-3 ¿Cuál debe ser la distancia entre la carga puntualq1=26.3 C y la carga puntual q2=-47.1C para que la fuerza de atracción entre ambas sea de 5.66 N? f=k(q1q2)/r2 r2=k(q1q2)/f r=√ k(q1q2)/f r= √9 * 109 * N * m2 / C2(26.3*47.1)/5.66 r=√1969.71*109/5.66 r=√348*109 r=1.86*103m Ejercicio E-4 Calcular la distancia entre el electrón y el protón de un átomo de hidrógeno, si la fuerza de atracción es de 8,17 x10-8 N R= f=k(q1q2)/r2 f= 9 * 109 * N * m2 / C2 ( 1,602 x 10–19 )(-1,602*10-19 )/r2 8,17 x10-8 N= 9 * 109 * N * m2 / C2 ( 1,602 x 10–19 )(-1,602*10-19 )/r2 R=√9 * 109 * N * m2 / C2 ( 1,602 x 10–19 )(-1,602*10-19 )/ 8,17 x10-8 N R=√23.04*10-29 /8.17*10-8 R=√2.82*10-21 R=1.679*10-21 m. |
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Campo eléctrico.
Una carga
eléctrica puntual q (carga de prueba) sufre, en presencia de otra carga q1
(carga fuente), una fuerza electrostática. Si eliminamos la carga de prueba,
podemos pensar que el espacio que rodea a la carga fuente ha sufrido algún tipo
de perturbación, ya que una carga de prueba situada en ese espacio sufrirá una
fuerza.
La perturbación
que crea en torno a ella la carga fuente se representa mediante un vector denominado campo eléctrico. La dirección y
sentido del vector campo eléctrico en un punto vienen dados por la dirección y
sentido de la fuerza que experimentaría una carga positiva colocada en ese
punto: si la carga fuente es positiva, el campo eléctrico generado será un
vector dirigido hacia afuera (a) y si es negativa, el campo estará dirigido
hacia la carga (b):
![]() |
Campo eléctrico
creado en el punto P por una carga de fuente q1 positiva
(a) y por una otra negativa (b).
|
El campo eléctrico
E creado por la carga puntual q1
en un punto cualquiera P se define como:

donde q1
es la carga creadora del campo (carga fuente), K es la constante electrostática, r es la distancia desde la
carga fuente al punto P y ur
es un vector unitario que va desde la carga fuente hacia el punto donde se
calcula el campo eléctrico (P). El
campo eléctrico depende únicamente de la carga fuente (carga creadora
del campo) y en el Sistema Internacional se mide en N/C o V/m.
Si en vez de
cargas puntuales se tiene de una distribución contínua de carga (un objeto
macroscópico cargado), el campo creado se calcula sumando el campo creado por
cada elemento diferencial de carga, es decir:

Esta integral,
salvo casos concretos, es difícil de calcular. Para hallar el campo creado por
distribuciones contínuas de carga resulta más práctico utilizar la Ley de Gauss.
Una vez conocido
el campo eléctrico E en un punto
P, la fuerza que dicho campo ejerce sobre una carga de prueba q que se
sitúe en P será:

por tanto, si la
carga de prueba es positiva, la fuerza que sufre será paralela al campo
eléctrico en ese punto, y si es negativa la fuerza será opuesta al campo,
independientemente del signo de la carga fuente.
En la siguiente
figura se representa una carga fuente q1 positiva (campo
eléctrico hacia afuera) y la fuerza que ejerce sobre una carga de prueba q
positiva (a) y sobre otra negativa (b):
![]() |
Fuerza que un
campo eléctrico E ejerce sobre
una carga de prueba q positiva (a) y sobre otra negativa (b).
|
El campo eléctrico
cumple el principio de superposición, por lo que el campo total en un punto es
la suma vectorial de los campos eléctricos creados en ese mismo punto por cada
una de las cargas fuente.
Intensidad del campo eléctrico.
Si en una región del espacio existe un campo eléctrico se utiliza
una carga q de prueba
Si en dicha región esta carga experimenta una carga eléctrica entonces matemáticamente el campo eléctrico se expresa así:
E = F/ q
Donde:
E=Intensidad del campo eléctrico
F=Fuerza eléctrica, y q=Carga de prueba.
La dirección y sentido del campo eléctrico son los mismos que los de la fuerza eléctrica.
Para calcular el campo eléctrico se toma:
Carga Q como la carga puntual que genera el campo.
R como la distancia entre la carga que genera el campo y el punto P donde se quiere determinar le intensidad del campo.
Si en dicha región esta carga experimenta una carga eléctrica entonces matemáticamente el campo eléctrico se expresa así:
E = F/ q
Donde:
E=Intensidad del campo eléctrico
F=Fuerza eléctrica, y q=Carga de prueba.
La dirección y sentido del campo eléctrico son los mismos que los de la fuerza eléctrica.
Para calcular el campo eléctrico se toma:
Carga Q como la carga puntual que genera el campo.
R como la distancia entre la carga que genera el campo y el punto P donde se quiere determinar le intensidad del campo.
SEMANA4
SESIÓN
11
|
Física 2
UNIDAD
5: FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS
|
contenido
temático
|
5.5 Campo eléctrico.
5.6 Intensidad del campo eléctrico.
|
Aprendizajes esperados del grupo
|
Conceptuales
electrizados.
Procedimentales
·
Elaboración
de experimentos.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
|
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Materiales generales
|
Computo:
-
PC, Conexión a internet
De proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
Simulador de campo eléctrico.
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación en el cuaderno
de las indagaciones bibliográficas del tema.
De laboratorio:
Generador de Wimshurt,
aceite comestible, semillas de pasto, electrodos.
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Desarrollo del proceso
|
FASE DE APERTURA
El Profesor
hace la presentación de las preguntas:
Los alumnos en
equipo, discuten y escriben sus respuestas en el cuadro, utilizando el
procesador de palabras:
-
Se realiza una discusión en
el grupo, mediada por el Profesor para consensar las respuestas.
FASE DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las
indicaciones del Profesor
-
Solicitar el material
requerido para realizar las actividades siguientes:
Procedimiento:
CONSULTAR EL
SIMULADOR DE CARGAS y presentar la actividad
http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_en.html
1 UNA CARGA
ELECTRICA POSITIVA
2 UNA CARGA
ELECTRICA NEGATIVA
3 DOS CARGAS
ELECTRICAS NEGATIVAS
4 DOS CARGAS
ELECTRICAS POSITIVAS
5 UNA CARGA
ELECTRICA POSITIVA Y UNA CARGA ELECTRICA NEGATIVA
6 DOS CARGAS
ELECTRICAS POSITIVAS Y DOS CARGAS ELECTRICAS NEGATIVAS.
http://www.hiru.com/fisica/la-carga-electrica-ley-de-coulomb
Carga puntual
-
Por medio
del uso de aceite, semillas de pasto y empleando un pequeño electrodo
cilíndrico que se carga con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas
de campo para una carga puntual.
Con
el simulador de campo eléctrico generar en 3D el campo generado por la carga:
Cargas puntuales con igual signo
Por medio del uso de aceite, semillas de pasto y empleando dos electrodos cilíndricos que se cargan de igual signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo para dos cargas eléctricas puntuales del mismo signo. (+ y -)
Lámina finita
Por medio
del uso de aceite, semillas de grama y empleando una láminas metálicas finita
que se carga con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo
eléctrico correspondientes.
Láminas finitas con igual signo
Por medio del uso de aceite, semillas de pasto y empleando dos láminas metálicas finitas que se cargan de igual signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico para láminas finitas paralelas del mismo signo. Se pueden observar los efectos de bordes.
-
Los alumnos discuten y obtienen
conclusiones.
FASE DE CIERRE
Al final de las presentaciones,
se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo que se aprendió y aclaración de dudas por
parte del Profesor.
Actividad Extra clase:
Los alumnos llevaran la información a su casa y los que tengan computadora e
internet, indagaran los temas de la siguiente sesión, de acuerdo al
cronograma.
Se les sugiere que abran
una carpeta nombrada Física 2; en la cual almacenaran su información, se
les solicitara que los equipos formados, se comuniquen vía e-mail u otro programa para comentar y analizar los
resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente clase en USB.
Los alumnos
que tengan PC y Programas elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
|
Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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Y la recapitulación de éstos mismos...
SEMANA4
SESIÓN
12
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Física 2
UNIDAD
5: FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS
|
contenido
temático
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REAPITULACION 4
|
Aprendizajes esperados del grupo
|
Conceptuales
·
Comprenderá las características de
las interacciones electrostáticas, la Ley de Coulomb y el campo eléctrico
generado.
Procedimentales
·
Elaboración
de resúmenes.
·
Presentación en equipo
Actitudinales
|
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Materiales generales
|
Computo:
-
PC, Conexión a internet
De proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación de información
de las dos sesiones anteriores.
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Desarrollo del proceso
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FASE DE APERTURA
- Cada equipo realizara una autoevaluación de los temas aprendidos
en las dos sesiones anteriores.
1. ¿Qué temas se abordaron?
2. ¿Que aprendí?
3. ¿Qué dudas tengo?
FASE DE DESARROLLO
- Les solicita que un alumno de
cada equipo lea el resumen elaborado.
- El Profesor pregunta acerca
de las dudas que tengan acerca de los temas vistos en las dos sesiones
anteriores, características y tipo de ondas mecánicas.
FASE DE CIERRE
El Profesor concluye con un
repaso de la importancia de las características de
las interacciones electrostáticas, la Ley de Coulomb y el campo eléctrico
generado.
Revisa el trabajo a cada alumno
y lo registra en la lista.
Actividad Extra clase:
Los alumnos llevaran la
información a su casa y los que tengan
computadora e internet, indagaran los temas siguientes de acuerdo al
cronograma, solicitándoles que incluyan fotos de los experimentos en el Blog
que contendrá su información, asimismo se les solicitara que los equipos
formados, se comuniquen vía e-mail u otro
programa para comentar y analizar los resultados para presentarla al
Profesor en la siguiente clase.
Los alumnos que tengan PC y Programas elaboraran su informe,
empleando el programa Word, para
registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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SEMANA 4
3, 5, 6. 02. 2015
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