FISICA II - CARGA ELECTRICA Y MATERIA

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO
POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO (IUPSM)
CARGA ELÉCTRICA, MATERIA, LEY DE GAUSS,
LÍNEAS DE FUERZA
ENSAYO DE PRIMER CORTE 20%
FÍSICA II.
ALUMNO
LUIS FERNANDO PATO
C.I.: V.-22.091.762
MAYO 2020

2. DESARROLLO
MATERIA
Cualquiera que sea su forma, la materia está constituida por las
mismas entidades básicas, los átomos. Estos a su vez están formados por
partículas elementales portadoras de carga eléctrica, estas son: a.- Se
sitúan en el núcleo del átomo, en ellos reside la carga positiva:
PROTONES; b.- Se sitúan en la corteza del átomo, en ellos reside la
carga negativa: ELECTRONES. Objeto cargado: exceso de electrones
(negativa) o protones (positiva)
CARGA ELÉCTRICA
La carga eléctrica (q) es una propiedad fundamental de la materia
específicamente de sus partículas elementales, caracterizada a partir de
la fuerza electrostática, también se dice que es una magnitud fundamental
de la física, responsable de la interacción electromagnética. Cuando la
carga no varía con el tiempo se dice que el sistema está en Equilibrio
Electrostático.

3. 2
CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA ELÉCTRICA
I) Dualidad de la Carga: Todas las partículas cargadas pueden
dividirse en positivas y negativas, de forma que las de un mismo signo se
repelen mientras que las de signo contrario se atraen, esto último se
conoce como Primera ley de la electrostática. 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.
II) Conservación de la carga: En cualquier proceso físico, la carga
total de un sistema aislado se conserva. Es decir, la suma algebraica de
cargas positivas y negativas presente en cierto instante no varía. Por ello
en todo proceso, físico o químico, la carga eléctrica no se crea ni se
destruye, sólo se transfiere.
Carga= carga neta = cantidad cargas positivas – cantidad de cargas
negativas.
III) Cuantificación de la carga: La carga eléctrica siempre se presenta
como un múltiplo entero de una carga fundamental e. Es decir: q = N ∙ e
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado
experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los
electrones se les asignó carga negativa: –e. Los protones tienen carga
positiva: +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: 1/3e o 2/3e,
aunque no se han podido observar libres en la naturaleza.
La unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb (símbolo C). Se
define como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de
un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de
un amperio (1 A), y se corresponde con la carga de 6,24 10 e o cargas
elementales. Por lo tanto, e es aproximadamente 1,602 x1019
C.
Submúltiplos delCoulomb1 mC = 10-6
C 1nC = 10-9
C. 1 mC =10-3
C

4. 3
CONDUCTOR
Un conductor en un material a través del cual se transfiere fácilmente la
carga, debido a que presenta poca oposición al flujo de la corriente
eléctrica. Ejemplo: los metales (cobre, oro, plata, hierro, etc.)
AISLANTE
Un aislante es un material que se resiste fuertemente al flujo de la
carga eléctrica. Ejemplo: plástico, papel, madera, mica, polietileno, etc. Un
semiconductor es un material con capacidad intermedia para transportar
carga eléctrica. Ejemplo: silicio y germanio.
LEY DE COULOMB
Considérese una carga Q fija en una determinada posición. Si se
coloca otra carga q en un punto P1, a cierta distancia de Q, aparecerá
una fuerza eléctrica actuando sobre q.
La expresión para la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales
q1 y q2 (pequeñas en relación con la distancia que las separa), es muy
semejante a la que vimos para la fuerza gravitacional entre la Luna y la
Tierra. Esta expresión es la siguiente:
𝐹𝑒 = 𝑘
𝑞1 𝑞2
𝑟2

5. 4
Es decir, la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de
las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que
separa a dichas cargas, dependiendo de una constante de Coulomb k
según el medio en que estén presentes.
En donde: q1 y q2: son las cargas en Coulomb. r: es la distancia en
metros. k: es una constante que depende del medio; en el vacío
corresponde aproximadamente a 9 x 109
(N·m2
)/C2
. Fe: es la fuerza en
Newton.
Respecto a la ley de Coulomb hay que considerar lo siguiente:
+ Se aplica a cargas puntuales.
+ La fuerza eléctrica es una magnitud vectorial, por lo tanto, hay que
considerar suma de vectores.
+ La ley de Coulomb o Fuerza de Coulomb, establece el valor de una
fuerza electrostática.
Expresión Vectorial de la Ley de Coulomb
Como ley básica adicional, no deducible de la ley de Coulomb, se
encuentra el Principio de Superposición: "La fuerza total ejercida sobre
una carga eléctrica q por un conjunto de cargas discretas será igual a la
suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada carga sobre
la carga. ”Principio de Superposición”

6. 5
LEY DE GAUSS
La ley de Gauss establece una relación general entre el flujo del campo
eléctrico a través de una superficie cerrada y la carga encerrada por ella.
Esta Ley establece que: el flujo del campo eléctrico a través de una
superficie cerrada cualquiera es igual a la carga neta que se encuentre
dentro de dicha superficie dividida por la permitividad eléctrica.
∅ = ∮ 𝑬⃗⃗ . 𝒅𝑺⃗⃗
𝑺 𝑪𝑬𝑹𝑹𝑨𝑫𝑨
=
𝑸 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 𝑬𝑵 𝑬𝑳 𝑰𝑵𝑻𝑬𝑹𝑰𝑶𝑹 𝑫𝑬 𝑺
𝜺 𝑶
A la superficie S, se le denomina superficie Gaussiana. De forma
análoga y más explícita:
∅ = ∮ 𝑬⃗⃗ . 𝒅𝑺⃗⃗
𝑺
= ∮ 𝑬⃗⃗ . 𝑪𝒐𝒔(𝑬⃗⃗ 𝒏⃗⃗ )𝒅𝑺
𝑺
=
𝑸 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 𝑬𝑵 𝑬𝑳 𝑰𝑵𝑻𝑬𝑹𝑰𝑶𝑹 𝑫𝑬 𝑺
𝜺 𝑶
La ley de Gauss se cumple siempre. Se puede aplicar de forma sencilla
al cálculo del campo eléctrico en problemas con gran simetría. Al aplicar
la Ley de Gauss, debe considerarse que el flujo neto a través de

7. 6
cualquiera superficie cerrada que rodea a una carga puntual, q, esta dado
por q/o y este valor es independiente de la forma de la superficie n. El
flujo eléctrico neto a través de una superficie cerrada que no encierra
carga eléctrica neta es cero. Dado que el campo eléctrico debido a un
conjunto de cargas es una suma vectorial de los campos eléctricos que
cada una de ellas produce, el flujo a través de una superficie cerrada de
este conjunto de cargas, puede expresarse como:
∅ = ∮ 𝑬⃗⃗ . 𝒅𝑺⃗⃗
𝑺
= ∮ (𝑬⃗⃗ 𝟏 + 𝑬⃗⃗ 𝟐 + 𝑬⃗⃗ 𝟑 + ⋯ ). 𝒅𝑺⃗⃗
𝑺
=
𝑸 𝑰𝑵𝑻𝑬𝑹𝑰𝑶𝑹 𝑫𝑬 𝑺
𝜺 𝑶
LÍNEAS DE FUERZA
El campo eléctrico se formula a partir de la fuerza que experimentaría,
en cada punto del espacio, una carga de pruebas. En esta forma, se
define cuantitativamente la intensidad de campo (𝑬⃗⃗ 𝒓⃗ ) como la fuerza por
unidad de carga, esto es: La fuerza que soportaría una carga unidad de
materializarse en el punto específico. Aunque la definición anterior sugiere
una existencia virtual para el campo eléctrico, existen muchas razones
que pueden justificar el carácter tangible de éste, permitiéndole la
posibilidad de ser considerado como un objeto real. Bajo esta premisa,
conviene dirigir la atención al estudio del campo eléctrico independiente
de las fuentes que lo generan, dándole de esta forma su identidad propia
dentro del contexto de la electrostática.
Una de las características que se le atribuyeron a las líneas de fuerzas
es que éstas se originan en las cargas positivas (fuentes) y desaparecen
en las cargas negativas (sumideros), esta propiedad permite relacionar el
flujo neto con el contenido de carga encerrado por la superficie: a. Si φneto
> 0, se debe a que salen más líneas de las que entran lo que nos dice que
existen encerradas mas cargas positivas que negativas. b. Si φneto < 0,
entonces el número de líneas que entran es mayor que él de las que
salen, lo que significa que las cargas negativas están en mayor
abundancia. c. Si φneto = 0, en este caso el número de cargas positivas es

8. 7
igual al número de cargas negativas. A continuación se presentan las
líneas de fuerza para algunas situaciones particulares.
Figura 1. Líneas de fuerza de dos
cargas q y –q y los flujos en tres
diferentes superficies S1, S2 y S3
Figura 2. Líneas de fuerza para un
sistema de dos cargas positivas
Figura 3. Líneas de fuerza de dos cargas +q y +q (lado izquierdo); +q y –
q (lado derecho)
Figura 4. Líneas de fuerza de dos cargas +2q y +q (cargas desiguales)
El vector campo E en cualquier punto es tangente a la línea de campo.
Las líneas de campo se llaman también líneas de fuerza porque su
tangente muestra la dirección de la fuerza ejercida sobre una pequeña
carga positiva de prueba. La densidad de líneas en cualquier punto

9. 8
(número de líneas por unidad de área perpendicular a las líneas) es
proporcional a la magnitud del campo endicho punto.