COMO HACER UNA BOBINA DE TESLA

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LA LEY DE COULOMB

LA LEY DE COULOMB

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 ;

Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

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.

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.

ANTECEDENTES HISTORICOS DE LA ELECTRICIDAD

ANTECEDENTES HISTORICOS DE LA ELECTRICIDAD

Antecedentes Históricos de la Electricidad

La palabra electricidad proviene del vocablo griego “elektron”, que significa “ámbar”. El ámbar es una resina fósil transparente de color amarillo, producido en tiempos muy remotos por árboles que actualmente están convertidos en carbón fósil.

Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales de Mileto, quien vivió aproximadamente en el año 600 a.C. Señalaba que al frotar el ámbar con una piel de gato, podía atraer algunos cuerpos ligeros como polvo, cabellos o paja.

El físico alemán Otto de Guericke (1602-1686) construyó la primera máquina eléctrica, cuyo principio de funcionamiento se basaba en el frotamiento de una bola de azufre que giraba produciendo chispas eléctricas. El holandés Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) descubrió la condensación eléctrica, al utilizar la llamada botella de Leyden, que es un condensador experimental constituido por una botella de vidrio que actúa como aislante o dieléctrico.

El norteamericano Benjamín Franklin (1706-1790) pudo observar que cuando un conductor cargado negativamente termina en punta, se acumulan los electrones en esa parte y por repulsión abandonan dicho extremo, fijándose sobre las moléculas de aire o sobre un conductor cercano cargado positivamente (tiene carencia de electrones). Aprovechó las propiedades antes descritas y propuso aplicarlas en la protección de edificios, mediante la construcción del pararrayos.

Charles Coulomb científico francés (1736-1806), estudió las leyes de atracción y repulsión eléctrica. En 1777 inventó la balanza de torsión que medía la fuerza por medio del retorcimiento de una fibra fina y rígida a la vez.

El científico italiano Alessandro Volta (1745-1827), también contribuyó notablemente al estudio de la electricidad. En 1775 inventó el electróforo, dispositivo que generaba y almacenaba electricidad estática. En 1800 explicó por qué se produce electricidad cuando dos cuerpos metálicos diferentes se ponen en contacto. Empleó su descubrimiento para elaborar la primera pila eléctrica del mundo; para ello, combinó dos metales distintos con un líquido que servía de conductor.

Fue Georg Ohm, físico alemán (1789-1854), quien describió la resistencia eléctrica de un conductor, y en 1827 estableció la ley fundamental de las corrientes eléctricas al encontrar que existe una relación entre la resistencia de un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica.

Por su parte, Michael Faraday, físico y químico inglés (1791-1867), descubrió como se podía emplear un imán para generar una corriente eléctrica en una espiral de hierro. Propuso la teoría sobre la electrización por influencia, al señalar que un conductor hueco (jaula de Faraday) forma una pantalla por las acciones eléctricas. A partir del descubrimiento de la inducción electromagnética, Faraday logro inventar el generador eléctrico.

El físico inglés James Joule (1818-1889), estudió los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos eléctricos.

Otros investigadores que han contribuido al desarrollo de la electricidad son: el norteamericano Joseph Henry (1797-1878), que construyó el primer electroimán; el ruso Heinrich Lenz(1804-1865), quien enunció la ley relativa al sentido de la corriente inducida; el escocés James Maxwell (1831-1879), quien propuso la teoría electromagnética de la luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético; el yugoslavo Nicola Tesla (1856-1943), quien inventó el motor asincrónico y estudió también las corrientes polifásicas; y el inglés Joseph Thomson(1856-1940), quien investigó la estructura de la materia y de los electrones.

En los últimos sesenta años, el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamente. Ello, debido a que se ha podido comprobar que posee muchas ventajas sobre otras clases de energía, por ejemplo: puede ser transformada fácilmente, se transporta de manera sencilla y a grandes distancias a través de líneas aéreas que no contaminan el ambiente. Se puede utilizar también en forma de corrientes muy fuertes para alimentar enormes motores eléctricos o bien en pequeñas corrientes para hacer funcionar dispositivos electrónicos.

En los países desarrollados, existen actualmente varios medios para producir energía eléctrica: centrales hidroeléctricas, termoeléctricas o nucleoeléctricas, cuya finalidad es evitar el consumo excesivo del petróleo.

Densidad

Qué es densidad?

Una de las propiedades de los sólidos, así como de los líquidos e incluso de los gases es la medida del grado de compactación de un material: su densidad.

Bloques de plomo y de corcho.

La densidad es una medida de cuánto material se encuentra comprimido en un espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen.

Probablemente a veces hemos escuchado hablar de densidad de la materia o de la densidad de un bosque o de la densidad poblacional.

Supongamos que vamos a ver un partido de fútbol y nos damos cuenta de que en las galerías del estadio hay muy poca gente. Si dividimos todos los asientos disponibles por el número total de asistentes tendremos como resultado un valor numérico grande, donde habrá más de un asiento por cada persona presente. Si el estadio está lleno totalmente, en la división propuesta tendríamos un valor numérico menor, si no sobran asientos, la división sería uno y significaría que hay un asiento por persona.

Dividir un espacio disponible por el número de personas presentes nos refleja el concepto de densidad poblacional. También sabemos que Santiago tiene más densidad poblacional que la ciudad de Limache. Eso significa que en Santiago hay más personas por metro cuadrado de superficie que en Limache. En los textos de geografía suele darse información sobre densidad de la población en diversas ciudades del país y del planeta.

Es altamente probable que en un bosque de pinos, que a futuro será madera, la densidad de los pinos plantados sea mayor que el de una plaza de una ciudad. Si contamos los pinos que hay en un cuadrado de 50 metros de lado, probablemente en el bosque hay más pinos que en la plaza. Entonces diríamos que el bosque tiene mayor densidad de árboles plantados que la plaza de la ciudad.

Unidades de materia en cada cuerpo.

Ahora bien, un cuerpo está formado por materia y cada punto que contiene vendría a representar la unidad de la materia. Por mucho tiempo se consideró que el átomo era la unidad de la materia, ahora se sabe que no lo es, pero por ahora es conveniente que hablemos del átomo como unidad de la materia.

Una pequeña colección de átomos da origen a una molécula. Y una gran colección de moléculas da lugar a un cuerpo de algún tipo de sustancia. Las moléculas, con su respectivo tamaño y número de átomos, son diferentes para cada sustancia.

En Física tenemos que trabajar con cuerpos que tienen materia, por lo tanto cada unidad de materia podría significar una molécula o un átomo. Si el cuerpo es una sustancia pura, de un solo elemento (como un trozo de aluminio puro por ejemplo), entonces cada unidad material será un átomo, pero si el cuerpo es una sustancia compuesta (como un trozo de bronce por ejemplo), cada unidad material podrá considerarse como una molécula.

Cuántas unidades de materia hay en un cuerpo con determinado volumen determinan el concepto de densidad.

Como cada unidad material representa un átomo o molécula y estos tienen masa, la que se mide en gramos o en kilogramos, entonces la densidad de una materia representa cuántos gramos o kilogramos hay por unidad de volumen.

Hay sustancias que tienen más átomos por unidad de volumen que otros, en consecuencia tienen más gramos, o kilogramos, por unidad de volumen. Por lo tanto, hay sustancias que tienen más densidad que otros.

La densidad del agua, por ejemplo, es de 1 gr/cm³. Esto significa que si tomamos un cubo de 1 cm de lado y lo llenamos de agua, el agua contenida en ese cubo tendrá una masa de un gramo.

La densidad del mercurio, otro ejemplo, es de 13,6 gr/cm³. Esto significa que en un cubo de 1 cm de lado lleno con mercurio se tiene una masa de 13,6 gramos.

Los cuerpos sólidos suelen tener mayor densidad que los líquidos y éstos tienen mayor densidad que los gases.

Lo anterior está dado por el hecho de que en un gas las partículas que lo componen están menos cohesionadas, en términos vulgares esto significa que están más separados. En los líquidos hay mayor cohesión y en los sólidos la cohesión es mayor aún.

Y, entre los sólidos, hay sustancias que tienen diferentes densidades, por ejemplo: el plomo es de mayor densidad que el aluminio. Lo mismo ocurre entre los líquidos y entre los gases.

En general cada sustancia, pura o compuesta, tiene diferente densidad.

10 ejemplos de densidad:

1. La densidad del acero es mayor que la del algodón, ya que un kilo de acero ocupa menos volumen que un kilo de algodón.

1. La densidad del agua es mayor que la del vapor de agua, puesto que hay más moléculas en un litro de agua que en un litro de vapor.

1. La densidad de población de una ciudad hace referencia al número de habitantes por kilómetro cuadrado.

1. La densidad de asistencia a un estadio es dada por la división entre las personas que asistieron a éste, dividida entre el número de lugares disponibles en el mismo.

1. La densidad de un bosque hace referencia al número de árboles que hay por hectárea cuadrada.

1. La densidad de tráfico de una ciudad es mayor a las 3 de la tarde que a las 2 de la mañana.

1. La densidad de cabello de una persona es mayor a sus 18 años que cuando tiene 50.

1. La densidad de vuelos de un aeropuerto es el número de vuelos por hora que presenta.

1. El hielo flota en el agua porque su densidad es menor, es decir hay menos moléculas en un litro de hielo que en el mismo volumen de agua.

1. Un clavo se hunde en agua porque es más denso que ella, pero en mercurio flota porque éste es más denso que el clavo.

3a LEY DE NEWTON

"A toda fuerza de acción corresponde una fuerza de reacción de la misma magnitud pero de sentido contrario".

A esta ley también se le conoce como la ley de la Acción y la Reacción porque la fuerza siempre se manifestará en pares: Esto significa que siempre en que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro este también ejerce una fuerza sobre él.

Se nombra fuerza de acción a la que es ejercida por el primer cuerpo que origina una fuerza sobre otro objeto, por lo tanto se denomina fuerza de reacción a la es provocada por el cuerpo que recibe y reacciona.

En el siguiente ejemplo, una persona ejerce una fuerza de acción (F acción) sobre la pared y la pared al mismo tiempo ejerce una resistencia que es la fuerza de reacción sobre el cuerpo de la persona, esta fuerza tiene el mismo valor pero sentido contrario:

 Si se hace chocar dos bolas, una en reposo (verde) y otra en movimiento (azul), al momento del choque la bola azul ejerce una fuerza de acción sobre la verde haciendo que esta se mueva en el sentido de la fuerza de la bola azul, pero al mismo tiempo la bola verde ejerce una fuerza de reacción sobre la azul y por ello es que después del choque pareciera que la bola azul "rebota" o retrocede:

Cuando se dispara un arma, la bala sale disparada hacia el frente pero al mismo tiempo se ejerce una fuerza hacia atrás por lo que el disparador recibe sobre su cuerpo el impulso de esta fuerza:

Los siguientes ejemplos también representan esta ley:

Podemos realizar una pequeña experiencia si colocamos un globo inflado sobre un carro de juguete y lo dejamos desinflarse, el resultado será que el carro se moverá por las fuerzas de acción y reacción:

2a LEY DE NEWTON

"La fuerza neta que actúa sobre un objeto es igual al producto de su masa por la aceleración que adquiere como consecuencia de dicha fuerza"

O también "La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa"

Esto quiere decir, si aplicamos una misma fuerza en dos objetos de diferente masa, por ejemplo una pelota de golf y un camión, con la misma fuerza la pelota de golf se acelerará mucho más que el camión, éste quizá ni notemos que se mueva, por lo tanto, al aplicar una misma fuerza con:

a) Menor masa se produce= mayor aceleración
b) Mayor masa se produce = menor aceleración

La segunda ley de Newton queda expresada matemáticamente de la siguiente forma:

F = m.a

donde:
F= fuerza neta que se aplica sobre un cuerpo
m = masa del cuerpo
a= aceleración que adquiere el cuerpo

Ejemplo 1: ¿Cuál es la fuerza que aplicada los neumáticos de un auto de 400 kg de masa le provoca una aceleración de 5 m/2?

Ejemplo 2. Obtén el valor de la aceleración que adquiere una bala de cañón de 9 kg de masa, cuando se le aplica una fuerza de 2000 N.

PRIMERA LEY DE NEWTON

Las leyes de Newton son principios que permiten explicar el movimiento de los cuerpos terrestres y de los astros, fueron propuestas por Isaac Newton en 1867, sin embargo, solo son aplicables a cuerpos inerciales, es decir aquellos objetos cuya velocidad sea menor a la de la luz (300.000 km/s).

Primera Ley de Newton también conocida como Ley de la Inercia.

"Todo cuerpo mantiene su estado de reposo o de movimiento a menos que una fuerza actúe sobre él"

Es decir, ningún cuerpo puede moverse o detenerse sin que una fuerza se aplique en él, por ejemplo, los planetas del sistema solar permanecen en constante movimiento, así han estado por miles de años y no cambiará esta situación a menos que una fuerza se aplique sobre ellos.

 En los siguientes ejemplos, si se jala rápidamente el mantel la botella y los trastes se mantendrá en pie porque la fuerza sólo se aplica sobre el mantel no sobre los demás objetos.

 Otro ejemplo es que si una persona va sobre un objeto en movimiento (bicicleta, carro, etc.) y éste repentinamente se detiene, el cuerpo de la persona saldrá expulsado hacia el frente pues por inercia, el cuerpo tratará de seguir con la misma velocidad y dirección con la que iba inicialmente.

Lo mismo sucede si inicialmente un objeto está en reposo sobre otro y éste repentinamente se acelera, entonces, el cuerpo será expulsado hacia atrás pues tratará de mantener su estado de reposo y velocidad cero que tenía inicialmente.

 La resistencia que opone un objeto para cambiar su estado de reposo o de movimiento se conoce como inercia y esta propiedad depende de la cantidad de masa del objeto, es decir, si no existe una fuerza que actúe sobre el objeto, este permanecerá en su estado de reposo o de movimiento y entre mayor masa tenga mayor será la fuerza necesaria para cambiar su estado, es decir, mayor será su inercia.