A electricidade estática é un tema importante na física de 12.º de primaria. Trátase de fenómenos relacionados coas cargas eléctricas en repouso ou en movemento. Comprender os conceptos básicos, a lei de Coulomb e os campos eléctricos é esencial para resolver varios problemas relacionados coa electricidade estática. Neste artigo, trataremos varios exemplos de problemas de electricidade estática que aparecen con frecuencia nos exames de 12.º de primaria, xunto coas súas solucións.
Conceptos básicos de electricidade estática
A electricidade estática resulta dun desequilibrio de cargas eléctricas na superficie dun obxecto. Esta carga pode transferirse dun obxecto a outro mediante procesos como a fricción, a condución e a indución.
– Lei de Coulomb: Esta lei explica a forza de atracción ou repulsión entre dúas cargas eléctricas puntuais. A fórmula da lei de Coulomb é:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
Onde:
– \(F\) é a forza entre as cargas (en Newton).
– \(k\) é a constante de Coulomb (\(8.99 × 10^9, N m²/C²)).
– \(q_1\) e \(q_2\) son as magnitudes das cargas (Coulombs).
– \(r\) é a distancia entre as dúas cargas (metros).
– Campo eléctrico: Un campo eléctrico é o espazo arredor dunha carga eléctrica no que outras cargas poden sentir unha forza eléctrica. O campo eléctrico ∫(E) a unha distancia ∫(r) dunha carga ∫(Q) é:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Exemplos de preguntas e debate
Exemplo de pregunta 1: Forza de Coulomb
Pregunta:
Dúas cargas eléctricas de \( 2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) e \( -3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) están situadas a unha distancia de 0,1 metros. Calcula a forza de Coulomb entre as dúas cargas.
Solución:
Usa a fórmula da lei de Coulomb:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
Substitúe os valores coñecidos:
\[
F = 8.99 × 10^9, N m²/C² × (2 × 10^-6, C)(3 × 10^-6, C)}{(0,1 × m)²
\]
\[
F = 8.99 × 10^9 × 6 × 10^{-12}}{0,01}
\]
\[
F = 8.99 × 10^9 × 6 × 10^{-10}
\]
\[
F = 53,94 × 10^{-1} \, \text{N}
\]
\[
F = 5,394 \, \text{N}
\]
Entón, a forza de Coulomb entre as dúas cargas é de 5,394 N.
Exemplo de pregunta 2: Campo eléctrico por unha carga puntual
Pregunta:
Calcula o campo eléctrico a unha distancia de 0,05 metros dunha carga de \( 4 \times 10^{-6} \, \text{C} \).
Solución:
Usa a fórmula do campo eléctrico:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Substitúe os valores coñecidos:
\[
E = 8.99 × 10^9, N m²/C² × 4 × 10^-6, C}{(0,05 × m)²
\]
\[
E = 8.99 × 10^9 × 4 × 10^-6/0,0025
\]
\[
E = 8.99 × 10^9 × 1,6 × 10^{-3}
\]
\[
E = 14,384 × 10^6, N/C
\]
\[
E = 1,4384 × 10^7, N/C
\]
Entón, o campo eléctrico a unha distancia de 0,05 metros da carga é \(1,4384 \times 10^7 \, \text{N/C} \).
Exemplo de pregunta 3: Potencial eléctrico
Pregunta:
Unha carga de \( 5 \times 10^{-6} \, \text{C} \) colócase nun punto determinado. Calcula o potencial eléctrico a unha distancia de 0,2 metros da carga.
Solución:
Usa a fórmula do potencial eléctrico:
\[
V = k \frac{Q}{r}
\]
Substitúe os valores coñecidos:
\[
V = 8.99 × 10^9, N m²/C² × 5 × 10^-6, C}{0,2, m
\]
\[
V = 8.99 × 10^9 × 25 × 10^{-6}
\]
\[
V = 224,75 × 10^3, V
\]
\[
V = 2,2475 × 10^5, V
\]
Entón, o potencial eléctrico a unha distancia de 0,2 metros da carga é \(2,2475 × 10^5, \text{V} \).
Exemplo de pregunta 4: Enerxía potencial eléctrica
Pregunta:
Dúas cargas de \( 3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) e \( -2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) están a unha distancia de 0,1 metros. Calcula a enerxía potencial eléctrica do sistema.
Solución:
Usa a fórmula da enerxía potencial eléctrica:
\[
U = k \frac{q_1 q_2}{r}
\]
Substitúe os valores coñecidos:
\[
U = 8.99 × 10^9, N m²/C² × (3 × 10^-6, C)(-2 × 10^-6, C)}{0,1 × m
\]
\[
U = 8.99 × 10^9 × -6 × 10^{-12}}{0,1}
\]
\[
U = -5,394 × 10^{-1} \, \text{J}
\]
\[
U = -0,5394 \, \text{J}
\]
Polo tanto, a enerxía potencial eléctrica do sistema é de -0,5394 J.
Conclusión
Comprender a electricidade estática e a aplicación de conceptos fundamentais como a lei de Coulomb, os campos eléctricos, o potencial eléctrico e a enerxía potencial eléctrica é crucial na física de 12.º curso. Ao estudar os problemas de exemplo anteriores, espérase que o alumnado comprenda mellor estes conceptos e sexa capaz de aplicalos en diversas situacións. Estes problemas tamén axudan o alumnado a prepararse para exames e desafíos máis complexos no futuro.
Practicar varios tipos de problemas de electricidade estática fortalecerá a túa comprensión conceptual e mellorará as túas habilidades para resolver problemas. Asegúrate sempre de comprender os fundamentos teóricos antes de traballar nos problemas, xa que unha comprensión sólida axudarache a resolvelos de forma máis eficiente e precisa.
