ELECTROESTATICA

ELECTROSTÁTICA

                  COLEGIO SAGRADO                      CORAZÓN DE JESÚS      Sergio Andrés Peña Rojas                   11-06                  FÍSICA          MARCO A. NAVARRO                                        2017                         

Escudo Corsaje (image/jpeg)

LA ELECTROSTÁTICA: CARGA ELÉCTRICA

¿Alguna vez has notado que cuando te quitas el saco sientes un suave ruido y si te encuentras en un cuarto oscuro, observas que ese ruido proviene de las chispas que salen de tu ropa? ¿O que al acercarte a un objeto metálico sientes una ligera sacudida que atraviesa tu cuerpo? Así como esto ocurre en pequeña escala en tu vida diaria, en la naturaleza otros fenómenos similares se dan con mayor ímpetu, por ejemplo, las descargas eléctricas que observamos durante una tormenta. Estos fenómenos electrostáticos tienen un origen a nivel microscópico, a partir de la estructura atómica de la materia, cuyas partículas no se pueden ver, pero sí se hacen sentir. En esta guía y curso analizaremos el comportamiento de la carga en los diferentes materiales, las leyes que rigen su acumulación y las que rigen la interacción entre las mismas, los conceptos de diferencia de potencial, energía potencial eléctrica y los condensadores.

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LA ELECTRICIDAD EN LA ANTIGÜEDAD

En la Grecia clásica se estudió un fenómeno especial: la propiedad que tenían ciertos cuerpos de atraer objetos livianos después de haber sido frotados con un tejido, inicialmente se creía que el ámbar (resina fósil) era el único material que presentaba esta propiedad. Thales de Mileto realizó experimentos en los cuales demostró que el ámbar, después de ser frotado con la piel de un animal, atraía ciertas semillas. Thales creía que el ámbar tenía una propiedad vital. Pero en el siglo XVI, el físico inglés William Gilbert descubrió que otras sustancias también podían adquirir la propiedad reseñada. A estas sustancias las denominó sustancias eléctricas y a la propiedad la denominó electricidad, palabra que deriva del griego elektron (ámbar). Gilbert descubrió que existían dos tipos de carga: un tipo era la que adquiría el vidrio, electricidad vítrea, y otra la correspondiente al ámbar y otros cuerpos semejantes a la que denominó electricidad resinosa. Posteriormente, en 1733, el físico francés Charles du Fay, estudió las interacciones repulsivas de la electricidad, y encontró que materiales electrizados del mismo tipo se repelían. Un ejemplo de materiales que se repelen son dos varillas de plástico frotadas con piel de animal, contrario a una varilla de vidrio frotada con seda y una varilla de plástico frotada con piel de animal, ya que en este caso las varillas se atraen.

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LA ELECTRIZACIÓN

En muchas ocasiones habrás sentido la electrización en el momento en que al peinarte, tu cabello se levanta como si existiera una atracción hacia él. También habrás sentido un leve corrientazo cuando al bajarte de un auto tocas una de sus manijas. Pues bien, este fenómeno se denomina electrización y consiste en el poder de atracción que adquieren los objetos después de ser frotados. El comportamiento eléctrico de los cuerpos está íntimamente relacionado con la estructura de la materia. Los cuerpos están formados por entidades llamadas átomos. En los átomos existen partículas que poseen carga positiva (protones), carga negativa (electrones) y otras partículas cuya carga es neutra (neutrones). En general, los átomos poseen igual número de protones que de electrones, por lo cual la carga positiva de los primeros se compensa con la negativa de los segundos. Así mismo, el átomo en conjunto no tiene carga eléctrica neta, por lo tanto, es eléctricamente neutro. Al someter un cuerpo a ciertas manipulaciones, como la frotación con una barra de vidrio o de plástico electrizador, ese cuerpo puede ganar electrones o perderlos. Esto se debe a que las barras de vidrio o de plástico se electrizan al frotarlas, respectivamente, con seda o con lana. Al frotar la barra de plástico gana electrones de la lana (aumentando carga negativa), y la barra de vidrio cede electrones a la seda (aumentando carga positiva). Es decir, el tipo de carga eléctrica que un cuerpo tiene está en función de que ese cuerpo tenga más o menos electrones que protones. En la siguiente figura, se representa la composición eléctrica de un cuerpo neutro y un cuerpo cargado.

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CARGA ELÉCTRICA

El norteamericano Benjamín Franklin, quien realizó distintos descubrimientos en el campo de la electricidad, sugirió la existencia de un único tipo de carga o fluido eléctrico. Cuando la cantidad de la misma en un cuerpo era superior a lo normal, este presentaba electricidad positiva, la adquirida por el vidrio; y cuando la misma era inferior a lo normal, el cuerpo tenía electricidad negativa, la adquirida por el ámbar. La magnitud física que nos indica la cantidad de esa propiedad de la materia se denomina carga eléctrica o, simplemente, carga. La unidad de la carga eléctrica en el SI se denomina coulomb o culombio su símbolo es C. Franklin propuso que las fuerzas ejercidas entre cuerpos electrizados eran acciones a distancia, unas de tracción y otras de repulsión, cuya ocurrencia dependía del tipo de electrización de dichos cuerpos. En la actualidad, existen dos tipos de carga a las que por convenio, se les denomina cargas positivas y cargas negativas, y por convenio, se considera como carga eléctrica negativa la que tiene el electrón, mientras la carga del protón se considera como positiva. Como ya sabes, todos los cuerpos están formados por átomos. En los átomos existen protones, que poseen carga positiva y electrones, con carga negativa. Los protones y los neutrones (partículas sin carga eléctrica) se encuentran en el núcleo, mientras que los electrones se encuentran en el exterior del núcleo. Cada protón (todos iguales) tienen la misma cantidad de carga eléctrica que un electrón (también iguales entre sí), aunque de diferente signo. Los átomos poseen el mismo número de protones que de electrones, por lo que la carga positiva de los primeros se compensa con la carga negativa de los segundos. Por este motivo, un átomo en conjunto no posee carga eléctrica neta y se dice que es eléctricamente neutro. La transferencia y la interacción entre las cargas producen los fenómenos eléctricos. Esta interacción responde a la ley de signos; según la cual, los cuerpos que tienen carga eléctrica del mismo signo se repelen y los cuerpos que tienen cargas de diferente signo se atraen. En la siguiente figura se muestran estas interacciones.

Se puede observar que entre las cargas eléctricas surgen fuerzas de atracción o de repulsión y el que surja una u otra clase de fuerzas se debe a la característica propia (positiva o negativa) de las cargas que interactúan. La existencia de la carga eléctrica en un cuerpo se pone de manifiesto mediante un electroscopio, dispositivo que consiste en un objeto que se carga al ponerlo en contacto con un cuerpo cargado, de manera que se observa la repulsión entre cuerpos cargados con el mismo tipo de electricidad. Cuando se acerca un cuerpo cargado eléctricamente, las cargas eléctricas dentro de la varilla se redistribuyen y se observa que las laminillas se separan. El efecto es el mismo cuando se le acerca un cuerpo cargado positivamente que cuando se le acerca un cuerpo cargado negativamente. Por tal razón, el electroscopio permite detectar si un cuerpo está cargado eléctricamente, aunque no permite detectar el tipo de carga eléctrica que posee.

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Cuando la fuerza eléctrica que mantiene unidos los electrones al núcleo disminuye, la distancia entre estos y el núcleo aumenta, por lo tanto, aquellos electrones que se encuentran débilmente unidos a los átomos, en algunos materiales, pueden ser liberados o transferidos a otros cuerpos. Es decir, que si un cuerpo tiene carga positiva o carga negativa es porque se ha redistribuido su carga eléctrica. En estas redistribuciones se cumple el principio de conservación de la carga. Este principio indica que la cantidad de carga eléctrica en un sistema aislado es constante, es decir, se conserva, ya que puede presentarse un intercambio o movimiento de carga de un cuerpo a otro, pero no se crea ni se destruye. Por otra parte, la carga eléctrica está cuantizada. Es decir, existe una cantidad mínima de carga y la carga existente en cualquier cuerpo es un múltiplo de esta cantidad. La carga mínima o carga elemental es la carga del electrón representada por la letra e. Cualquier otra carga eléctrica, ya sea positiva o negativa, será igual a la carga de un número entero de electrones. Como la unidad de carga en el SI es el culombio (C) su equivalencia con la carga del electrón es:

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Conservación de Carga

CONDUCTORES Y AISLANTES

En los fenómenos eléctricos se observa que el comportamiento de la materia respecto a la transmisión de electricidad es muy diverso. Existen medios materiales en los que las cargas eléctricas no se transmiten, estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. Entre ellos se encuentran la seda, el vidrio, la madera, la porcelana, etc. Por el contrario, hay otros materiales en los que las cargas eléctricas se transmiten con facilidad. En este caso se dice que los medios son conductores. Los medios conductores más característicos son los metales. Algunos elementos como el silicio o el germanio presentan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores, pero distinta. A estos elementos se les denomina semiconductores. El aire y la mayoría de los gases normalmente son malos conductores, ya que solo conducen electricidad en ocasiones especiales. Los semiconductores se utilizan en la construcción de transistores y son de gran importancia en la electrónica. Desde un punto de vista atómico, en un conductor los electrones se encuentran ligados con menor firmeza, por lo cual pueden moverse con mayor libertad dentro del material. En el interior de un material aislante los electrones se encuentran ligados muy firmemente a los núcleos, por tanto, no existen electrones libres. Mientras en un semiconductor la existencia de electrones libres es mínima. En 1911, se descubrió que algunos materiales, al ser expuestos a temperaturas muy bajas aproximadamente al cero absoluto, cerca de 2273°C, mejoraban su conductividad notablemente, y ofrecían una resistencia casi nula al movimiento de las cargas eléctricas. Este fenómeno se denominó superconductividad. Posteriormente, en 1987, se descubrió la superconductividad a temperaturas más altas (temperaturas mayores a 100 K, es decir, 2173 °C).

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Caption: : CONDUCTORES

Cinta Aislante Electrica Roja Union (binary/octet-stream)

Caption: : AISLANTES

CARGA POR CONTACTO

Al poner en contacto un cuerpo electrizado con otro sin carga eléctrica, se genera un paso de electrones entre el primer cuerpo y el segundo, produciéndose la electrización de este último. Por ejemplo, cuando frotas un esfero plástico y lo acercas a algunos trozos de papel, estos se adhieren al esfero, pero al cabo de unos segundos, se desprenden. Esto se debe a la transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los tiene en mayor cantidad hacia el cuerpo que los tiene en menor proporción, manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

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CARGA POR INDUCCIÓN

Al aproximar un cuerpo cargado a otro cuerpo, preferiblemente conductor, que no está cargado, este cuerpo se polariza, es decir, una de sus partes se carga positivamente y la otra, negativamente. El fenómeno se debe a que el cuerpo cargado atrae las cargas de distinto signo y repele a las del mismo signo. Ahora, si se toca con un dedo el conductor polarizado la porción de carga negativa se desplazará a través de nuestro cuerpo, y de esta manera, la carga positiva se redistribuirá quedando el cuerpo cargado eléctricamente. Este procedimiento de cargar objetos eléctricamente se denomina carga por inducción. En la siguiente figura, se muestra la carga de un electroscopio por inducción.

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POLARIZACIÓN DE CARGA

En el ejemplo de la carga por inducción se ilustró el proceso de polarización para el caso de los materiales conductores. En el cual se pudo concluir que, cuando un cuerpo neutro reorganiza sus cargas por acción o por influencia de un cuerpo cargado, se dice que el cuerpo está polarizado. Ahora, veamos lo que sucede en el caso de los aislantes. Considera un aislante, no electrizado cuyas moléculas se encuentran distribuidas al azar. Al acercar un objeto electrizado (por ejemplo, con carga positiva) al material aislante, la carga de este actúa sobre las moléculas del aislante haciendo que se orienten y se ordenen de tal forma que sus cargas negativas se ubiquen lo más cerca posible del objeto cargado positivamente. El efecto de este proceso se denomina polarización y se representa en la siguiente figura.

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Los cuerpos cargados experimentan una cierta interacción de atracción o de repulsión entre ellos. La fuerza que caracteriza esta interacción depende de las distancias entre los cuerpos y de la cantidad de carga eléctrica. El físico francés Charles Coulomb , utilizando una balanza de torsión, estudió las fuerzas con las que se atraían o repelían los cuerpos cargados. Estas fueron sus conclusiones: ❖ Las fuerzas eléctricas aparecen sobre cada una de las dos cargas que interactúan, y son de igual magnitud e igual línea de acción, pero de sentidos opuestos. ❖ Las fuerzas eléctricas dependen de los valores de las cargas. Cuanto mayor sean esos valores, mayor será la fuerza con la que se atraen o repelen. ❖ Las fuerzas eléctricas dependen de la distancia que separa las cargas: cuanto mayor sea esa distancia, menor será la fuerza entre ellas. ❖ Las fuerzas eléctricas dependen del medio en el que están situadas las cargas. No es igual la fuerza entre dos cargas cuando están en el vacío que cuando están en otro medio material, como el aceite o el agua. El método para medir la carga se estableció ocho décadas después de las investigaciones de Coulomb y se definió en términos de la corriente eléctrica. La unidad natural de la carga eléctrica es la unidad de la cantidad de carga que tiene un electrón; pero, al ser una cantidad muy pequeña, el SI define como unidad de carga eléctrica el culombio (C). El cuál es la carga eléctrica que, situada a 1 metro de otra de igual magnitud y signo, la repele con una fuerza de 9 x 109 N. Una carga de un culombio equivale a 6,25 x 1018 veces la carga de un electrón. Como es muy grande, con frecuencia se utiliza un submúltiplo de ella, el microculombio (μC), que equivale a la millonésima parte del coulomb. Estos factores se resumen en la ley de Coulomb, que permite calcular la intensidad de fuerza de atracción o repulsión de dos cargas puntuales. Ley de Coulomb Las fuerzas eléctricas de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales, q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.  

LEY DE COULOMB

SE EXPRESA COMO:

La constante K es la constante electrostática, se expresa en N . m2/C2 y su valor depende del medio material en cual se encuentran las cargas. En el vacío la constante electrostática tiene un valor de K = 9 x 109 N . m2/C2. El enorme valor de la constante electrostática nos indica que las fuerzas eléctricas son intensas. Si la fuerza tiene signo menos, indica una fuerza de atracción entre las dos cargas y si es de signo positivo indica una fuerza de repulsión.

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FUERZA ELECTRICA EN OTRO MATERIAL

La fuerza eléctrica depende de la constante electrostática K, la cual se definió para el vacío y que, en términos prácticos, es la misma para el aire. Si el medio es otro, esta constante presenta variaciones notables de tal forma que la fuerza electrostática entre los cuerpos cargados presenta variaciones. Según el medio, la constante electrostática K, se expresa como:   La constante kd es la constante dieléctrica del medio material y no tiene unidades. En la tabla se muestran algunos valores para la constante dieléctrica.  

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