ELECTROSTATICA

ELECTROSTATICA: La carga Eléctrica.

  INSTITUCIÓN EDUCATIVA COLEGIO SAGRADO CORAZÓN DE JESÚS   Jesika Paola Morales Ardila   Marco Aurelio Navarro    11-02   2017  

1: LA ELECTRICIDAD.

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Caption: : Para que estos se puedan relacionar efectivamente, tendrían que ser opuestos, uno positivo u otro negativo, por lo contrario no generaría ninguna carga.

  Gracias a thales de mileto quien fue que realizó ciertos experimentos como el ambar al ser frotado con un animal, atraía ciertos cambios, mientras que Gilbert descubrió que otras sustancias también podría adquirir esta propiedad. Él 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. Despúes de esto, Charles Du Fay en 1733, él estudió las interacciones repulsivas de la electricidad, y encontró que materiales electrizados del mismo tipo se repelían. Un ejemplo de esto sería cuando tenemos 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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2: LA ELECTRIZACIÓN.

La electrización 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.

Caption: : En esta figura se representa la composición eléctrica de un cuerpo neutro y un cuerpo cargado. Se puede observar que: ✓ Si un cuerpo ti ene carga negativa es porque ha ganado electrones de otros cuerpos y, por tanto, posee más electrones que protones. ✓ Si un cuerpo tiene carga positiva es porque ha cedido electrones a otros cuerpos y, por tanto, posee menos electrones que protones.

3: CARGAS ELÉCTRICAS.

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Caption: : 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.

Benjamín Franklin sugirió la existencia de un único tipo de carga o fluido eléctrico. Él nos dice que 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. Benjamín 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. 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. Esto responde a la ley de signos; según, los cuerpos que tienen carga del mismo signo se repelen y los que tienen cargas de diferente signo se atraen. 

4: CONSERVACIÓN DE CARGA.

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:    1 C = 6,25 * 10 ^ 18 e 1 e =  1/6,25 * 10 ^ 18 = 1,6 * 10 ^ -19 C  

5: 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. 

6. CARGA POR CONTACTO E INDUCCIÓN.

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Caption: : ➢ 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.

Caption: : ➢ 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.

7: POLARIZACIÓN DE LA CARGA.

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Caption: : 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.

 La polarización eléctrica es un La polarización eléctrica es un campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares (producto de la carga eléctrica por la distancia carga eléctrica por la distancia entre las cargas del dipolo) permanentes o inducidos en un material dieléctrico (mal conductor de electricidad) de electricidad). Si acercamos un cuerpo cargado a un dieléctrico, cuyas moléculas están distribuidas al azar las están distribuidas al azar, las cargas del cuerpo harán que las moléculas se alineen, quedando el dieléctrico polarizado. A pesar de que su carga neta es nula de que su carga neta es nula, aparece carga negativa a un extremo y carga positiva al otro lado del dieléctrico.

8.1: LEY DE COULOMB.

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Caption: : 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.

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.  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.  Esta es expresada de la siguiente manera //>

8.2: LA FUERZA ELÉCTRICA.

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  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:    K = 9 * 10 ^ 9 N · m² / C² / Kd  

Caption: : 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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