Electrostática
Noción de carga eléctrica
Como sabemos, los cuerpos materiales se atraen unos a otros con una fuerza
denominada ''fuerza gravitatoria''. Esta atracción tiene consecuencias prácticas cuando
al menos uno de los cuerpos que intervienen tienen una masa enorme, como ocurre
con un planeta. Sin embargo, las fuerzas gravitatorias no son las únicas que actúan a
distancia entre los cuerpos materiales. A veces otras fuerzas son enormemente
mayores. Un pequeño imán es capaz de levantar un clavo de acero de una mesa en
contra de la atracción gravitatoria de la tierra entera. Un peine frotado con un tejido
levantará pequeños trozos de papel. Estos son ejemplos de fuerzas magnéticas y
eléctricas respectivamente.
La electricidad tiene aplicaciones prácticas innumerables. El dominio de las
fuerzas eléctricas y el desarrollo de las comunicaciones han cambiado nuestra forma de
vivir.
En el aspecto científico hemos aprendido que las fuerzas eléctricas controlan
la estructura de los átomos y moléculas. La electricidad esta asociada a muchos
procesos biológicos, por ejemplo, con la acción de los centros nerviosos y cerebrales.
Atracción y repulsión entre
objetos electrificados
Vamos a examinar algunos hechos básicos de los fenómenos eléctricos y
magnéticos, y discutiremos su interpretación. Comencemos con un simple
experimento eléctrico. Si frotamos una barra de vidrio con un paño de
seda y la situamos horizontalmente sobre un soporte colgado de un hilo, y
luego frotamos otra barra de vidrio, observaremos que al acercarla a la
primera, se repelen.
++++
Vidrio
++++
Vidrio
Atracción y repulsión entre
objetos electrificados
Si repetimos el experimento con dos barras de plástico frotadas con un
paño de lana observaremos que sucede lo mismo.
-----
Plástico
------
Plástico
Atracción y repulsión entre
objetos electrificados
Finalmente, si frotamos una barra de vidrio con seda y otra de plástico
con lana y, situamos una de ellas sobre el soporte, acercando la otra
veremos que se atraen.
-----
Vidrio
+++++
Plástico
Atracción y repulsión entre
objetos electrificados
Podemos realizar experimentos semejantes con un gran número
de otras sustancias. Los objetos del mismo material electrizados
por el mismo procedimiento se repelen siempre. Los cuerpos de
distinta sustancia pueden atraerse o repelerse.
Por consiguiente, los cuerpos electrificados pueden
clasificarse en dos grupos. Sólo existen dos estados eléctricos,
Uno semejante al de la barra de vidrio y otro semejante al de la
barra de plástico. Siguiendo la notación común, creada por
Benjamín Franklin (1706-1790), diremos que la barra de vidrio y
todos los objetos que se comportan de igual manera, están
cargados positivamente. Del mismo modo, diremos que la
barra de plástico y los restantes objetos que se comportan del
mismo modo están cargados negativamente.
Primer principio de la
electrostática
Cargas de igual signo se repelen, y
cargas de signo contrario se atraen.
Estructura eléctrica de la materia
Como sabemos, la materia esta formada por átomos y los mismos átomos
están constituidos por unidades mas pequeñas: los protones, los neutrones
y los electrones.
Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, donde
esta concentrada prácticamente toda la masa y los electrones se
encuentran orbitando a gran velocidad alrededor del núcleo. Los protones
están cargados positivamente; los electrones, negativamente y los
neutrones no tienen carga eléctrica.
Estructura eléctrica de la materia
Un átomo neutro tiene la misma cantidad de protones en el núcleo que
electrones orbitando, por esta razón su carga neta es cero. Si de alguna
manera se quitan electrones a un átomo neutro, quedará con un defecto
de carga negativa, por lo tanto estará cargado positivamente. Si por el
contrario, se le agregan electrones, quedará con exceso de carga negativa,
por lo tanto estará cargado negativamente.
Al frotar un cuerpo con otro, algunas sustancias tienden a captar algunos
electrones superficiales y otras a cederlos, por ejemplo, la barra de vidrio
cede electrones a la seda, quedando el vidrio cargado positivamente y el
paño cargado negativamente. En el caso de la barra de plástico la lana
cede electrones y el plástico los capta quedando cargado negativamente.
Cuando un cuerpo tiene todos sus átomos en estado neutro decimos que
está descargado. Sin embargo tengamos en claro que esto no significa que
no tiene cargas eléctricas.
Dieléctricos y conductores
Con frecuencia clasificamos distintos materiales diciendo que unos son
conductores eléctricos y otros son aislantes. La clasificación está basada
en experiencias semejantes a las siguientes:
Fabricamos un péndulo eléctrico colgando de un hilo una esferita de
tergopol recubierta con un delgado papel metálico. Colocamos una barra
metálica en posición horizontal sobre un soporte de manera que haga
contacto con el péndulo, como indica la figura. Si electrificamos por
frotamiento una barra de plástico y tocamos con ella la barra metálica
veremos que la esfera del péndulo es inmediatamente repelida, como
indica
Plástico frotado
con lana
---Péndulo eléctrico
metal
Plástico
Parte de la carga
pasa a la barra y
se distribuye por
toda su superficie.
Incluso la de la
bolita del péndulo
Dieléctricos y conductores
Si repetimos el experimento utilizando una barra de plástico en lugar
de una metálica veremos que al tocarla con la barra cargada el
péndulo no se mueve.
Plástico frotado
con lana
---Péndulo eléctrico
Plástico
Plástico
Parte de la carga
pasa a la barra
pero queda alojada
solo en el lugar
donde se la tocó
Dieléctricos y conductores
Para explicar ésta diferencia basta admitir que en un metal existan
algunas partículas eléctricas libres que son capaces de desplazarse de un
punto a otro, cosa que no ocurre con el plástico. Supongamos, por
ejemplo, que las partículas libres del metal son negativas. Cuando el
plástico cargado negativamente toca la barra metálica neutra, algunas de
estas partículas que se encuentran en exceso en la primera pasan a la
segunda y se dispersan a lo largo de toda la barra hasta llegar a la
esfera. Entonces la barra y la esfera quedan cargadas negativamente y
se repelen mutuamente.
¿Qué ocurre al sustituir la barra metálica por otra de plástico?. En este
material no hay posibilidad de que las partículas negativas se muevan
libremente, por esto, las cargas que le pasa la primera barra quedan
alojadas en el punto de contacto. El resto, permanece eléctricamente
neutro al igual que la esfera; por lo tanto, no existe ninguna fuerza que
obligue a la esfera a separarse de la barra.
Las sustancias que se comportan como el metal se denominan
conductores. Las sustancias cuya conducta es similar a la del plástico se
llaman aislantes o dieléctricos. Todos los conductores tienen partículas
eléctricas libres y los aislantes no.
En los metales, la conductividad es debida exclusivamente al movimiento
de las partículas negativas, es decir, los electrones.
Carga eléctrica por contacto.
Si se pone en contacto un cuerpo cargado con otro neutro, parte de la
carga del primero pasa al segundo, quedando ambos cargados con el
mismo signo. Si el segundo cuerpo es conductor, la carga que adquiere se
distribuye por toda su superficie exterior.
Experimentalmente se verifica que si se ponen en contacto dos esferas
conductoras iguales, una cargada y la otra neutra, la carga se reparte
mitad para cada una. Si una de las esferas es más grande, la carga se
reparte proporcionalmente, yendo la mayor cantidad de carga a la esfera
mas grande.
Esfera conductora
Las esferas Esfera conductora
cargada
comparten la carga
descargada
+++
++
++++
+++
++++
++
+++
++
+++
++
Alambre conductor
Descarga a tierra
Siendo la tierra un conductor enormemente más grande que cualquier otro
cuerpo que se encuentre sobre ella, todo objeto cargado que se conecte a
tierra se descargará inmediatamente.
LaEsfera
esferaconductora
conductora
secargada
descarga
Superficie de la
tierra
+++
++++
++++
+++
Alambre conductor
Inducción eléctrica:
Supongamos que se tiene una barra conductora en estado neutro y
se le acerca otra barra que se encuentra cargada, por ejemplo,
negativamente como indica la figura.
----
Metal
++++
------
Plástico
Experimentalmente se observa que la barra conductora se
“polariza”, esto significa que en el extremo que se encuentra más
cercano a la barra cargada se concentra carga positiva y en el
más lejano se concentra carga negativa.
Este hecho puede explicarse si recordamos que los conductores
tienen electrones libres. Éstos son repelidos por la carga negativa
de la barra que acercamos, alejándose lo más posible de ella. De
esta manera, los átomos del metal más próximo a la barra
cargada quedan con menos electrones y por lo tanto, cargados
positivamente. En el otro extremo de la barra de metal, se
acumulan electrones de modo que queda cargada negativamente.
Electroscopio de hojas:
El electroscopio es un instrumento empleado para evidenciar la presencia
de cargas eléctricas. En la figura se muestra el instrumento tal como lo
utilizó por primera vez el físico Michael Faraday. El electroscopio está
compuesto por dos hojitas de metal muy finas (a) colgadas de un soporte
metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no
conductor (c). Una esfera conductora (d) completa el dispositivo.
Al acercar la varilla cargada negativamente (sin tocar el electroscopio); se
produce inducción. Los electrones libres del metal que compone al
electroscopio son repelidos y se alejan lo más posible de la barra cargada,
llegando a las hojitas. Al tener carga de igual signo las hojitas se repelen y
se separan. La abertura entre éstas dependerá de la cantidad de carga.
La esferita del electroscopio queda cargada positivamente.
Recordemos que este fenómeno en que se separan las cargas negativas y
positivas en un cuerpo inicialmente neutro, se llama polarización
------
Plástico
Electroscopio de hojas:
El electroscopio es un instrumento empleado para evidenciar la presencia
de cargas eléctricas. En la figura se muestra el instrumento tal como lo
utilizó por primera vez el físico Michael Faraday. El electroscopio está
compuesto por dos hojitas de metal muy finas (a) colgadas de un soporte
metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no
conductor (c). Una esfera conductora (d) completa el dispositivo.
Al acercar la varilla cargada negativamente (sin tocar el electroscopio); se
produce inducción. Los electrones libres del metal que compone al
electroscopio son repelidos y se alejan lo más posible de la barra cargada,
llegando a las hojitas. Al tener carga de igual signo las hojitas se repelen y
se separan. La abertura entre éstas dependerá de la cantidad de carga.
La esferita del electroscopio queda cargada positivamente.
Recordemos que este fenómeno en que se separan las cargas negativas y
positivas en un cuerpo inicialmente neutro, se llama polarización
------
Plástico
Observen que el electroscopio se polariza
cuando la barra se acerca pero cuando se
aleja las cargas vuelven a mezclarse y las
hojitas vuelven a su posición original.
Repetir experimento
Segundo principio de la electrostática
“En un sistema aislado la carga eléctrica total permanece
constante”
Esto podemos entenderlo fácilmente a partir del hecho que
la carga está en los protones y electrones que componen
los átomos.
Si un cuerpo está aislado , es decir, no se pone en contacto
con otro, las cargas eléctricas que posee (protones y
electrones) no aumentarán ni disminuirán.
Esto se puede observar claramente en el fenómeno de
inducción, Las cargas se separan al polarizarse pero la
cantidad total de carga en el cuerpo sigue siendo la misma.
Por eso cuando se aleja del electroscopio el cuerpo
cargado, las cargas se equilibran y el cuerpo queda en
estado neutro.
Notación científica
Cuando en ciencias se deben escribir números muy grandes o
muy pequeños se utiliza la notación científica, esto es, las cifras
significativas seguidas de una potencia de diez. Por ejemplo:
MAGNITUD
NOTACIÓN COMÚN
NOTACIÓN CIENTÍFICA
Distancia de la tierra al sol
150.000.000 km
1,5 . 108 km = 1,5 . 1011 m
Radio de la tierra
6.370.000 m
6,37 . 106 m
Carga del electrón (e)
- 0,00000000000000000016C -1,6 . 10-19C
Diámetro de un glóbulo rojo
0,000007 m
7 . 10-6 m
Obsérvese que la potencia de diez indica la cantidad de
ceros que anteceden o suceden a la unidad.
Ley de Coulomb
Realizando una serie de experimentos con una balanza de torsión
por él diseñada, Charles de Coulomb (francés, 1736-1806)
descubre la ley que permite calcular las fuerzas que se ejercen
entre cargas eléctricas.
Ley de Coulomb:
La fuerza de atracción o repulsión que ejerce una carga
eléctrica sobre otra tiene una dirección que coincide con la de la
recta que las une y su módulo es directamente proporcional al
producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa.
(F representa la fuerza, d la distancia que separa los cuerpos y
q la cantidad de carga que tiene cada cuerpo. k0 es una
constante de proporcionalidad que se denomina constante
electrostática)
F  k0
F
+
q1
d
q1  q2
2
d
+
q2
F
Ley de Coulomb
d se mide en metros (m).
q1 y q2 se miden en una unidad que se llama “Coulomb” y se indica con
la letra “C” mayúscula.
La constante electrostática, justamente por ser una constante tiene
siempre el mismo valor:
2
9 N m
k 0 = 9 10
2
C
Ejemplo 1:
Dos cargas eléctricas q1= 6 .10-4 C y q2= 4 .10-3 C se encuentran a 2
m una de la otra. Calcular con qué fuerza se repelen.
Planteo:
Solución
No se asusten, cuando volvamos a clase trabajaremos especialmente en el
aspecto matemático de la ley.
Carga del electrón y del protón
Pero si la carga se encuentra en los electrones y los
protones significa que existe una mínima cantidad de carga,
que corresponderá a la carga de estas partículas. ¿cuál será
su valor?.
A principios del siglo XX, un científico llamado Robert
Millikan desarrolló un fabuloso experimento donde logró
medirlas:
Carga del electrón:
e= -1,6 . 10-19 C
Carga del Protón:
p=+1,6 . 10-19 C
Descargar

Electrostática