ELECTROESTÁTICA. LOS FEnómEnOS ELéCTRICOS

FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
electroestática. Los fenómenos eléctricos
Historia del estudio
de los fenómenos eléctricos
El filósofo griego Tales de Mileto ya se dio cuenta en el siglo VI antes
de Cristo de que el ámbar tenía unas propiedades muy curiosas.
Tales vio que si rozaba un trozo de ámbar con piel, era capaz de
atraer a pequeños objetos como plumas o trozos de paja.
Como en griego “ámbar” se llama elektron, más tarde se bautizó a los
fenómenos que experimentaba este material con el nombre de electricidad o fenómenos eléctricos.
Pero no sólo el ámbar experimenta fenómenos eléctricos. Hay
muchos otros materiales que lo hacen.
• Si cogemos dos bolígrafos de plástico y los frotamos con piel,
podemos ver cómo se repelen el uno al otro.
• Si acercamos una barra de vidrio frotada con seda al bolígrafo
que hemos frotado con piel, pasa una cosa muy distinta. Los dos
objetos se atraen.
Los materiales frotados, o se atraen o se repelen.
Observando estos comportamientos, podemos pensar que únicamente hay dos tipos de electricidad. El científico americano del
siglo XVIII, Benjamin Franklin, los llamó electricidad negativa y
electricidad positiva.
La carga eléctrica
Para poder entender qué es la electricidad y los fenómenos que
provoca, nos tenemos que reducir 10.000 millones de veces y hacer
un viaje hasta la estructura fundamental de la materia.
• La parte más pequeña que conserva las propiedades de un
elemento es el átomo.
•Todos los átomos están formados por tres tipos de partículas:
protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la envoltura.
1
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
Cuando se estudian con detalle estas partículas, se observa que
tienen una serie de propiedades.
• La masa, que todos conocemos, es una de ellas.
• La carga eléctrica. Ésta es la propiedad más importante a la
hora de entender los fenómenos eléctricos.
La carga eléctrica se mide con una unidad llamada culombio, en
honor al científico francés Charles Coulomb.
Las partículas pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o
no tener. Sólo dentro de un único átomo ya podemos encontrar
ejemplos de cada uno de estos casos:
• Los neutrones no tienen carga
• Los protones tienen carga positiva
• Los electrones tienen carga negativa.
• A excepción del cambio de signo, la carga de un protón y de un
electrón tiene el mismo valor.
Los objetos con carga eléctrica experimentan una fuerza a causa
de la presencia de otras cargas.
Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las de signo
diferente se atraen.
Transferencia de cargas
Pero si, globalmente, la mayoría de objetos no tiene carga, ¿cómo
es posible que aparecen fuerzas eléctricas entre barras de plástico
y vidrio cuando las frotamos con piel y seda?
Cuando frotamos un trozo de plástico con piel, el plástico es capaz
de arrancar algunos de los electrones más superficiales de los
átomos de la piel. De esta manera, el plástico gana carga negativa,
y la piel la pierde, con lo cual la piel queda cargada positivamente.
Por eso, porque están cargados negativamente, dos pedazos de
plástico frotados con piel se repelen.
2
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
Cuando frotamos una barra de vidrio con seda, lo que sucede es
que la seda arranca electrones superficiales del vidrio. En este
proceso, la seda se carga negativamente y el vidrio lo hace positivamente.
Por esta razón, un trozo de plástico frotado con piel (cargado negativamente) y una barra de vidrio frotada con seda (cargada positivamente)
se atraen.
• En todos estos procesos de frotación, no se ha generado carga
eléctrica de la nada. Únicamente se ha transferido de un cuerpo
a otro.
• Sólo se ha transferido carga negativa gracias a un traslado de
electrones.
Los electrones son las partículas más superficiales de los átomos y
pueden pasar de un objeto a un otro. En cambio, los protones, cargados
positivamente, no se pueden transferir de un objeto a otro, porque
arrancar un protón de un núcleo atómico supone muchísima energía.
Conservación de la carga eléctrica
La carga no se puede crear ni destruir.
Éste es un enunciado importante que se conoce como el principio
de conservación de la carga eléctrica.
Este principio también se puede enunciar diciendo que en un
sistema aislado, la carga eléctrica total no varía.
Importancia de los fenómenos eléctricos
La fuerza eléctrica que experimentan los cuerpos cargados es
responsable del hecho que el mundo sea como es y no de otra
forma.
• Si no existiese esta fuerza, no se podrían formar los átomos,
porque los electrones no se mantendrían alrededor del núcleo.
• La fuerza eléctrica es responsable, por ejemplo, de que el agua,
el líquido esencial para la vida, sea líquida.
◦◦ Las moléculas de agua, formadas por dos átomos de hidrógeno
y uno de oxígeno, son globalmente neutras. Pero en su interior
se produce una acumulación de cargas negativas en un extremo
y de cargas positivas en el otro.
3
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
◦◦ Eso hace que el extremo negativo de una molécula y el extremo
positivo de otra se atraigan. De esta manera se produce un
vínculo entre las moléculas de agua denominado puente de
hidrógeno, que las mantiene unidas e impide que pasen a
formar vapor espontáneamente.
• Que las sustancias sean líquidas, sólidas o gaseosas depende de
cómo son las fuerzas eléctricas de su interior.
• Fuerzas parecidas a las que experimentan las moléculas de agua
son las responsables del que los átomos se agrupen para formar
moléculas, y éstas se agrupan para formar objetos más grandes.
En última instancia, las propiedades que percibimos de los objetos que
nos rodean (dureza, resistencia, capacidad de calentarse, etc.) son
consecuencia de las fuerzas eléctricas entre las moléculas y átomos
que los constituyen.
• La corriente eléctrica es la aplicación más importante de la electricidad. Se trata de electrones que se mueven gracias a una fuerza
eléctrica. La energía de este movimiento se puede transformar en
movimiento en los motores eléctricos, en luz a las bombillas, en
sonido a los altavoces, etc.
◦◦ La corriente eléctrica no puede circular por cualquier material.
◦◦ Los materiales que permiten el paso de corriente eléctrica se
denominan conductores, y tienen una estructura interna que
permite la circulación de electrones.
◦◦ Los materiales que no permiten el paso de corriente eléctrica se
denominan aislantes o dieléctricos. Su estructura interna no
permite el paso de electrones.
Los metales suelen ser buenos conductores, mientras que materiales como, por ejemplo, la madera, el vidrio, el plástico o el aire son
aislantes.
Fenómenos eléctricos cotidianos
Descargas eléctricas
¿No te ha pasado nunca corriente al cerrar la puerta de un coche,
tocando a otra persona o el pomo metálico de una puerta? ¿No se te
ha erizado el pelo al acercarte un peine después de peinarte?
Estos fenómenos suceden porque en algún momento ha habido un
movimiento de cargas eléctricas que da lugar a fuerzas eléctricas.
Y estas fuerzas hacen que, en ciertas condiciones, las cargas se
muevan y se produzca lo que se conoce como una descarga.
4
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
• En el caso del coche, a causa del roce con el aire se produce una
transferencia de electrones que hace que la chapa del coche se
cargue. Si hay humedad en el ambiente, el aire puede comportarse como conductor, la carga puede circular a través del aire, y
el coche se descarga.
• En cambio, si el ambiente es seco, la carga no puede circular a
través del aire ni tampoco a través de los neumáticos de goma,
que son aislantes.
• En esta situación, el coche se va cargando. Al salir y tocarlo con la
mano, como nuestro cuerpo es conductor, la carga circula a través
nuestro hasta el suelo, y sentimos que nos pasa la corriente.
• En el caso del peine, sucede lo mismo que con la barra de plástico
cuando se frotaba con piel. El plástico es capaz de arrancar electrones superficiales de los cabellos, de forma que el peine se
carga negativamente y los cabellos lo hacen positivamente.
• Acercando nuevamente el peine al cabello, se produce una fuerza
atractiva entre el peine (cargado negativamente) y los cabellos
(cargados positivamente).
• Esta fuerza puede llegar a ser más grande que el peso de los
cabellos y puede levantar unos cuántos.
Rayos y relámpagos
• Una nube de tormenta se forma gracias a corrientes de aire ascendentes y descendentes que se producen como consecuencia de
la diferencia de temperaturas entre diversas masas de aire. Estas
corrientes arrastran gotas de agua y pequeños cristales de hielo
que, al rozarse, adquieren carga eléctrica.
• Dentro de la nube, y gracias a las corrientes de aire, las partículas
cargadas negativa y positivamente se distribuyen de manera que
en la parte superior de la nube se acumulan las cargas positivas,
y, en la parte inferior, las negativas.
• Una vez hecha esta distribución, las cargas negativas situadas
en la parte baja de la nube producen una fuerza sobre las partes
positivas de las moléculas que contiene el suelo. Entonces,
estas moléculas se colocan de manera que sus parte positiva se
concentra en la superficie del suelo.
• En esta situación, los electrones que han dado lugar a las cargas
negativas de la nube notan una fuerza hacia abajo procedente de
las cargas positivas del suelo. Sin embargo, como el aire es un
material aislante, no pueden circular y llegar al suelo.
5
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
• A medida que este proceso de acumulación de cargas aumenta, la
fuerza que notan los electrones es cada vez más intensa, y llega
un momento en que es tan fuerte que se produce una descarga
repentina de electrones desde la nube hacia el suelo.
• Esta descarga es lo que se llama rayo. Los relámpagos se
producen por la misma razón, pero se trata de descargas entre
las diferentes partes de la nube.
La luz que vemos cuando se produce un rayo se genera a causa
de los choques de los electrones con las moléculas del aire. Estas
moléculas absorben la energía de los electrones y la liberan en
forma de luz.
También como consecuencia de estos choques, las moléculas del
aire se calientan muy rápidamente (¡la temperatura puede alcanzar
los 28.000 ºC!). Eso hace que la zona de aire cercana a la trayectoria del rayo se expanda bruscamente y provoque un movimiento
de vaivén que se propaga en forma de onda sonora. El trueno no
es nada más que la onda sonora generada en este proceso.
Pararrayos
Mientras realizaba sus experimentos eléctricos, Franklin se percató
de que los objetos metálicos puntiagudos tienen la propiedad de
acumular grandes densidades de carga eléctrica, precisamente
gracias a su forma puntiaguda.
Con el fin de proteger a las personas y los edificios, Franklin inventó
el primer pararrayos. Este artefacto consistía en una vara metálica
acabada en punta, conectada con el suelo a través de un material
conductor.
Gracias a la concentración de carga que se produce en la punta de
la vara, se atrae a la descarga eléctrica procedente del rayo y se
canaliza a través del conductor hasta el suelo, un lugar seguro.
Actualmente se ha comprobado que este modelo de pararrayos no es
eficaz en todos los casos, y ya se han desarrollado modelos más sofisticados y efectivos.
6
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
Ley de Coulomb
Charles Coulomb y la balanza de torsión
Charles Coulomb era un físico e ingeniero militar francés que hacía
experimentos relacionados con la electricidad y el magnetismo,
con el objetivo de mejorar las brújulas de los marineros. Coulomb
decidió encontrar la manera de calcular la fuerza eléctrica entre
dos cuerpos cargados.
Para hacerlo, en 1777 inventó un mecanismo llamado balanza
de torsión. Este mecanismo consiste en una barra horizontal que
cuelga de un hilo que se puede torcer si la barra gira.
Además de la balanza, los únicos elementos que Coulomb utilizó
en su experimento fueron dos cuerpos esféricos cargados.
Coulomb situó una esfera metálica cargada en un extremo de la
barra y le acerco otra esfera con una carga conocida. A partir de
ahí, fue variando la carga de esta última esfera y la distancia entre
las dos esferas.
Midiendo el ángulo que se desplazaba la barra, pudo calcular la
fuerza que experimentaba la esfera. Entre muchos otros resultados,
observó lo siguiente:
• Cuando una de las cargas se duplicaba, la fuerza también se
duplicaba.
• Cuando la distancia entre las cargas se duplicaba o triplicaba, la
fuerza disminuía en un factor 4 o 9, respectivamente.
Ley de Coulomb
Estos resultados indican que la fuerza eléctrica es directamente
proporcional a cada una de las cargas en juego, e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Coulomb expresó matemáticamente estos resultados en una
ecuación: la conocida como ley de Coulomb.
F=K·
q1 · q 2
r2
F es la fuerza con que se atraen o se repelen las cargas. Se expresa
en newtons (N).
K es la llamada constante de Coulomb. Su valor depende del medio
donde estén situadas las cargas. En el vacío equivale a 9·109 Nm2/C2.
q1 y q2 son los valores de las cargas, expresados en culombios (C).
r es la distancia que separa a las dos cargas, expresada en metros.
7
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
Constante de Coulomb
El valor de K (9·109 Nm2/C2) es muy grande, hecho que puede hacer
pensar que las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados (como
las esferas del experimento de Coulomb) son muy grandes.
Pero resulta que los valores de carga que alcanzan la mayoría de
cuerpos son muy pequeños, suelen ser del orden de 10-9 C o inferiores.
Piensa que los objetos se cargan mediante la transferencia de electrones, y los electrones tienen una carga muy pequeña (-1,6·10-19 C).
Por lo tanto, aunque se transfieran miles de millones de electrones, las
fuerzas con que nos encontramos son del orden de 10-6 N.
Signo de la ley de Coulomb
• Si el signo de las dos cargas es el mismo (positivo o negativo), el
resultado de la fuerza es un número positivo.
• En cambio, si las cargas son de signos diferentes, el valor de la
fuerza es negativo.
Por lo tanto,
• Fuerzas positivas (a causa de cargas del mismo signo) indican
repulsión.
• Fuerzas negativas (a causa de cargas de signo diferente) indican
atracción.
Dirección y sentido de la fuerza eléctrica
La fuerza es una magnitud vectorial. Por lo tanto, cuando nos
referimos a una fuerza, en este caso la eléctrica, tenemos que especificar no sólo su valor, sino también su dirección y su sentido.
Si no lo hacemos, no podremos saber qué efectos puede causar esta
fuerza.
Acción y reacción
Según la tercera ley de Newton, la de acción y reacción, si un
cuerpo hace una fuerza sobre otro cuerpo, éste último cuerpo
también ejerce una fuerza sobre el primero, de la misma intensidad
pero en sentido opuesto.
Por lo tanto, con la ley de Coulomb podemos calcular la fuerza
que la carga 1 hace sobre la carga 2, pero también la fuerza que
la carga 2 hace sobre la carga 1, porque estas dos fuerzas son
iguales.
En este cálculo hay que tener en cuenta el cambio de sentido.
8
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
Campo eléctrico
Una carga provoca una alteración en todo el espacio que la rodea.
Si en este espacio se coloca otra carga, ésta nota los efectos
de la alteración mediante una fuerza. Esta alteración creada por
una carga eléctrica en todo el espacio es lo que se llama campo
eléctrico.
Una carga crea un campo eléctrico y es el campo el que hace
fuerza sobre otras cargas.
La teoría del campo eléctrico culminó en el 1873 gracias a la aportación
del físico escocés James Maxwell.
Definición
El campo eléctrico se define precisamente como la fuerza que
experimentaría una carga de 1 C, a causa de la presencia de la
otra carga.
q
E=K· 2
r
Puesto que la fuerza varía en función de la distancia a la carga, el
campo también lo hará.
El campo eléctrico se representa con la letra E y se calcula de la
siguiente manera:
Donde K es la constante de Coulomb (9·109 Nm2/C2) , q es la carga que
crea el campo expresada en culombios y r es la distancia en metros de
esta carga respecto al punto donde se quiere calcular el campo.
De la misma manera que la fuerza, el campo eléctrico es una
magnitud vectorial y, por lo tanto, tiene un valor numérico, una
dirección y un sentido en cada punto del espacio.
9
FÍSICA 3: tema 1 ELECTROESTÁTICA resumen teórico
Fuerza de una carga en un campo eléctrico
F=q·E
Donde q es la carga sobre la que se quiere calcular la fuerza, y E es el
campo eléctrico en el punto en que se encuentra esta carga.
Las cargas positivas reciben una fuerza en el mismo sentido que
el campo, mientras que la fuerza sobre las cargas negativas es de
sentido contrario al campo
10