Electroestática - Soluciones Tics

Electroestática
Ing. Eduardo Cruz Romero
Introducción
Con el estudio de la electrostática se da inicio a la
búsqueda del conocimiento que nos permitirá
comprender algunos fenómenos eléctricos. La
electrostática es el punto de partida para el
estudio del fenómeno de la electricidad, su control
por parte del hombre y, por cierto, es la base de
numerosas aplicaciones científicas y tecnológicas.
¿Qué es la electroestática?
Podríamos decir que es el área de la física que se
encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas
eléctricas en reposo.
Carga eléctrica
Toda la materia, es decir, cualquier clase de
cuerpo se compone de átomos y estos de partículas
elementales como los electrones, protones y
neutrones. Los electrones y protones tienen una
propiedad llamada carga eléctrica. Los neutrones
son eléctricamente neutros porque carecen de
carga, los electrones poseen una carga negativa,
mientras los protones la tienen positiva.
El átomo esta constituido por un núcleo, en el se
encuentran protones y los neutrones, y a su alrededor
giran los electrones. Un átomo normal es neutro, ya que
tiene el mismo numero de protones o cargas positivas y de
electrones o cargas negativas. Sin embargo, un átomo
puede ganar electrones y quedar con carga negativa, o
bien, perderlos y adquirir carga positiva. La masa del
protón es casi dos mil veces mayor que la del electro,
pero la magnitud de sus cargas eléctricas es la misma. Por
tanto de un electrón neutraliza la de un protón.
El frotamiento es una manera sencilla de cargar
eléctricamente un cuerpo, por ejemplo: cuando el
cabello se peina con vigor pierde algunos
electrones, adquiriendo entonces carga positiva;
mientras tanto el peine gana dichos electrones y su
carga final es negativa, es decir, cuando un objeto
se electriza por fricción la carga no se crea, pues
siempre ha estado ahí, ni se producen nuevos
electrones, solo pasan de un cuerpo a otro.
Leyes de la Electroestática
• Ley Cualitativa: “Las cargas eléctricas de la
misma naturaleza (igual signo) se repelan y las de
naturaleza diferente (signo diferente) se atraen.
• Ley Cuantitativa: Ley de Coulomb
Ley de Coulomb
• El científico francés Charles Coulomb estudio las
leyes que rigen la atracción y repulsión de dos
cargas eléctricas puntuales en reposo. (Una carga
puntual es la que tiene distribuida un cuerpo
electrizado, cuyo tamaño es pequeño comparado
con la distancia que lo separa del otro cuerpo
cargado y con la magnitud de sus cargas, por
tanto toda la carga del cuerpo se encuentra
reunida en su centro).
• Para ello en 1777 invento la balanza de torsión,
esta cuantificaba la fuerza de atracción o
repulsión por medio del retorcimiento de un
alambre de palta rígido. Coloco una pequeña
esfera con carga eléctrica a diversas distancias de
otra también cargada, así logro medir la fuerza
de atracción o repulsión según la torsión
observada en la balanza.
• Coulomb observo que a mayor
distancia entre dos cuerpos
cargados eléctricamente, menor
es la fuerza de atracción o
repulsión, pero la fuerza no se
reduce en igual proporción al
incremento de la distancia, sino
respecto al cuadrado de la
misma.
• Finalmente, la ley de coulomb queda enunciada
en los siguientes términos: la fuera eléctrica de
atracción o repulsión entre dos cargas puntuales
q1 y q2, es directamente proporcional al
producto de las cargas e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia r que las
separa.
Campo eléctrico
Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por
un campo eléctrico, las cargas de diferente signo se
atraen y las de igual signo se rechazan, aun cuando se
encuentren separadas, esto quiere decir que las cargas
eléctricas influyen sobre la región que esta a su
alrededor; la región de influencia recibe el nombre de
campo eléctrico. El campo es invisible, pero su fuerza
ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ello es
fácil detectar su presencia, así como medir su
intensidad.
• El electrón y todos los cuerpos electrizados tiene
a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se
manifiesta sobre cualquier carga cercana a su
zona de influencia. El campo eléctrico es
inherente a la naturaleza del electrón e
independiente de sus movimientos, no así el
campo magnético que aparece solo cuando el
electrón esta en movimiento.
Intensidad del campo eléctrico
Para poder interpretar como es la intensidad del
campo eléctrico producido por una carga eléctrica,
se emplea una carga positiva(por convención) de
valor muy pequeño llamado carga de prueba, de
esta manera sus efectos, debido al campo
eléctrico, se puede despreciar. Esa pequeña carga
de prueba q se coloca ene l punto del espacio a
investigar.
Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que
en ese punto del espacio existe un campo eléctrico cuya intensidad E es
igual a la relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha carga de
prueba q. por tanto:
𝐹
𝐸=
𝑞
Donde:
E = intensidad del campo eléctrico en N/C o dinas/ues.
F = fuerza que recibe la carga de prueba en newtons(N) o dinas.
q = valor de la carga de prueba en coulombs (C) o ues.
Potencial eléctrico
Existe analogía entre la energía potencial eléctrica y la
energía potencial gravitacional de un cuerpo. Cuando un
cuerpo se eleva a una cierta altura h sobre el nivel suelo,
su energía potencial es positiva, pues al regresar este será
capaz de realizar un trabajo equivalente a su energía
potencial: T = Ep = mgh. Si el cuerpo se encuentra a una
distancia h bajo el nivel del suelo, si energía potencial
será negativa, porque al bajar a ese punto cede energía y
para subirlo se debe realizar un trabajo negativo cuyo
valor será igual a:
-T = -Ep = - mgh
En general cuando un cuerpo se encuentra dentro del
campo gravitatorio terrestre tiene una energía potencial
gravitatoria, análogamente, una carga eléctrica situada
dentro de un campo eléctrico tendrá una energía
potencial eléctrica, pues la fuerza que ejerce el campo es
capaz de realizar un trabajo al mover la carga.
Energía asociada a un campo eléctrico
• Toda configuración de cargas tiene una cierta energía
potencial eléctrica U, igual al trabajo W que debe
realizarse para establecer la distribución a partir de
las
componentes
individuales,
supuestas
originalmente a una distancia infinita y en reposo.
• Esta energía potencial recuerda a la energía
potencial almacenada en un resorte comprimido, o a
la energía potencial gravitacional almacenada, por
ejemplo, en el sistema Tierra-Luna.
• Considerando un ejemplo simple, se debe de
realizad trabajo para separar dos cargas iguales y
opuestas. Esta energía se almacena en el sistema
y se puede recuperar si las dos cargas se dejan en
libertad para que se aproximen nuevamente. De
manera semejante, un capacitor cargado ha
almacenado una energía potencial eléctrica U
igual al trabajo W necesario para cargarlo.
• Esta energía puede recuperarse si se permite que el capacitor
se descargue. El trabajo en el proceso de carga puede
visualizarse imaginando a un agente externo que jala los
electrones de la placa positiva y los empuja hacia la placa
negativa, produciendo entonces la separación de carga;
generalmente, en trabajo de carga lo realiza una batería, a
expensas de su energía química almacenada.
• Supóngase que en el tiempo t se ha transferido una carga q’(t)
de una placa a otra. La diferencia de potencial V(t) entre las
placas en ese instante será q’(t)/C. Si se transfiere una carga
extra dq’, se requiere una pequeña cantidad de trabajo
adicional que será: dW=Vdq= (q’/C) dq’.
Corriente eléctrica
• La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de
tiempo que recorre un material. Se debe a un
movimiento de los electrones por el interior del
material. Se mide en amperios y se indica con el símbolo
A. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un
movimiento de cargas, produce un campo magnético.
Resistencia eléctrica
• Se denomina resistencia eléctrica, R, de una
sustancia, a la oposición que encuentra la
corriente eléctrica para circular a través de dicha
sustancia. Su valor viene dado en ohmios, se
designa con la letra griega omega mayúscula (Ω),
y se mide con el Ohmímetro.
Resistividad
• Se le llama resistividad al grado de dificultad que
encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se
designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en
ohms por metro (Ω·m, a veces también en Ω·mm²/m).
• Su valor describe el comportamiento de un material
frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una
idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de
resistividad indica que el material es mal conductor
mientras que uno bajo indicará que es un buen
conductor.
Referencias Bibliológicas
• Física General – Héctor Pérez Montiel. Publicaciones Culturales.