LA ELECTROSTÁTICA es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
1.1.- LA CARGA ELÉCTRICA:
La carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. Las dos partículas elementales cargadas que existen en la materia son el electrón y el protón.
La carga eléctrica es una magnitud física que puede medirse. Su unidad natural es el electrón, pero al ser una cantidad muy pequeña, el SI utiliza como unidad de carga eléctrica al Coulomb (C).
1.2.-AISLANTES o DIELÉCTRICOS Y CONDUCTORES:
En ciertos materiales, como los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores.
En contrapartida de los conductores eléctricos, existen materiales en los que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos; ejemplo las resinas, el vidrio, los plásticos, las fibras sintéticas o naturales, el papel, etc.
Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica
1.3.-MÉTODOS PARA CARGAR ELÉCTRICAMENTE LA MATERIA:
A. POR CONTACTO
Este es un buen método para cargar eléctricamente cuerpos conductores (metales). Se pone en contacto el metal inicialmente neutro y aislado con un cuerpo previamente cargado. El conductor queda cargado eléctricamente con el mismo signo del cuerpo cargado que lo tocó.
B. CARGA POR FRICCIÓN
O Ocurre cuando dos cuerpos se frotan mutuamente. En la carga por fricción o frotación se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Por consiguiente un cuerpo queda con un exceso de electrones y se carga negativamente y el otro queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva
C. CARGA POR INDUCCIÓN
En este método un cuerpo previamente cargado (inductor) se aproxima a un objeto de metal (inducido), en éste se acumulará una cantidad de electrones hacia un lado, dando lugar a un fenómeno conocido como POLARIZACIÓN ELÉCTRICA
1.4.- EL ELECTROSCOPIO
Es un aparato que permite detectar la presencia de campos eléctricos en un cuerpo e identificar el signo de la misma. El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera y las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
1.5.- LA FUERZA ELÉCTRICA: LEY DE CHARLES COULOMB
La ley de Coulomb puede expresarse como:
La fuerza eléctrica con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Dadas dos cargas puntuales q1 y q2 separadas una distancia d en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por:
La fuerza eléctrica es de repulsión si las cargas tienen el mismo signo y de atracción si las cargas son de signos diferentes.
PROBLEMAS PARA RESOLVER:
1. Se tienen dos cargas positivas de 3µC y 15 µC separadas medio metro. ¿Qué tipo de fuerza habrá entre ellas? ¿Cuál será el valor de dicha fuerza?
2. La fuerza eléctrica de repulsión entre dos cargas eléctricas iguales, separadas por una distancia de 10m entre sus centros, es de 9x10-3N ¿Cuál es la carga eléctrica de cada una?
1.6.-EL CAMPO ELÉCTRICO:
La fuerza eléctrica, al igual que la fuerza gravitacional, es una fuerza a distancia. Una carga eléctrica puede ejercer una fuerza eléctrica sobre otra carga a través del medio que la rodea, sin la necesidad del contacto directo. Por lo tanto el campo eléctrico es el medio que le permite a un cuerpo cargado eléctricamente ejercer una fuerza eléctrica sobre otro cuerpo cargado o polarizado.
Para determinar la INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO en una región determinada del espacio se utiliza una carga de prueba positiva (por convención) q0. La intensidad del campo eléctrico E es el cociente entre la fuerza eléctrica (F) que experimenta una carga de prueba positiva (q0) y el valor de la carga de prueba
En el SI el campo eléctrico se mide en N/C
El campo eléctrico es una magnitud vectorial, su dirección y sentido en un punto del espacio es igual que la dirección y sentido de la fuerza que actúa sobre la carga de prueba positiva colocada en dicho punto.
PROBLEMAS PARA RESOLVER:
1. Calcula la fuerza que experimenta una carga eléctrica positiva de 10 µC cuando se coloca dentro de un campo eléctrico de valor 800N/C, dirigido hacia la derecha.
2. Una carga q de 70g de masa y 35 µC de carga se desprende de una placa positiva. Despreciando la fuerza de la gravedad, calcula el campo eléctrico entre las placas, separadas 20cm, si la carga llega a la placa negativa al cabo de 2s y el campo es uniforme
1.7.-EL POTENCIAL ELÉCTRICO:
Los campos eléctricos tienen la propiedad de proporcionar energía potencial eléctrica a cualquier carga que se coloque en el interior del campo. Tal propiedad se mide con una magnitud escalar llamada Potencial eléctrico.
El Potencial eléctrico (V) en un punto del campo eléctrico se mide por el trabajo eléctrico (W) efectuado al transportarse la carga eléctrica positiva (q), desde ese punto hasta el infinito.
El trabajo realizado (W) equivale a la energía eléctrica (U) ganada o perdida.
En el SI el potencial eléctrico se expresa en voltios (V) (V= J/C)
PROBLEMAS PARA RESOLVER:
1. Al arrancar un auto se hacen pasar 600C por el motor. Si se efectúa un trabajo de 3 600 J, calcular la diferencia de potencial presentada.
2. Calcular la energía que posee un núcleo de Litio (Z=3) al ser acelerado por un campo eléctrico, bajo una diferencia de potencial de 6x105 Voltios. Considerar que Z= no atómico=no electrones. (Carga del electrón= 1,6x10-19C)
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