CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTROSTÁTICA

La materia está constituida por átomos y éstos a su vez, de otras partículas más simples, que son esencialmente: electrones, protones y neutrones.

Los electrones poseen una masa despreciable en comparación con protones y neutrones, los cuales, asociados entre sí generalmente, forman la parte reposada de la materia; los electrones, por el contrario, constituyentes ligeros de ella, son su parte dinámica, pudiendo, con más o menos facilidad, moverse en su interior y pasar de unos cuerpos a otros.

Los componentes del átomo están agrupados dejando entre sí huecos extraordinariamente mayores que su propio tamaño. Casi la totalidad del volumen de la materia está vacío. Agrupados los constituyentes de la materia en contacto unos con otros, el volumen de un cuerpo sería millones de veces menor que el que tiene en realidad.

Los protones, además de masa, tienen una propiedad especial llamada electricidad positiva, la cual se manifiesta en la materia de una forma particular; cuando a un cuerpo que tiene un exceso de protones sobre el de electrones le acercamos otro con la misma propiedad se observa una mutua repulsión entre ellos. Los protones se repelen entre sí. Los electrones tienen una propiedad idéntica ya que se observa la misma repulsión poniendo en presencia dos cuerpos con un exceso de número de electrones sobre el de protones. Los electrones

se repelen entre sí.

Sin embargo la causa que origina las repulsiones entre los electrones y entre los protones es distinta ya que un cuerpo con un exceso de protones atrae a otro con un exceso de electrones. Protones y electrones se atraen mutuamente.

“Estructura atómica de la materia”

A la propiedad de los protones que se manifiesta repeliendo a otros protones y atrayendo electrones, se le llama electricidad positiva y se dice que tienen carga positiva.

A la propiedad de los electrones que se manifiesta repeliendo a otros electrones y atrayendo protones, se le llama electricidad negativa y se dice que tienen carga negativa.

Electricidades del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen. Se debe mencionar además que los nombres “positivo y negativo” son arbitrarios y aceptados así por la

comunidad científica.

Atracción y repulsión de las cargas

Las cargas positiva y negativa de un protón y un electrón anulan sus acciones entre sí. Se llaman cuerpos neutros eléctricamente a los que tienen el mismo número de protones que electrones.

La materia es fundamentalmente neutra y no es común encontrar cuerpos cuya carga neta tenga un valor apreciable.

Cuando, por la causa que sea, un cuerpo neutro es abandonado por un cierto número de electrones queda en él un exceso de cargas positivas. Cuerpo cargado positivamente es aquel en el que existe un mayor número de protones que de electrones.

Cuando un cuerpo en estado neutro recibe, por la causa que sea, un cierto número de electrones, queda en él un exceso de cargas negativas. Cuerpo cargado negativamente es aquel en el que existe un mayor número de electrones que de protones.

ANTECEDENTES LA ELECTRICIDAD

Las primeras observaciones de los fenómenos eléctricos las realizó Tales de Mileto alrededor del siglo IV antes de Cristo. Él observó que trozos de pasto seco se adherían al ámbar previamente frotado.

Posteriormente, fueron abordados nuevamente y de forma experimental, en el siglo XVII, por el inglés William Gilbert, quien introdujo el término electricidad

tomado de la palabra griega electrón. Gilbert estudió además del ámbar, otros materiales que le permitieron establecer que algunos de ellos adquieren una fuerza atractiva cuando son frotados, a diferencia de los metales que no experimentan ningún cambio. Este último hecho fue explicado por otro inglés, Stephen Gray, quien, en 1729, planteó que los metales conducen electricidad, estableciendo, a partir de ese momento, la diferencia entre materiales

conductores y aisladores.

En 1733, el francés Charles-François du Fay, quien creía que la electricidad era un fluido, descubrió dos clases de electricidad, una asociada a la fricción del vidrio y otra a la resina, las que denominó electricidad vítrea y resinosa, respectivamente; además, demostró que cuerpos con igual tipo de electricidad se repelen y cuerpos con distinto tipo se atraen.

Benjamín Franklin, en el año 1747, postuló que no existían dos tipos de fluidos, sino uno, el que se presentaría en exceso o en déficit en un cuerpo. De esta forma, rebautizó al fluido como “electricidad negativa” si faltaba para el equilibrio, y “electricidad positiva” al exceso. Nombres que perduran hasta hoy, pero con una comprensión distinta del fenómeno, en esto se acercaba más Du Fay a la verdad que Franklin.

La corriente eléctrica fue descubierta a finales del siglo XVIII e investigada por los italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta.

En 1793, Galvani se encontraba realizando una clase, donde había seccionado y preparado una rana, la que posteriormente fijó sobre un mesón de laboratorio, en el que había una máquina de electrificación.

Él observó la contracción del músculo de la rana al ser tocada por un escarpelo, y asoció el fenómeno a la máquina. A partir de esta experiencia, preparó varias ranas y las colgó con ganchos de bronce en su propia reja de fierro, y mientras ocurría una tormenta una de las patas hizo contacto entre la reja y el gancho, produciéndose nuevamente el mismo fenómeno.

Galvani creyó erróneamente que el muslo de la rana había almacenado electricidad, la que denominó electricidad animal, y que se descargaba al contacto con ambos metales. Años más tarde, Alessandro G. Volta supuso lo contrario, y propuso que era el contacto entre metales distintos lo que generaba electricidad. Esto lo instó a construir el primer dispositivo químico generador de electricidad, al que denominó batería eléctrica, conocido actualmente como pila, permitiendo obtener por primera vez en la historia una corriente continua.

Manifestación de la electricidad

LEYES DE LA ELECTRICIDAD

Una vez descubierta la energía eléctrica y después de una serie de investigaciones fue posible documentar los resultados obtenidos por los científicos que se dedicaron a estudiarla. A continuación se enuncian las leyes fundamentales en las que se basa el conocimiento actual de la electricidad.

LEY DE COULOMB:

La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Para fines prácticos es necesario considerar las propiedades del medio que separa los cuerpos cargados. Con este propósito se emplea la constante de proporcionalidad “k” determinada mediante pruebas de laboratorio. De este modo la Ley de Coulomb se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera:

Donde: k es la constante de proporcionalidad y su valor es: 9 x 109 Nm2/C2

q y q´ son las cargas respectivas al estudio

r es la distancia que separa las cargas

F es la fuerza de atracción o repulsión de las cargas

Es necesario considerar que el valor de las cargas q y q´ se expresa en Coulombs “C”, y 1 Coulomb es equivalente a 6.25 x 10 18 electrones. Mientras que la distancia se mide en metros.

LEY DE GAUSS:

El número total de líneas de fuerza eléctricas que cruzan cualquier superficie cerrada en dirección hacia fuera es numéricamente igual a la carga neta total contenida dentro de esa superficie.

kqq´

r2

F =

La ley de Gauss se representa mediante la siguiente ecuación:

N = ϵ0EnA = q

Donde: ϵ0 es la constante de proporcionalidad y su valor es: 8.85 x 10-12 C2/Nm2

En es la intensidad del campo eléctrico

A es el área de la superficie cerrada

q es la carga neta total contenida en la superficie

Puesto que la mayor parte de los conductores cargados tienen grandes cantidades de carga sobre ellos, no resulta práctico considerar las cargas en forma individual. Generalmente se habla de la densidad de carga “σ”, definida como la carga por unidad de área superficial.

q = σA

Las leyes de Coulomb y de Gauss se pueden comprender mejor por medio de ejemplos, así que al final de esta sección se encuentran algunos ejercicios para complementar este tema.

LEY DE OHM:

La corriente que circula por un conductor dado es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus puntos extremos. La expresión matemática de la ley de ohm es la siguiente:

q

A

σ =

V

R

I =

LEYES DE KIRCHHOFF:

Primera ley de Kirchhoff. La suma de corrientes que entran en un nodo es igual a las suma de las corrientes que salen de él.

Ientrante = Isalientes

Segunda ley de Kirchhoff. La suma de las fem alrededor de cualquier malla cerrada de corriente es igual a la suma de todas las caídas de IR alrededor de dicha malla.

= IR

La ley de ohm se estudiara con mayor profundidad más adelante en el tema de circuitos eléctricos.