Fuerza eléctrica

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2d = Distancia de separación entre las cargasFe = Fuerza eléctrica

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

Dirección de la fuerza eléctrica Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. 

Sentido de la fuerza eléctrica El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

Fuerzas originadas por varias cargas sobre otraSi se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.

C arga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad de la materia que permite cuantificar la pérdida o ganancia de electrones.

La carga eléctrica q puede clasificarse como carga eléctrica positiva (protones) y carga eléctrica negativa (electrones). Los fenómenos eléctricos se atribuyen a la separación de las cargas eléctricas del átomo y su movimiento. Por esta razón el concepto de carga eléctrica es la base para definir los fenómenos eléctricos.

La unidad de medida de la carga es el coulomb (C), En honor al Físico e Ingeniero militar Charles Augustin Coulomb (1736 - 1806) este francés fue el primero en explicar de forma matemática la ley de atracción de las cargas.

Un coulomb (C) es la carga de |6.24X1018| electrones o la carga de un electrón es una carga negativa de 1.6021X10-19 (C).

La carga eléctrica de un cuerpo u objeto se establece a partir de la relación entre el número de protones y el número de electrones existentes en el. Si esta relación es de igualdad se dice que el cuerpo no está cargado. Si el número de electrones es mayor al número de protones, afirmamos que el cuerpo está cargado negativamente. Si el número de electrones es menor que el número de protones afirmamos que el cuerpo está cargado positivamente.

Cargar un cuerpo negativa o positivamente es consecuencia de la ganancia o pérdida de electrones respectivamente. Es de resaltar que los elementos con capacidad de transferirse son los electrones.

Formas de cargar un cuerpo.

Por contacto. Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro previamente cargado.

Por frotamiento. Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Por inducción. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. El elemento cargado ya sea positivo o negativo atrae las cargas del signo contrario del elemento neutro, Generando en el elemento neutro que las cargas eléctricas de signo positivo se concentran en una zona del elemento mientras las cargas negativas se concentran en una zona diferente del elemento. Sin embargo el cuerpo sigue siendo neutro.

Por efecto fotoeléctrico. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre su superficie. Esto se produce cuando los fotones (Cuanto de luz) son adsorbidos por los electrones del conductor llenándoles de energía para poder escapar del conductor.

Por electrólisis. Es un proceso para separar un compuesto por medio de la electricidad utilizando electrolitos (compuesto ionizante).

Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrólito y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o tensión aplicada.

Por efecto termoeléctrico. Este proceso se caracteriza por transformar el calor en electricidad. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Tipos de electrificación

Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes:

Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.

Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas.

Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

Carga por el Efecto Fotoeléctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética.

Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua.

Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor.

Ley de Coulomb

Los fenómenos eléctricos de los cuerpos se explican por la estructura atómica. Los cuerpos están constituidos por átomos y en los átomos existen protones (carga positiva) y electrones (carga negativa). En cualquier tipo de cuerpo existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas eléctricas del mismo tipo se repelen y las cargas eléctricas de distinto tipo se atraen.

Establece el valor de una fuerza electrostática. Esta fuerza depende de las cargas enfrentadas y de la distancia que hay entre ellas.

El físico francés Charles Coulomb investigó en la década de 1780 la relación cuantitativa de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados. Su ley la demostró usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre ellas.

Esta ley estableció nuevos principios eléctricos hallados por el. Su ley la formulo tras efectuar algunos experimentos que se resumen a continuación.

Para esta ley usó pequeñas esferas con distintas cargas de las que no conocía la carga exactamente, sino la relación de las cargas. Para su ley penso acertadamente que si una esfera conductora cargada se pone en contacto con una idéntica sin carga, compartirían la carga por igual, por la simetría. Para su ley con esto tenía la manera para producir cargas iguales a ½, ¼, etc., respecto a la carga original. Manteniendo constante la separación entre las cargas, observó que si la carga en una esfera se duplicaba, la fuerza se duplicaba; y si la carga en ambas esferas se duplicaba, la fuerza aumentaba a cuatro veces su valor original. Si variaba la distancia entre las cargas, encontró que la fuerza disminuía con el cuadrado referido a la distancia entre ellas, esto es, si se duplicaba la distancia, la fuerza bajaba a la cuarta parte en su valor original.

Esta ley postula que la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias es:

inversamente proporcional al cuadrado aplicado a la separación r entre las partículas y está dirigida a lo largo en la línea que las une.

proporcional al producto en las cargas q1 y q2. atractiva si las cargas tienen signo opuesto y repulsiva si las cargas tienen

igual signo.

“La fuerza entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, dependiendo de una constante k según el medio en que estén presentes”

El valor de la fuerza electrostática viene dada por la fórmula:

Donde: q1 y q2 : son las cargas en Coulomb.r : es la distancia en metros.k : es una constante que depende del medio; en el vacío corresponde aproximadamente a 9 x 109(N·m2)/C2

Fe: es la fuerza en Newton.

Observando la fórmula, con este valor de k las cargas se expresan en coulombios, la distancia (r) en metros, para obtener una resultante de fuerza en Newtons.

- Si las cargas son de signo opuesto (+ y -), la fuerza "F" será negativa lo que indica atracción- Si las cargas son del mismo signo (- y -   ó   + y +), la fuerza "F" será positiva lo que indica repulsión.

Respecto a la ley de Coulomb hay que considerar lo siguiente: - Se aplica a cargas puntuales.- La fuerza eléctrica es una magnitud vectorial, por lo tanto, hay que considerar suma de vectores.- Cuando las dos cargas tienen igual signo, la fuerza es positiva e indica repulsión.- Si ambas cargas poseen signos opuestos, la fuerza es negativa y denota atracción

Ejercicio 1

Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas Q1 = + 1 x 10-6 C. y Q2 = + 2,5 x 10-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.

Para calcular la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales utilizaremos la ley de Coulomb y también pasaremos las unidades al sistema internacional:

 

Al ser de signo positivo la respuesta obtenida nos está indicando que la fuerza es de repulsión. La fuerza de repulsión tiene un módulo de 9 N y gráficamente:

Bibliografia

http://www.portaleducativo.net/terra/mx/octavo-basico/813/ley-de-coulomb

http://www.unicrom.com/tut_ley_coulomb.asp

http://www.jfinternational.com/mf/ley-de-coulomb.html

http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//2750/2951/html/12_ley_de_coulomb.html

https://www.google.com.mx/search?q=imagenes&rlz=1C1ZMDB_enMX504MX504&es_sm=93&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=N_83VPCwC8a8ggS3j4GoCA&ved=0CAgQ_AUoAQ&biw=1366&bih=667#tbm=isch&q=ELECtricidad

http://www.artinaid.com/2013/04/que-es-la-electricidad/

http://www.ecured.cu/index.php/Historia_de_la_electrificaci%C3%B3n