ELECTROSTTICA - HISTORIA

Histricamente, la Electrosttica fue la rama del electromagnetismo . Con la postulacin de la Ley de Coulomb y las leyes de Maxwell permitieron demostrar cmo las leyes de la electrosttica y las leyes que gobiernan los fenmenos magnticos pueden ser estudiadas en el mismo marco terico denominado electromagnetismo.

Alrededor del ao 600 a. C. el filsofo griego Tales de Mileto descubri que si frotaba un trozo de la resina vegetal fsil llamada mbar, este cuerpo adquira la propiedad de atraer pequeos objetos.

1. ELECTROSTTICA

Qu es?

Electrosttica es la rama de la Fsica que estudia los fenmenos producidos por distribuciones de cargas elctricas, es decir, que estudia las cargas elctricas en reposo.

Qu es Fsica ?

Es la ciencia natural que estudia las propiedades y el comportamiento de la energa y la materia as como el tiempo, el espacio y las interacciones de estos cuatro conceptos entre s.

La fsica no es slo una ciencia terica; es tambin una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teora pueda realizar predicciones de experimentos futuros.

La fsica una ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la qumica, la biologa y la electrnica, adems de explicar sus fenmenos.

La fsica, abarca la descripcin de las partculas fundamentales microscpicas, el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso conocer con una gran probabilidad lo que aconteci en los primeros instantes del nacimiento de nuestro

universo (por citar unos pocos campos).

Esta tarea comenz hace ms de dos mil aos con los primeros trabajos de filsofos griegos como: Demcrito, Aristarco, Aristteles, y fue continuada despus por cientficos como Galileo Galilei, Newton, Euler, Lagrange, Faraday, Maxwell, Einstein, Bohr, Planck y otros.

A principios del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisin de la navegacin con brjulas magnticas.

En este siglo descubren la existencia de dos tipos de carga elctrica, positiva y negativa:

En 1785 el fsico francs Charles Coulomb public un tratado en el que describe cuantitativamente las fuerzas elctricas, mediante una Ley que dice:

La fuerza de atraccin o repulsin elctrica entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

F= k

El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q y r. En el Sistema Internacional el valor de la constante elctrica es: k= 9109 Nm2/C2.

La fuerza elctrica F, tambin se puede expresar en trminos de la constante de la constante elctrica del espacio libre o

o= 8.85 x 10-12 C2/ Nm2

Obsrvese que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitacin Universal que dice: La fuerza de atraccin entre dos cuerpos de masas M y m es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

La fuerza de atraccin entre dos cuerpos de masas M y m, viene expresada mediante la siguiente ecuacin:

F = Fuerza atractiva, expresada en [N] en el SI y cuya direccin es la recta que pasa por el centro de los dos cuerpos.

G = Constante de la gravitacin universal

G = 6.6710-11 Nm2/kg2

M y m = Masas de los cuerpos, expresada en Kg en el SI

r = Distancia entre los centros de los cuerpos, expresada en m en el SI

Michael Faraday demostr que la electricidad inducida desde un imn, la electricidad producida por una batera, y la electricidad esttica son todas iguales.

La electricidad esttica se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como una varilla de plstico frotada con piel o con lana (la varilla de plstico se carga negativamente y la lana positivamente

La electricidad esttica se utiliza comnmente en la xerografa, en filtros de aire, en algunas pinturas de automvil, en algunos aceleradores de partculas subatmicas, etc. Los pequeos componentes de los circuitos elctrnicos pueden daarse fcilmente con la electricidad esttica. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos antiestticos y embalajes especiales para evitar estos daos.

AISLANTES Y CONDUCTORES

Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga elctrica. Esto se debe a que en ciertos materiales, tpicamente en los metales, los electrones ms alejados de los ncleos respectivos adquieren fcilmente libertad de movimiento en el interior del slido. Estas sustancias se denominan conductores.

En contrapartida de los conductores elctricos, existen materiales en los que los electrones estn firmemente unidos a sus respectivos tomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no ser posible el desplazamiento de carga a travs de ellos. Al depositar una carga elctrica en ellos, la electrizacin se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dielctricos. El vidrio y los plsticos son ejemplos tpicos.

Ciertos metales adquieren una conductividad infinita a temperaturas muy bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente elctrica de circuito cerrado en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

Al frotar dos objetos no conductores se genera una gran cantidad de electricidad esttica.

Carga inducida

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una regin en el segundo objeto que est con una mayor carga positiva, crendose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo,

cuando se frota un globo, el globo se mantendr pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga elctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse; se crea as por induccin electrosttica una superficie de carga positiva en la pared, que atraer a la superficie negativa del globo).

Carga por friccin

En la carga por friccin se transfiere gran cantidad de electrones porque la friccin aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones ms internos de un tomo estn fuertemente unidos al ncleo, de carga opuesta, pero los ms externos de muchos tomos estn unidos muy dbilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el tomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los tomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.

Carga por induccin

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a l de una varilla de material aislante, cargada. Considrese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conduccin que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de sta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercndose a la varilla, porque la fuerza de atraccin entre el lado cercano de aqulla y la propia varilla es mayor que la de repulsin entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza elctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por induccin no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.

APLICACIONES

La electricidad esttica se usa habitualmente en xerografa en la que un pigmento en polvo (tinta seca o toner) se fija en las reas cargadas previamente, lo que hace visible la imagen impresa.

En electrnica, la electricidad esttica puede causar daos a los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas para descargar la electricidad esttica que pudieran haber adquirido. Esto puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombras, o por frotamiento de su vestimenta contra una silla de plstico. Las tensiones generadas as sern ms altas en los das con baja humedad relativa ambiente. Hoy las alfombras y las sillas se hacen con materiales que generen poca electricidad por frotamiento. En los talleres de reparacin o en fbricas de artefactos electrnicos se tiene el cuidado de evitar la generacin o de descargar estas cargas electrostticas.

Al aterrizar un avin se debe proceder a su descarga por seguridad. En los automviles tambin puede ocurrir la electrificacin al circular a gran velocidad en aire seco (el aire hmedo produce menores cargas), por lo que tambin se necesitan medidas de seguridad para evitar las chispas elctricas.

Se piensa que la explosin en 2003 de un cohete en el Centro de Lanzamiento de Alcntara en Brasil, que mat a 21 personas, se debi a chispas originadas por electricidad esttica.

CONCEPTOS MATEMTICOS Y FUNDAMENTALES

La ley de Coulomb

La ecuacin fundamental de la electrosttica es la ley de Coulomb, que describe

la fuerza entre dos cargas puntuales y . Dentro de un medio homogneo como es el aire, la relacin se expresa como:

donde F es la fuerza, es una constante caracterstica del medio, llamada la permitividad. En el caso del vaco, se denota como 0. La permitividad del aire es solo un 0,5 superior a la del vaco, por lo que a menudo se usan indistintamente.

Las cargas del mismo signo se repelen entre s, mientras que las cargas de signo opuesto se atraen entre s. La fuerza es proporcional al producto de las cargas elctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas.

EL CAMPO ELCTRICO

El campo elctrico (en unidades de voltios por metro) se define como la fuerza (en newtons) por unidad de carga (en coulombs). De esta definicin y de la ley de Coulomb, se desprende que la magnitud de un campo elctrico E creado por una carga puntual Q es:

E=k

Donde:

E: Es el campo elctrico creado por una carga Q.

Se expresa en N/C o en V/m

K: Constante de Coulomb o constante elctrica.

K= 8.99 x 109 Nm2/C2

La existencia del fenmeno electrosttico es bien conocido desde la antigedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la enseanza moderna, como el hecho de que ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotamiento.

ELECTRIZACIN

Se denomina electrizacin al efecto de ganar o perder cargas elctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo elctricamente neutro.

1. Por contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.

2. Por frotamiento: Al frotar dos cuerpos elctricamente neutros (nmero de electrones igual al nmero de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

CARGA ELCTRICA

Es una de las propiedades bsicas de la materia. Realmente, la carga elctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mnimos (molculas, tomos y partculas elementales). Por ello se dice que la carga elctrica est cuantizada. Existen dos tipos de carga elctrica, que se han denominado cargas positivas y negativas. Las cargas elctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

Principio de conservacin y cuantizacin de la carga

Las cargas elctricas solo se pueden producir por parejas. La cantidad total de las cargas elctricas positivas producidas en igual a la de las negativas, es decir, la cantidad total de carga elctrica en cualquier proceso permanece constante.

EJEMPLOS DE FENMENOS ELECTROSTTICOS

1. Poniendo muy prximos dos pndulos elctricos tocados con vidrio frotado, se observa una repulsin mutua; si los dos se han tocado con resina frotada, la repulsin se origina anlogamente; si uno de los dos pndulos se ha puesto en contacto con resina frotada y el otro con vidrio, se produce una mutua atraccin.

2. Cuando frotamos una barra de vidrio con un pao. Lo que hemos hecho es arrancar cargas negativas de la barra que han quedado atrapadas en el pao, por lo que la barra inicialmente neutra ha quedado con defecto de cargas negativas (cargada positivamente) y el pao con un exceso de cargas negativas, en el sistema total vidrio-pao, la carga elctrica no se ha modificado, nicamente se ha redistribuido.

3. Cuando caminas por alfombra y tocas el pivote de la puerta metlico. Sientes una descarga elctrica.

4. Cuando te peinas con un peine puedes recoger pedacitos de papel con el peine.

ELECTROSCOPIO

Esquema del funcionamiento del electroscopio

El electroscopio es un instrumento que se utiliza para establecer si un cuerpo est

electrizado y el signo de su carga.

El electroscopio consiste en una varilla metlica vertical que tiene una esfera en la parte

superior y en el extremo opuesto dos lminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla

est sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazn

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, separndose,

siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de

repulsin electrosttica se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la

esfera, las lminas, al perder la polarizacin, vuelven a su posicin normal.

Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de

carga elctrica de un objeto aproximndolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa

que el objeto est cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario,

si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Un electroscopio pierde gradualmente su carga debido a la conductividad elctrica del aire

producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un

electroscopio en presencia de un campo elctrico o se descarga puede ser utilizada para

medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede

utilizar para medir la radiacin de fondo en presencia de materiales radiactivos. El

electroscopio de hojuelas de oro fue inventado por William Guilbert en 1600.

Explicacin de su funcionamiento

Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la carga de un objeto cargado

aprovechando el fenmeno de separacin de cargas por induccin.

Si acercamos un cuerpo desnudo cargado con carga positiva, por ejemplo un bolgrafo que

ha sido frotado con un pao, las cargas negativas del conductor experimentan una fuerza

atractiva hacia el bolgrafo. Por esta razn se acumulan en la parte ms cercana a ste. Por

el contrario las cargas positivas del conductor experimentan una fuerza de repulsin y por

esto se acumulan en la parte ms lejana al bolgrafo.

Lo que ha ocurrido es que las cargas se han desplazado, pero la suma de cargas positivas

es igual a la suma de cargas negativas. Por lo tanto la carga neta del conductor sigue siendo

nula.

Consideremos ahora que pasa en el electroscopio. Recordemos que un electroscopio est

formado esencialmente por un par de hojas metlicas unidas en un extremo. Por ejemplo

una tira larga de papel de aluminio doblada al medio.

Si acercamos el bolgrafo cargado al electroscopio, como se indica en la figura, la carga

negativa ser atrada hacia el extremo ms cercano el bolgrafo, mientras que la carga

positiva se acumular en el otro extremo, es decir que se distribuir entre las dos hojas del

electroscopio.