ElectrostáticaNoción de carga eléctrica

Como sabemos, los cuerpos materiales se atraen unos a otros con una fuerza denominada ''fuerza gravitatoria''. Esta atracción tiene consecuencias prácticas cuando al menos uno de los cuerpos que intervienen tienen una masa enorme, como ocurre con un planeta. Sin embargo, las fuerzas gravitatorias no son las únicas que actúan a distancia entre los cuerpos materiales. A veces otras fuerzas son enormemente mayores. Un pequeño imán es capaz de levantar un clavo de acero de una mesa en contra de la atracción gravitatoria de la tierra entera. Un peine frotado con un tejido levantará pequeños trozos de papel. Estos son ejemplos de fuerzas magnéticas y eléctricas respectivamente.

La electricidad tiene aplicaciones prácticas innumerables. El dominio de las fuerzas eléctricas y el desarrollo de las comunicaciones han cambiado nuestra forma de vivir.

En el aspecto científico hemos aprendido que las fuerzas eléctricas controlan la estructura de los átomos y moléculas. La electricidad esta asociada a muchos procesos biológicos, por ejemplo, con la acción de los centros nerviosos y cerebrales.

Atracción y repulsión entre objetos electrificados

Vamos a examinar algunos hechos básicos de los fenómenos eléctricos y magnéticos, y discutiremos su interpretación. Comencemos con un simple experimento eléctrico. Si frotamos una barra de vidrio con un paño de seda y la situamos horizontalmente sobre un soporte colgado de un hilo, y luego frotamos otra barra de vidrio, observaremos que al acercarla a la primera, se repelen.

Vidrio ++++

++++ Vidrio

Atracción y repulsión entre objetos electrificados

Si repetimos el experimento con dos barras de plástico frotadas con un paño de lana observaremos que sucede lo mismo.

Plástico ------

----- Plástico

Atracción y repulsión entre objetos electrificados

Finalmente, si frotamos una barra de vidrio con seda y otra de plástico con lana y, situamos una de ellas sobre el soporte, acercando la otra veremos que se atraen.

Vidrio +++++

----- Plástico

Podemos realizar experimentos semejantes con un gran número de otras sustancias. Los objetos del mismo material electrizados por el mismo procedimiento se repelen siempre. Los cuerpos de distinta sustancia pueden atraerse o repelerse.

Por consiguiente, los cuerpos electrificados pueden clasificarse en dos grupos. Sólo existen dos estados eléctricos, Uno semejante al de la barra de vidrio y otro semejante al de la barra de plástico. Siguiendo la notación común, creada por Benjamín Franklin (1706-1790), diremos que la barra de vidrio y todos los objetos que se comportan de igual manera, están cargados positivamente. Del mismo modo, diremos que la barra de plástico y los restantes objetos que se comportan del mismo modo están cargados negativamente.

Atracción y repulsión entre objetos electrificados

Primer principio de la electrostática

Cargas de igual signo se repelen, y cargas de signo contrario se atraen.

Estructura eléctrica de la materiaComo sabemos, la materia esta formada por átomos y los mismos átomos están constituidos por unidades mas pequeñas: los protones, los neutrones y los electrones.Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, donde esta concentrada prácticamente toda la masa y los electrones se encuentran orbitando a gran velocidad alrededor del núcleo. Los protones están cargados positivamente; los electrones, negativamente y los neutrones no tienen carga eléctrica.

Estructura eléctrica de la materia

Un átomo neutro tiene la misma cantidad de protones en el núcleo que electrones orbitando, por esta razón su carga neta es cero. Si de alguna manera se quitan electrones a un átomo neutro, quedará con un defecto de carga negativa, por lo tanto estará cargado positivamente. Si por el contrario, se le agregan electrones, quedará con exceso de carga negativa, por lo tanto estará cargado negativamente.Al frotar un cuerpo con otro, algunas sustancias tienden a captar algunos electrones superficiales y otras a cederlos, por ejemplo, la barra de vidrio cede electrones a la seda, quedando el vidrio cargado positivamente y el paño cargado negativamente. En el caso de la barra de plástico la lana cede electrones y el plástico los capta quedando cargado negativamente.Cuando un cuerpo tiene todos sus átomos en estado neutro decimos que está descargado. Sin embargo tengamos en claro que esto no significa que no tiene cargas eléctricas.

Dieléctricos y conductoresCon frecuencia clasificamos distintos materiales diciendo que unos son conductores eléctricos y otros son aislantes. La clasificación está basada en experiencias semejantes a las siguientes:Fabricamos un péndulo eléctrico colgando de un hilo una esferita de tergopol recubierta con un delgado papel metálico. Colocamos una barra metálica en posición horizontal sobre un soporte de manera que haga contacto con el péndulo, como indica la figura. Si electrificamos por frotamiento una barra de plástico y tocamos con ella la barra metálica veremos que la esfera del péndulo es inmediatamente repelida, como indica

---- Plástico

Plástico frotado con lana

metal

Péndulo eléctricoParte de la carga pasa a la barra y se distribuye por toda su superficie. Incluso la de la bolita del péndulo

---- Plástico

Plástico frotado con lana

Plástico

Péndulo eléctrico

Si repetimos el experimento utilizando una barra de plástico en lugar de una metálica veremos que al tocarla con la barra cargada el péndulo no se mueve.

Dieléctricos y conductores

Parte de la carga pasa a la barra pero queda alojada solo en el lugar donde se la tocó

Dieléctricos y conductoresPara explicar ésta diferencia basta admitir que en un metal existan algunas partículas eléctricas libres que son capaces de desplazarse de un punto a otro, cosa que no ocurre con el plástico. Supongamos, por ejemplo, que las partículas libres del metal son negativas. Cuando el plástico cargado negativamente toca la barra metálica neutra, algunas de estas partículas que se encuentran en exceso en la primera pasan a la segunda y se dispersan a lo largo de toda la barra hasta llegar a la esfera. Entonces la barra y la esfera quedan cargadas negativamente y se repelen mutuamente.¿Qué ocurre al sustituir la barra metálica por otra de plástico?. En este material no hay posibilidad de que las partículas negativas se muevan libremente, por esto, las cargas que le pasa la primera barra quedan alojadas en el punto de contacto. El resto, permanece eléctricamente neutro al igual que la esfera; por lo tanto, no existe ninguna fuerza que obligue a la esfera a separarse de la barra.Las sustancias que se comportan como el metal se denominan conductores. Las sustancias cuya conducta es similar a la del plástico se llaman aislantes o dieléctricos. Todos los conductores tienen partículas eléctricas libres y los aislantes no.En los metales, la conductividad es debida exclusivamente al movimiento de las partículas negativas, es decir, los electrones.

Carga eléctrica por contacto.Si se pone en contacto un cuerpo cargado con otro neutro, parte de la carga del primero pasa al segundo, quedando ambos cargados con el mismo signo. Si el segundo cuerpo es conductor, la carga que adquiere se distribuye por toda su superficie exterior.Experimentalmente se verifica que si se ponen en contacto dos esferas conductoras iguales, una cargada y la otra neutra, la carga se reparte mitad para cada una. Si una de las esferas es más grande, la carga se reparte proporcionalmente, yendo la mayor cantidad de carga a la esfera mas grande.

Esfera conductora cargada

Esfera conductora descargada

Alambre conductor

Las esferas comparten la

carga+++ +++++++++++

++ +++ ++

++ +++ ++

Descarga a tierraSiendo la tierra un conductor enormemente más grande que cualquier otro cuerpo que se encuentre sobre ella, todo objeto cargado que se conecte a tierra se descargará inmediatamente.

Esfera conductora cargada

Alambre conductor

Superficie de la tierra

La esfera conductora se descarga +++

+++++++++++

Inducción eléctrica:Supongamos que se tiene una barra conductora en estado neutro y se le acerca otra barra que se encuentra cargada, por ejemplo, negativamente como indica la figura.

------ Plástico Metal ---- Metal ++++

Experimentalmente se observa que la barra conductora se “polariza”, esto significa que en el extremo que se encuentra más cercano a la barra cargada se concentra carga positiva y en el más lejano se concentra carga negativa. Este hecho puede explicarse si recordamos que los conductores tienen electrones libres. Éstos son repelidos por la carga negativa de la barra que acercamos, alejándose lo más posible de ella. De esta manera, los átomos del metal más próximo a la barra cargada quedan con menos electrones y por lo tanto, cargados positivamente. En el otro extremo de la barra de metal, se acumulan electrones de modo que queda cargada negativamente.

Electroscopio de hojas:El electroscopio es un instrumento empleado para evidenciar la presencia de cargas eléctricas. En la figura se muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el físico Michael Faraday. El electroscopio está compuesto por dos hojitas de metal muy finas (a) colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera conductora (d) completa el dispositivo. Al acercar la varilla cargada negativamente (sin tocar el electroscopio); se produce inducción. Los electrones libres del metal que compone al electroscopio son repelidos y se alejan lo más posible de la barra cargada, llegando a las hojitas. Al tener carga de igual signo las hojitas se repelen y se separan. La abertura entre éstas dependerá de la cantidad de carga. La esferita del electroscopio queda cargada positivamente.Recordemos que este fenómeno en que se separan las cargas negativas y positivas en un cuerpo inicialmente neutro, se llama polarización

------ Plástico

Electroscopio de hojas:El electroscopio es un instrumento empleado para evidenciar la presencia de cargas eléctricas. En la figura se muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el físico Michael Faraday. El electroscopio está compuesto por dos hojitas de metal muy finas (a) colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera conductora (d) completa el dispositivo. Al acercar la varilla cargada negativamente (sin tocar el electroscopio); se produce inducción. Los electrones libres del metal que compone al electroscopio son repelidos y se alejan lo más posible de la barra cargada, llegando a las hojitas. Al tener carga de igual signo las hojitas se repelen y se separan. La abertura entre éstas dependerá de la cantidad de carga. La esferita del electroscopio queda cargada positivamente.Recordemos que este fenómeno en que se separan las cargas negativas y positivas en un cuerpo inicialmente neutro, se llama polarización

------ Plástico

Observen que el electroscopio se polariza cuando la barra se acerca pero cuando se aleja las cargas vuelven a mezclarse y las hojitas vuelven a su posición original.

Repetir experimento

Segundo principio de la electrostática

“En un sistema aislado la carga eléctrica total permanece constante”Esto podemos entenderlo fácilmente a partir del hecho que la carga está en los protones y electrones que componen los átomos.Si un cuerpo está aislado , es decir, no se pone en contacto con otro, las cargas eléctricas que posee (protones y electrones) no aumentarán ni disminuirán.Esto se puede observar claramente en el fenómeno de inducción, Las cargas se separan al polarizarse pero la cantidad total de carga en el cuerpo sigue siendo la misma. Por eso cuando se aleja del electroscopio el cuerpo cargado, las cargas se equilibran y el cuerpo queda en estado neutro.

Notación científica

MAGNITUD NOTACIÓN COMÚN NOTACIÓN CIENTÍFICA

Distancia de la tierra al sol 150.000.000 km 1,5 . 108 km = 1,5 . 1011 m

Radio de la tierra 6.370.000 m 6,37 . 106 m

Carga del electrón (e)

- 0,00000000000000000016C -1,6 . 10-19C

Diámetro de un glóbulo rojo 0,000007 m 7 . 10-6 m

Cuando en ciencias se deben escribir números muy grandes o muy pequeños se utiliza la notación científica, esto es, las cifras significativas seguidas de una potencia de diez. Por ejemplo:

Obsérvese que la potencia de diez indica la cantidad de ceros que anteceden o suceden a la unidad.

Ley de CoulombRealizando una serie de experimentos con una balanza de torsión por él diseñada, Charles de Coulomb (francés, 1736-1806) descubre la ley que permite calcular las fuerzas que se ejercen entre cargas eléctricas.

Ley de Coulomb:La fuerza de atracción o repulsión que ejerce una carga eléctrica sobre otra tiene una dirección que coincide con la de la recta que las une y su módulo es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. (F representa la fuerza, d la distancia que separa los cuerpos y q la cantidad de carga que tiene cada cuerpo. k0 es una constante de proporcionalidad que se denomina constante electrostática)

d+

F

q1

+F

q2

1 20 2

q qF kd

Ley de Coulombd se mide en metros (m).q1 y q2 se miden en una unidad que se llama “Coulomb” y se indica con la letra “C” mayúscula.La constante electrostática, justamente por ser una constante tiene siempre el mismo valor:

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0 2N mk =9 10CEjemplo 1:

Dos cargas eléctricas q1= 6 .10-4 C y q2= 4 .10-3 C se encuentran a 2 m una de la otra. Calcular con qué fuerza se repelen.Planteo:

Solución

No se asusten, cuando volvamos a clase trabajaremos especialmente en el aspecto matemático de la ley.

Carga del electrón y del protónPero si la carga se encuentra en los electrones y los protones significa que existe una mínima cantidad de carga, que corresponderá a la carga de estas partículas. ¿cuál será su valor?. A principios del siglo XX, un científico llamado Robert Millikan desarrolló un fabuloso experimento donde logró medirlas:

Carga del electrón: e= -1,6 . 10-19 C

Carga del Protón: p=+1,6 . 10-19 C