Antes que nada, ¿Qué es la electroestática?
La electrostática es el
punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control
por parte del hombre y la base de numerosas aplicaciones científicas y
tecnológicas.
En diferentes fuentes
encontramos distintos conceptos, en esta ocasión les mostramos dos que son los
principales:
1.-Es el área de la física
que se encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo.
2.-La electrostática
describe los fenómenos que tienen lugar en sistemas donde distribuciones de carga
eléctrica mantienen su localización invariante en el tiempo.
Carga eléctrica.
A los
cuerpos o partículas cargados eléctricamente se les denomina cargas eléctricas,
existiendo dos tipos: positivas (+) y negativas (-).
Entre cargas del mismo signo aparecerán fuerzas
repulsivas y entre cargas de signos opuestos aparecerán fuerzas atractivas.
La carga eléctrica es una
propiedad de la materia que produce fuerzas a distancia de atracción o de
repulsión debido a la pérdida o ganancia de electrones. Esta se puede obtener
por medio de:
Q=±ne
Donde:
n.- es el número de
electrones
Q.- es la carga
e.- es la carga del electrón
Estructura de los átomos.
La estructura de los átomos
se describe en término de tres partículas:
-El electrón con carga
negativa
E=1.6×10-19[C], m=9.109×10-31[kg]
-El protón cuya carga es
positiva
Q=e=1.6×10-19[C], m=1.673×10-27[kg]
-El neutrón sin carga
Q=0[C], m=1.673×10-27[kg]
Propiedades de carga
eléctrica.
La carga eléctrica admite
una definición intuitiva, basada en una serie de propiedades simples observadas
experimentalmente. Las propiedades observadas más importantes son las
siguientes:
A) La carga eléctrica se
encuentra en la naturaleza inseparablemente vinculada a un portador material
(con masa y volumen no nulos).
B) Si un objeto material no
posee carga eléctrica, no podrá esperarse de él ninguna interacción electrica.
C) Las cargas eléctricas interactúan
entre si manifestándose mediante efectos dinámicos (Atracciones y repulsiones)
que permiten distinguir dos clases de carga. Por la manera en que la carga se
inserta en el aparato matemático se las distingue con signos + y -, pero la asignación
es convencional. Esto significa que los fenómenos que describe la teoría serán idénticos
si se permuta la convención de signos.
D) Es posible comparar las
cargas eléctricas estableciendo relaciones de orden y equivalencia, con lo que
se concluye que es una magnitud medible y por tanto, operativamente apta para
la teoría electromagnética. Solo falta definir una unidad para darle entidad a
la carga eléctrica. En el sistema internacional (SI) se adopta como unidad el
“Coulombo “Coulombio”, simbolizado por “C”.
Aplicaciones.
La primera se da en la
impresora láser, en esta la computadora manda la intensidad de un rayo láser
que se enfoca mediante lentes en un punto fino sobre el tambor recubierto de
selenio y polvo tóner. Mediante un espejo móvil el rayo láser escanea de lado a
lado a través del tambor en una serie de líneas horizontales cada una debajo de
la anterior. Conforme el rayo barre a través del tambor la intensidad del rayo varia
(por instrucciones de la pc), y es intenso para un punto que representa un
blanco o brillante, y débil o cero para puntos que representan una salida
oscura. Después de una barrida, el tambor realiza otro barrido, y luego otro y
otro. Conforme el tambor da vueltas, sobre forma una imagen completa. Las
partes claras del selenio se vuelven conductoras y pierden su carga eléctrica,
y el tóner se pega solo a las áreas oscuras cargadas eléctricamente. Entonces
el tambor transfiere la imagen al papel, como en una fotocopiadora.
Otra aplicación
es el proceso de pintar la carrocería de un auto. Para pintar un automóvil, una
pintura especialmente formulada se mezcla con un catalizador químico y luego se
le aplica una carga positiva. El objeto metálico que va a ser pintado recibe
una imprimación con un cable atado a él. Ya que ahora la pintura y el objeto
están cargados opuestamente, siendo la pintura positiva y el objeto negativo,
la pintura será atraída al objeto metálico como si fuera un imán.
Una vez que la
preparación y el proceso de carga fueron realizados la pintura cargada
positivamente se rocía sobre el objeto metálico, el cual atrae la pintura hacia
su superficie. Esta atracción es tan fuerte que si un objeto se rocía solamente
de un lado, la carga empujará la pintura alrededor de la barra de forma tal que
cubrirá la totalidad de la superficie metálica.
Leyes
de la electrostática
Ahora hablaremos sobre las leyes de la electroestática pero para esto necesitamos conocer algo sobre un Físico cuyas investigaciones no tienen precedentes. Debajo, una breve biografía de August Coulomb.
Charles August de Coulomb
fue un Físico francés quien nació el 14 de
junio de 1736 en Angulema (Francia). Ingeniero militar en las Indias Occidentales
(Antillas), posteriormente radico en Blois (Francia), donde realizo
investigaciones sobre magnetismo y electricidad.
En el año 1777 ideó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción
magnética y eléctrica. Gracias a este invento, fue capaz de establecer el
principio, conocido ahora como ley de Coulomb,
que rige la interacción entre las cargas eléctricas. En 1779 publicó el tratado Teoría de las máquinas simples, un análisis del rozamiento en las
máquinas. La unidad de medida de carga eléctrica, el culombio, recibió este nombre en su honor.
Charles de Coulomb falleció en París el 23 de agosto de 1806.
Ya
sabiendo algo sobre el gran físico ahora hablemos de su ley, la ley de coulomb.
La cual nos dice:
“La
fuerza F de acción recíproca entre cargas puntuales es directamente
proporcional al producto de las cargas eléctricas (Q y Q') e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (d).”
·
K es la constante
de Coulomb y su valor se escribe en función de otra constante ?0,
que recibe el nombre de permitividad del vacío
De donde e0=8,85*10-12 C2/N.m2, aunque para la mayoría de los cálculos
podemos tomar un valor aproximado de K =9.109 N.m2/C2
·
Cargas Q y Q' en C
(Culombios).
·
Distancia d en m.
(metros)
·
En consecuencia la
fuerza F se medirá en N (Newton).
En otros medios la
permitividad cambia. La permitividad absoluta se obtiene multiplicando la
relativa por la del vacío, e= er*e0
Así la permitividad relativa
del aire es 8,84, su permitividad absoluta será:
?=8,84*8,85*10-12 C2/N.m2
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:
Ejercicio 2
Determinar
la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C. Y q2 = +2
x 10-5 C. Que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.
Para calcular la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo utilizaremos la ley de Coulomb, pasando las unidades al sistema internacional:
Como
la respuesta obtenida es de signo negativo nos está indicando que la fuerza es
de atracción. La fuerza de atracción tiene un módulo de 2,25 x 10-2 N. Y gráficamente:
Ejercicio 3
A) determinar la posición de una tercera carga q=+2 x10-6C. Colocada sobre el
segmento AB de modo que quede en equilibrio bajo la acción simultánea de las
dos cargas dadas.
B) La posición de q, ¿depende de su valor y signo?
Para
determinar la posición de la carga q debemos suponer que la fuerza total sobre ella sea
nula, es decir que la interacción entre la carga q1q y q2q deben ser fuerzas de igual módulo y sentidos
opuestos.
Para
que la suma de las fuerzas de sentido contrario sea cero sus módulos deben ser
iguales.
Se
ha llamado d a la distancia entre las cargas q1 y q y como la
distancia total entre q1 y q2 es de 1
m. La distancia entre las cargas q y q2 es la diferencia entre 1 m. Y d. (1-d) por
lo tanto
Resolviendo
la ecuación de 2º grado nos queda que
Obtener
la distancia a la otra carga será muy sencillo: 1 - 0.67 = 0.33 m.
La
colocación de q no depende de su valor ni de su signo.
En
cuanto al signo, tanto sea la carga q positiva o negativa, da como
resultado que los vectores que actúan sobre ella son siempre opuestos, pues
ambos serán de repulsión o de atracción, respectivamente.
Campo
eléctrico.
Una
carga eléctrica puntual q (carga de prueba) sufre, en presencia de
otra cargaq1 (carga fuente), una fuerza electrostática. Si eliminamos la
carga de prueba, podemos pensar que el espacio que rodea a la carga fuente ha
sufrido algún tipo de perturbación, ya que una carga de prueba situada en ese
espacio sufrirá una fuerza.
La
perturbación que crea en torno a ella la carga fuente se representa mediante un
vector denominado campo eléctrico. La dirección y sentido del vector
campo eléctrico en un punto vienen dados por la dirección y sentido de la
fuerza que experimentaría una carga positiva colocada en ese punto: si la carga
fuente es positiva, el campo eléctrico generado será un vector dirigido hacia
afuera (a) y si es negativa, el campo estará dirigido hacia la carga (b):
El campo
eléctrico E creado por la carga puntual q1 en un punto
cualquiera P se define como:
Si en vez de cargas puntuales se tiene de una distribución contínua de
carga (un objeto macroscópico cargado), el campo creado se calcula sumando el
campo creado por cada elemento diferencial de carga, es decir:
Esta integral, salvo casos concretos, es difícil de calcular. Para
hallar el campo creado por distribuciones contínuas de carga resulta más
práctico utilizar la Ley de Gauss.
Una vez conocido el campo eléctrico E en
un punto P, la fuerza que dicho campo ejerce sobre una carga de prueba q que se sitúe en P será:
En la siguiente figura se representa una
carga fuente q1 positiva (campo eléctrico hacia
afuera) y la fuerza que ejerce sobre una carga de prueba q positiva (a) y sobre otra negativa
(b):
El campo eléctrico cumple el principio de
superposición, por lo que el campo total en un punto es la suma vectorial de
los campos eléctricos creados en ese mismo punto por cada una de las cargas
fuente.
¿Qué son las líneas de campo eléctrico?
El concepto de líneas de campo (o líneas de
fuerza) fue introducido por Michael Faraday (1791-1867).
Son líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va variando la dirección
del campo eléctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las
trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona
libremente, por lo que las líneas de campo salen de las cargas positivas y
llegan a las cargas negativas:
Además, el campo eléctrico será un vector
tangente a la línea en cualquier punto considerado.
Las propiedades de las líneas de campo se pueden resumir en:
-El vector campo eléctrico es tangente a las líneas de campo en cada
punto.
-Las líneas de campo eléctrico son abiertas; salen siempre de las cargas
positivas o del infinito y terminan en el infinito o en las cargas negativas.
-El número de líneas que salen de una carga positiva o entran en una
carga negativa es proporcional a dicha carga.
-La densidad de líneas de campo en un punto es proporcional al valor del
campo eléctrico en dicho punto.
-Las líneas de campo no pueden cortarse. De lo contrario en el punto de
corte existirían dos vectores campo eléctrico distinto.
-A grandes
distancias de un sistema de cargas, las líneas están igualmente espaciadas y
son radiales, comportándose el sistema como una carga puntual.
Potencial eléctrico.
Para mover otra partícula cargada de un punto a otro del campo hay que
realizar trabajo. La cantidad de energía necesaria para efectuar ese
trabajo sobre una carga de prueba se conoce como diferencia de potencial entre
ambos puntos.
“La diferencia de potencial, también llamada tensión eléctrica,
es el trabajo necesario para desplazar una carga de prueba (q) de un punto a
otro en el interior de un campo eléctrico”
En realidad se habla de cuantificar la diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB), uno (VA) de mayor diferencia de potencial que el otro (VB).
En realidad se habla de cuantificar la diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB), uno (VA) de mayor diferencia de potencial que el otro (VB).
El voltio, es la unidad que mide la
diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos y el potencial eléctrico
está relacionado con la energía potencial eléctrica. El voltio se define como
la diferencia de potencial existente entre dos puntos, cuando el trabajo
necesario para mover una carga de 1 culombio de un punto al otro es igual a 1
julio.
Las unidades
de potencial eléctrico y sus equivalencias son:
1 voltio (V)
|
=
|
3,33
x 10-3 stv
|
1 estatovoltio
|
=
|
300 V
|
Si se unen todos los puntos, equidistantes, del campo eléctrico que
rodea a una carga se obtienen las superficies equipotenciales, es decir que tienen un mismo
potencial, si se traslada una carga de prueba en esta superficie esférica
equipotencial el trabajo realizado sobre la carga es nulo.
La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se mide con
un voltímetro, instrumento que se coloca siempre en derivación entre los puntos
del circuito cuya diferencia de potencial se quiere medir.
El potencial eléctrico
(potencial absoluto) de una carga puntual (Q) en un punto (d) en relación con
el infinito, está dado por la expresión:
Ahora que conocemos mas
pongamos aprueba algo de lo que hemos leído con dos ejercicios.
1.- Si dos cargas iguales de +5,5 x 10-3 C se
sitúan en el aire, separadas una distancia de 6 cm. ¿Cuál será la fuerza de
repulsión entre ellas? (7,562
x 1012 dina)
2.- ¿Cuál es la magnitud de la fuerza de atracción entre el
núcleo del átomo de hidrógeno y su electrón, si el radio atómico es de 5 x 10-11m? (9,23
x 10-8 N)
Diferencia entre material aislante o dieléctrico y material conductor.
La diferencia entre un material conductor y
un aislante es que los materiales conductores permiten que las cargas del flujo
de la electricidad y los aislantes son más resistentes a que esto
pase, los cuerpos que mantienen fijas sus cargas o que les permiten un
movimiento muy reducido se conocen como materiales no conductores o aislantes y
a los cuerpos en los que las cargas se mueven con facilidad se les denomina
materiales conductores.
Los materiales que son buenos conductores
son aquellos formados por átomos que en su último nivel energético
tienen menos de cuatro electrones, por lo que los metales son los mejores
conductores, puesto que sus electrones se pueden mover con facilidad y ello da
como resultado que sean buenos conductores de la electricidad; en cambio,
cuando un material aislante es electrizado, solo se electriza en la parte por
donde se hizo contacto, por lo que no permite que las cargas circulen a través
de él.
Capacitor
Un condensador o capacitor es un dispositivo que almacena carga
eléctrica.
Un condensador
plano consta de dos láminas metálicas llamadas armaduras, recibiendo el nombre
de colectora la que se une al generador de corriente y la otra el de
condensadora.
Entre ambas
armaduras se coloca una sustancia aislante o dieléctrica, que puede ser mica,
papel, cerámica, papel parafinado, aceite, aire, etc.
La capacidad de un
condensador plano es directamente proporcional a la superficie que una de las
armaduras tiene enfrentada a la otra, e inversamente proporcional a la
distancia que las separa, siendo la constante de proporcionalidad la constante
dieléctrica del medio.
Asociación
Con objeto de obtener una
mayor o menor capacidad, los condensadores se asocian en paralelo, en serie y
en forma mixta (serie-paralelo) los cuales se explican a continuacion.
Asociación de condensadores en paralelo
Este tipo de asociación se
realiza uniendo todas las armaduras colectoras a un mismo punto y todas las
condensadoras a otro, de tal forma que en realidad el sistema actúa como un
único condensador cuya capacidad total es la suma de las capacidades de los
condensadores que forman la asociación.
La diferencia de potencial (d.d.p.) Entre las armaduras de cada
condensador es igual a la d.d.p. Que soporta el conjunto. La asociación de
condensadores adquiere una carga Q, que es igual a la suma de las cargas que
pose cada condensador.
Este tipo de asociación se realiza
cuando interesa obtener una capacidad grande y disponemos de condensadores de
capacidad pequeña.
Asociación de condensadores en serie.
En este tipo de
asociación se coloca un condensador a continuación de otro, de tal forma que
la placa condensadora del primero está unida a la colectora del segundo, y así
sucesivamente, pero quedando libres la colectora del primero y la condensadora
del último.
La inversa de la capacidad total de un conjunto de condensadores
asociados en serie es igual a la suma de las inversas de las capacidades de
cada uno de los que forman dicha serie. Por ello la capacidad total en este
tipo de asociación es menor que una cualquiera de las capacidades componentes
de los condensadores que forman el conjunto.
En este tipo de asociación la d.d.p. Del conjunto es igual a la suma de la d.d.p. a la que está sometido cada condensador, y la carga que posee el conjunto es la misma que la que posee cada condensador:
En este tipo de asociación la d.d.p. Del conjunto es igual a la suma de la d.d.p. a la que está sometido cada condensador, y la carga que posee el conjunto es la misma que la que posee cada condensador:
Asociación mixta de condensadores.
En este tipo de asociación, dos o más condensadores
suelen ir en paralelo y otro u otros en serie con los anteriores. Para calcular
la capacidad de esta asociación se calcula primero la capacidad de los que van
en paralelo y se supone que actúan como un solo condensador que va en serie con
el resto. 
Por
ultimo les mostramos 3 ejercicios resueltos sobre este último tema y aplicando
nuestros nuevos conocimientos.
1.- Tres condensadores de 3 mf, 6 mf y 9 mf, se hallan conectados en serie. ¿Cuál es la capacidad
equivalente del sistema? ¿Cuál es la carga que almacenan cadauno de ellos
cuando se conectan a 1000
V?
2.- Se tiene 3 condensadores de igual capacidad 30 nf, conectados en serie a una batería de 9 V. Calcular:
A) la capacidad equivalente del sistema en cada
uno de los condensadores.
B) la caída de
potencial
3.- Tres condensadores de 6 mf, 12 mf y 18 mf, se hallan conectados en paralelo. ¿Cuál es la
capacidad equivalente del sistema?. ¿Cuál es la carga que almacenan cada uno de
ellos cuando se conectan a un potencial de 2000
V?
Bien ahora ya sabes más sobre este fenómeno extraordinario de la
electricidad, pero no podemos decirte todo, ahora es tu turno de investigar aún
más a fondo sobre el tema y si encuentras algunos experimentos sobre el tema no
dudes en llevarlos a cabo, en la parte de abajo están anexados algunos links
sobre algunos experimentos pero es tú tarea buscar más.
WQ elaborado por:
Gonzalez Escobar Vicente de Jesús
Mendoza Espinosa Alejandro
Si te fue útil nuestro blog o tienes alguna duda o comentario, dejal@ en la parte de abajo.
Muy buen trabajo!, Exelente la introducción al dicho tema, me agrado la forma en que extendieron los temas, ya que esto hace a que pueda ser de mejor comprensión. Muy bien cumplida la sugerencia de indicar los ejercicios paso por paso, creo que estos son entendibles para cualquier publico.
ResponderEliminarExcelente detalle el de añadir sugerencias de experimentos aplicados a este tema.
En general muy buen esfuerzo.
El archivo esta bien redactado, tiene buena vista hacia los lectores y se entiende claramente todos los conceptos, en general es entendible, solo en lo personal los ejercicios estar resueltos un poco enredados
ResponderEliminar12200104 y 12200590