Electrostática

Ahora estudiaremos la electrostática, qué es la electrostática, cuál es su objeto de estudio, así como las propiedades electrostáticas que poseen los materiales, las leyes que cumplen los cuerpos eléctricamente cargados, además desarrollaremos la ley de Coulomb que nos permite determinar la fuerza de interacción entre partículas electrizadas, así que ponte cómodo y ¡empezamos!

Introducción

Todos los cuerpos están de alguna manera cargados eléctricamente, ya sea de forma negativa, positiva o neutra; muchas veces no somos ni conscientes de la presencia de electricidad en los cuerpos, existe cierta cantidad de carga eléctrica estática en todos los materiales.

Dicha carga estática se manifiesta de diversas maneras, por ejemplo seguramente en la escuela o en algún lugar todos han frotado sus lapiceros en el cabello para que este pueda atraer pedacitos de papel ¿Verdad? Pues es verdad, si nunca lo hiciste puedes probar ahora mismo, verás cómo trozos pequeños de papel son atraídos por el lapicero de plástico. 

Otra forma de electricidad estática se puede notar en la oscuridad de la noche, cuando produces rozamiento con alguna prenda de vestir, notarás pequeños destellos de luz blanca. Así y de muchas maneras la electricidad estática en los cuerpos se puede manifestar.

En esta ocasión estudiaremos y desarrollaremos la electrostática, empezaremos definiendo lo que es la carga eléctrica, como se mide su cantidad, las formas en las que un cuerpo puede adquirir carga positiva, negativa o volverse neutra y además estudiaremos la ley de Coulomb, que nos permite determinar la fuerza con la que interactúan las cargas eléctricas.

Qué es la electrostática

La electrostática es la rama de la física que se enfoca en estudiar, desarrollar y analizar las cargas eléctricas en “reposo”, es decir a las cargas eléctricas estáticas. Todos los cuerpos poseen carga eléctrica, pues están formados por protones, electrones y neutrones, dicha carga eléctrica hace que los cuerpos estén sometidos de alguna forma a efectos eléctricos, interacciones de atracción y repulsión, esto y muchas conoceremos en esta entrada.

Qué es la carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad que poseen los materiales y en general la materia, por la que las partículas elementales tales como electrones y protones interactúan atrayéndose o repeliéndose entre ellas, los electrones tienen carga negativa, mientras los protones poseen carga positiva. Por otro lado, los neutrones son partículas subatómicas que carecen de dicha propiedad, pues se dice que son partículas neutras, no poseen carga.

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Valor de la carga eléctrica

La carga eléctrica se puede medir, su unidad de medida en el sistema internacional es el Coulomb, por ende podemos medir cuanta carga estática existe en un cuerpo cualquiera.

Se dice que la carga de un electrón así como del protón es de 1,6.10-19C, con la diferencia de que el electrón tiene carga negativa y el protón es positivo. Esta carga también es conocida como carga elemental y es considerada como una de las constantes fundamentales de la naturaleza.

Cuantificación de la carga eléctrica

La carga eléctrica puede ser transferida de un cuerpo a otro mediante diversas maneras que conoceremos más adelante; lo que en esta sección nos importa es entender cómo ocurre dicha transferencia. Se dice que la carga eléctrica no se puede transferir de cualquier manera, no en unidades arbitrariamente pequeñas, además el flujo de corriente no es continua, más bien está formado por elementos discretos.

Según los experimentos, la carga eléctrica se transfiere de un cuerpo a otro siempre en cantidades que son múltiplos enteros de la carga elemental (e=1,6.10-19 C) entonces podemos decir que la cantidad de carga transferida siempre es n veces la carga elemental.

Ahora podemos hablar de transferencia de electrones, ganancia o pérdida, así los cuerpos pueden cargarse positiva o negativamente, de acuerdo al contexto.

Principio de conservación de la carga eléctrica

El principio de conservación de carga eléctrica establece que en un sistema cerrado la carga eléctrica total se mantiene constante, es decir la suma total de las cargas dentro de ella no cambia aunque dentro pueda ocurrir un proceso físico, químico, mecánico, nuclear, etc. o si prefieres podemos decir que la cantidad de protones electrones y neutrones se mantienen constantes.

Matemáticamente podemos expresar que la sumatoria algebraica de las cargas de elementos que con forman el sistema se mantiene constante.

Qué es la electrización

La electrización es un proceso mediante el cual un objeto cualquiera puede adquirir una carga eléctrica neta posita, negativa o neutra. Se dice que cuando un cuerpo tiene más electrones que protones (exceso de electrones) el cuerpo está cargado o electrizado negativamente, en caso contrario, cuando posee más protones que electrones (déficit de electrones) se dice que el cuerpo está cargado o electrizado positivamente.

A continuación conoceremos varias formas en las que un cuerpo puede ganar o perder electrones, de tal manera que quede electrizada, entonces veamos cuales dichos métodos de electrización.

Métodos de electrización

La electrización puede ocurrir de varias maneras, es decir: un cuerpo puede cargarse positiva o negativamente cuando pierde o gana electrones respectivamente; los electrones pueden ser transferidos cuando un cuerpo es sometida a ciertas condiciones, conozcamos las más comunes.

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Por frotamiento.

Este método de electrización se produce cuando dos cuerpos adecuados (por ejemplo una varilla de vidrio y una paño de seda) entran en contacto y son frotados una contar la otra con ligera intensidad y fuerza; al final uno de ellos cede electrones al otro, de tal manera que el ganador de electrones queda cargada negativamente y el perdedor de electrones positivamente, es posible que ambos queden electrizados con cargas iguales pero con signos contrarios. Cuando ocurre esto los cuerpos pueden experimentar atracción, ya cargas de signos contrarios de atraen y cargas de signos iguales se repelen.  

Por inducción

Dos cuerpos pueden electrizarse por inducción, sin necesidad de entrar en contacto, basta con un acercamiento entre ellos sin llegar a tocarse; para este caso se tiene un objeto cuya carga es neutra y se encuentra aislado, a este se le conoce como el inducido (un material conductor) por otro lado tenemos al inductor, otro cuerpo cargado previamente con cierta cantidad de carga eléctrica.

El inductor se acerca al inducido sin hacer contacto, este acercamiento hará que el inducido experimente una separación de cargas. Una vez se han separado las cargas del inducido, se procede a conectarla a tierra mediante un conductor eléctrico, este servirá para que electrones puedan entrar o salir del inducido, de esta manera el inducido puede liberar o ganar electrones, cosa que al final quede cargada con signo contrario al inductor. Una vez cargada el inducido, se procede a alejar al inductor y el inductor queda electrizada o cargada.

Para terminar de entender veamos un ejemplo en concreto, se trata de una esfera metálica aislada y será el inducido, por otro lado tenemos una barra de plástico con carga negativa, se procede a acercar la barra hacia la esfera, entonces los electrones se separan rápidamente (por repulsión), se conecta la esfera a tierra y los electrones son transferidos mediante el conductor; ahora se aleja la barra de la esfera y finalmente la esfera queda positivamente cargada.

Por contacto

En este caso los cuerpos entran en contacto directo, un cuerpo cargado con uno neutro, esto permite que el cuerpo cargado pueda transferir electrones al neutro, de tal manera que al separarse, ambos quedan cargados con signos iguales.

La transferencia de carga eléctrica depende del exceso o defecto de electrones que pueda tener un cuerpo al entrar en con tacto con otro, si se trata de un exceso, entonces transfiere electrones y si se trata de defecto, entonces recibe electrones, al final ambos quedan electrizados con iguales signos.

Por radiación

Otra forma poco común de transferencia de carga eléctrica ocurre por radiación, los cuerpos no entran en contacto directo, ni son inducidos, más bien sometidos a una radiación, un ejemplo de este tipo de transferencia es el efecto fotoeléctrico.

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Carga puntual

La carga puntual es la carga eléctrica contenida en un punto hipotético, dado que un punto es despreciable en cuando volumen o dimensiones, el concepto de carca puntual es ideal, es decir es un punto ideal, pero de gran ayuda para resolver problemas de electrostática.

Se dice que dos cuerpos electrizados pueden ser considerados como cargas puntuales cuando la distancia que los separa es tan grande que las dimensiones de dichos cuerpos se consideran despreciables, entonces se habla de puntos, es decir puntos que concentran carga eléctrica, esto será de bastante ayuda para analizar las interacciones entre cuerpos cargados que están separados por distancias considerables.

Ley cualitativa de las cargas

La ley que describe las cualidades de las cargas eléctricas establece experimentalmente que cargas eléctricas con signos iguales se repelen, es decir, experimentan un grado de fuerza repulsiva entre ellas y cargas con signos contrarios se atraen, es decir experimentan fuerza de atracción entre ellas.

Ley cuantitativa de las cargas (ley de coulomb)

La ley cuantitativa de las cargas eléctricas establece con cuanta fuerza se repelen o atraen las cargas eléctricas, esto depende de ciertos factores y es lo que veremos a continuación mediante la ley de Coulomb.

Ley de coulomb

La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica con la que interactúan dos cuerpos cargados eléctricamente, depende directamente de las magnitudes de dichas cargas y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa los centros de dichos cuerpos.

La ley de Coulomb se expresa mediante una ecuación en la que interviene una constante de proporcionalidad K, también es conocida como constante de Coulomb. 

Esta ecuación expresa la ley de Coulomb, se cumple cuando los cuerpos que interactúan son considerablemente pequeños en comparación con la distancia que los separa, es decir cuando se trata de cargas puntuales.  

La fuerza que experimentan las cargas tiene la misma magnitud pero sentidos opuestos, sin importar la cantidad de carga que poseen los cuerpos. 

La constante de Coulomb

La constante de Coulomb K es la constante de proporcionalidad que depende del medio y en el vacío su valor es igual a K=8.9875517873681764×109 N·m2/C2 y redondeando K=8,99 x 109 N·m2/C2, además para fines prácticos se llega a tomar en cuento a K= 9 x 109 N·m2/C2

Esta constante también se puede expresar como la unidad dividida entre 4π∊₀ de la siguiente manera: K=1/(4π∊₀), donde ∊₀ es la constante de permisividad eléctrica cuyo valor en el vacío es ∊₀=8,85 x 10-12  C2/ N·m2

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