ELECTROSTATICA

ELECTROSTATICA
Hilo de seda
Bolita de telgopor
Base
Si con un paño frotamos siempre en un mismo sentido una regla plástica y luego la acercamos al
péndulo podemos observar que en un primer momento la bolita es atraída, si luego permitimos que
se produzca el contacto entre el cuerpo y la regla, observamos que el cuerpo es rechazado.
Si luego repetimos la experiencia pero en vez de acercar una regla plástica acercamos una varilla de
vidrio frotada, veremos que también se produce un acercamiento entre la varilla y el cuerpo.
“VI siglos a.C. el filósofo griego Thales de Miletto, descubrió una sustancia, el ámbar (plástico
natural) que tenía la propiedad de atraer cuerpos livianos al ser frotado. Como esta sustancia en
griego se denomina elektron, se dio el nombre de propiedad eléctrica a este fenómeno”.
En consecuencia podemos decir que los cuerpo frotados adquieren un propiedad física llamada
“carga eléctrica”.
Clases de electricidad
Si a un péndulo le acercamos una varilla plástica hasta que estén en contacto, luego la retiramos y la
volvemos a acercar vemos que la varilla plástica repele al péndulo, en cambio si acercamos una
varilla de vidrio, esta atrae al péndulo.
Esto sucede porque al ser frotadas, los materiales adquieren distintos clases de electricidad. La
varilla de vidrio adquiere electricidad vítrea o positiva (nombre dado por Benjamín Franklin) y la
plástica, electricidad resinosa o negativa.
¿Por qué se electrizan los cuerpos?
La materia está formada por moléculas (menor porción de sustancia que conserva todas las
propiedades de ésta). A su vez las moléculas están formadas por átomos. Los átomos están
formados básicamente por un núcleo y rodeando a éste se encuentran los electrones. En el núcleo
están los protones y los neutrones. Los primeros tienen carga positiva, los electrones negativa y los
neutrones carecen de carga. La masa del átomo está dada por el núcleo de éste, es decir que los
protones y los neutrones son los que le aportan al átomo la masa (se considera que la masa de los
electrones es despreciable ya que la misma es aproximadamente 1838 veces más pequeña que la
masa del átomo de hidrógeno que es el átomo más pequeño).
Todo átomo es eléctricamente neutro, es decir que las cargas positivas (protones) son iguales a las
negativas (electrones). Cuando a un átomo se le “arranca”, “pierde” uno o más electrones, este se
transforma en un ION (partícula con carga), que al ser un exceso de carga positiva, se lo llama
específicamente CATION. En cambio si uno o más electrones son “captados” por un átomo este se
transforma en un ION, llamado ANION.
Los electrones se mantienen próximos a los núcleos debido a una atracción de tipo electrostática. En
algunas sustancias es posible interferir esa atracción y “arrancar” por frotamiento algunos
electrones “superficiales” (de su último nivel energético), quedando en consecuencia cargado
positivamente el cuerpo (esto ocurre con el vidrio). Otras sustancias en cambio tienden a captar
electrones del paño con que se los frotó, por lo tanto el cuerpo queda cargado con exceso de cargas
negativas (por ejemplo el plástico).
Principios de la electrostática
Definimos a la electrostática como la parte de la física que estudia las propiedades y las atracciones
mutuas de las cargas eléctricas en reposo.
Principio de interacción: Las cargas eléctricas del mismo signo se rechazan y las de signos
opuestos se atraen.
Principio de conservación de la carga eléctrica: Es imposible producir o destruir una carga
positiva sin que a su vez se produzca o destruya una carga negativa de igual valor. Por lo tanto en
un sistema aislado la carga eléctrica total permanece constante.
Cuerpos aislantes y conductores Algunos materiales permiten una mejor distribución de las
cargas que otros; esto da lugar a una clasificación de los cuerpos en:
a. Conductores: aquellos que favorecen, permiten la circulación de las cargas
b. Aislantes: aquellos cuerpos que impiden el desplazamiento de las cargas
Se puede comprobar que:
1. Al frotar la regla plástica en un extremo se comprueba que: a. Se carga de electricidad, b. Las
cargas eléctricas están localizadas en el extremo frotado.
2. Al frotar una barra metálica sostenida directamente con la mano, se comprueba que no se
electriza por frotamiento; si repetimos la experiencia pero asegurando la barra metálica con un
mago de vidrio, por ejemplo, se comprueba que al frotar la barra metálica, ésta está totalmente
electrizada.
El comportamiento indicado en el punto 1 caracteriza a los cuerpos aislantes o dieléctricos como
por ejemplo el vidrio, la resina, la seda, el ,plástico, el caucho, el azufre, la porcelana, etc. El
segundo ítem describe el comportamiento que caracteriza a los cuerpos en los que las cargas
eléctricas fluyen distribuyéndose por todo el cuerpo. A ellos se los llama conductores, como por
ejemplo los metales y el grafito.
Cuando sostenemos la barra con la mano, el cuerpo humano actúa como conductor de la
electricidad, las cargas pasan a la tierra a través del cuerpo y la barra se descarga.
Electrificación por contacto
Si se colocan en contacto un cuerpo conductor cargado con otro neutro, éste se carga con
electricidad del mismo signo que el primero.
Electroscopio de hojas
El electroscopio de hojas está formado por 2 láminas metálicas
delgadas, unidas a un vástago metálico que las conecta a un cuerpo
metálico. Si un cuerpo cargado entra en contacto con el electroscopio,
las hojuelas se cargan, separándose. Por lo tanto un electroscopio
permite verificar si un cuerpo está o no cargado de electricidad.
Inducción electrostática
Si acercamos a un electroscopio descargado una regla plástica frotada observaremos que aunque no
se toque el electroscopio, las hojuelas del mismo se separan. Si alejamos la regla, las hojuelas se
cierran, quedando el electroscopio en estado neutro. Este fenómeno recibe el nombre de inducción
electrostática.
Carga de un electroscopio por inducción
1
3
2
1. Tenemos un electroscopio descargado.
2. Acercamos un cuerpo cargado negativamente. Las hojuelas se separan mientras que el cuerpo
superior queda cargado con defectos de electrones, es decir que queda cargado positivamente.
3. Sin modificar la posición del cuerpo inductor, se conecta a tierra al electroscopio. Las hojuelas
se cierran porque los electrones pasaron a tierra. Si eliminamos la conexión a tierra las hojuelas
siguen cerradas.
4. Al alejar el cuerpo inductor, las hojuelas se separan nuevamente,
quedando el electroscopio cargado positivamente
Determinación del signo de una carga
1
2
3
1. Cargamos un electroscopio con un cuerpo que sabemos que está cargado negativamente.
2. Si se acerca ahora otro cuerpo cargado también negativamente, las hojuelas aumentan su
separación debido a la repulsión electrostática.
3. Si ahora acercamos un cuerpo cargado positivamente, las hojuelas disminuyen su separación
debido a la atracción electrostática.
Carga eléctrica puntual
Una carga eléctrica es puntual, cuando el cuerpo electrizado que la posee tiene dimensiones
despreciables con relación a las distancias que lo separan de otros cuerpos.
Ley de Coulomb
La fuerza de interacción entre 2 cargas eléctricas puntuales, tiene como recta de acción la línea
definida por las cargas y su módulo resulta directamente proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa.
F = k q1q2
d2
K es la constante de proporcionalidad, tiene un valor que depende del
sistema de unidades con el que se quiera trabajar y del medio donde se encuentren las
cargas.
Unidades:
En el sistema MKS la unidad de carga se denomina culombio y el valor de la constante en este
sistema en el vacío es de 9 . 109 N m2.
C2
En el sistema CGS la unidad de carga (ues(q)) se denominaba antiguamente Franklin y el valor de
la constante en el vacío es de 1 dina cm2
frank2
Relación entre las unidades
2
1 dina cm
ues(q)2
= 9 . 109
N m2
C2
1 culombio = 3 . 109 ues(q)
Carga eléctrica – el cuanto elemental de electricidad
La menor carga eléctrica encontrada en la naturaleza es la carga de un electrón el que constituye un
cuanto de electricidad.
Recordar que el valor de la carga eléctrica transportada por un electrón es de 1,602 10 -19 culombios;
por lo tanto la cantidad de electrones que transporta una unidad de carga eléctrica es decir 1
culombio = 6,24 1018 electrones.
También debemos recordar que la masa de un electrón es de 9,11 10-31 kg y que la de un protón es
de 1,67 10-27 kg, es decir 1836 veces la masa del electrón.
Campo eléctrico: Hemos visto que si en un medio donde existe una carga eléctrica colocamos otra a
cierta distancia, ésta sufrirá una fuerza de atracción o de repulsión (según sea de signo igual o
diferente). Esta fuerza es ejercida a distancia por lo que podemos decir que se genera un campo
eléctrico, ya que su presencia modifica las características del medio. Se dice que existe un campo
eléctrico en un punto si sobre un cuerpo cargado colocado en dicho punto se ejerce una fuerza de
origen eléctrico. El valor del campo eléctrico (E) es igual al cociente entre la fuerza (F) ejercida y la
carga (q) del cuerpo
F
E=
q
Distribución de cargas eléctricas en conductores
Si se carga por contacto un conductor, al ser las cargas del mismo signo, éstas se repelen
ubicándose lo más alejadas posibles.
Al cargar una esfera hueca, las cargas se distribuyen en la superficie exterior. Si a esta esfera la
acercamos a un electroscopio vemos como las hojuelas divergen en la misma forma cualquiera sea
el punto del conductor que se toque, indicándonos entonces que la distribución de cargas es
uniforme. Se puede observar que si tomamos un conductor de forma irregular y lo acercamos a un
electroscopio, las hojuelas de éste no divergen de la misma forma el tocarlo con diferentes puntos
del conductor, observándose que la mayor divergencia se produce en las zonas más agudas (ésta
propiedad es conocida como el “poder de las puntas”).
Densidad eléctrica superficial
Es la relación entre el número de cargas eléctricas y la superficie del conductor.
=
Q
S
El pararrayos
Se utiliza como protección contra las descargas eléctricas que se originan en la atmósfera, en los
días de tormenta.
Esas descargas eléctricas se producen debido a que la tierra y las nubes adquieren cargas eléctricas
de signo contrario por inducción, originándose entonces los rayos.
El pararrayos fue inventado por Franklin y consiste en una varilla metálica terminada en varias
puntas y unidas por un conductor a tierra para que las cargas eléctricas pasen por ella.