Electroestática Ing. Eduardo Cruz Romero Introducción Con el estudio de la electrostática se da inicio a la búsqueda del conocimiento que nos permitirá comprender algunos fenómenos eléctricos. La electrostática es el punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control por parte del hombre y, por cierto, es la base de numerosas aplicaciones científicas y tecnológicas. ¿Qué es la electroestática? Podríamos decir que es el área de la física que se encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo. Carga eléctrica Toda la materia, es decir, cualquier clase de cuerpo se compone de átomos y estos de partículas elementales como los electrones, protones y neutrones. Los electrones y protones tienen una propiedad llamada carga eléctrica. Los neutrones son eléctricamente neutros porque carecen de carga, los electrones poseen una carga negativa, mientras los protones la tienen positiva. El átomo esta constituido por un núcleo, en el se encuentran protones y los neutrones, y a su alrededor giran los electrones. Un átomo normal es neutro, ya que tiene el mismo numero de protones o cargas positivas y de electrones o cargas negativas. Sin embargo, un átomo puede ganar electrones y quedar con carga negativa, o bien, perderlos y adquirir carga positiva. La masa del protón es casi dos mil veces mayor que la del electro, pero la magnitud de sus cargas eléctricas es la misma. Por tanto de un electrón neutraliza la de un protón. El frotamiento es una manera sencilla de cargar eléctricamente un cuerpo, por ejemplo: cuando el cabello se peina con vigor pierde algunos electrones, adquiriendo entonces carga positiva; mientras tanto el peine gana dichos electrones y su carga final es negativa, es decir, cuando un objeto se electriza por fricción la carga no se crea, pues siempre ha estado ahí, ni se producen nuevos electrones, solo pasan de un cuerpo a otro. Leyes de la Electroestática • Ley Cualitativa: “Las cargas eléctricas de la misma naturaleza (igual signo) se repelan y las de naturaleza diferente (signo diferente) se atraen. • Ley Cuantitativa: Ley de Coulomb Ley de Coulomb • El científico francés Charles Coulomb estudio las leyes que rigen la atracción y repulsión de dos cargas eléctricas puntuales en reposo. (Una carga puntual es la que tiene distribuida un cuerpo electrizado, cuyo tamaño es pequeño comparado con la distancia que lo separa del otro cuerpo cargado y con la magnitud de sus cargas, por tanto toda la carga del cuerpo se encuentra reunida en su centro). • Para ello en 1777 invento la balanza de torsión, esta cuantificaba la fuerza de atracción o repulsión por medio del retorcimiento de un alambre de palta rígido. Coloco una pequeña esfera con carga eléctrica a diversas distancias de otra también cargada, así logro medir la fuerza de atracción o repulsión según la torsión observada en la balanza. • Coulomb observo que a mayor distancia entre dos cuerpos cargados eléctricamente, menor es la fuerza de atracción o repulsión, pero la fuerza no se reduce en igual proporción al incremento de la distancia, sino respecto al cuadrado de la misma. • Finalmente, la ley de coulomb queda enunciada en los siguientes términos: la fuera eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa. Campo eléctrico Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico, las cargas de diferente signo se atraen y las de igual signo se rechazan, aun cuando se encuentren separadas, esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que esta a su alrededor; la región de influencia recibe el nombre de campo eléctrico. El campo es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ello es fácil detectar su presencia, así como medir su intensidad. • El electrón y todos los cuerpos electrizados tiene a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influencia. El campo eléctrico es inherente a la naturaleza del electrón e independiente de sus movimientos, no así el campo magnético que aparece solo cuando el electrón esta en movimiento. Intensidad del campo eléctrico Para poder interpretar como es la intensidad del campo eléctrico producido por una carga eléctrica, se emplea una carga positiva(por convención) de valor muy pequeño llamado carga de prueba, de esta manera sus efectos, debido al campo eléctrico, se puede despreciar. Esa pequeña carga de prueba q se coloca ene l punto del espacio a investigar. Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que en ese punto del espacio existe un campo eléctrico cuya intensidad E es igual a la relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha carga de prueba q. por tanto: 𝐹 𝐸= 𝑞 Donde: E = intensidad del campo eléctrico en N/C o dinas/ues. F = fuerza que recibe la carga de prueba en newtons(N) o dinas. q = valor de la carga de prueba en coulombs (C) o ues. Potencial eléctrico Existe analogía entre la energía potencial eléctrica y la energía potencial gravitacional de un cuerpo. Cuando un cuerpo se eleva a una cierta altura h sobre el nivel suelo, su energía potencial es positiva, pues al regresar este será capaz de realizar un trabajo equivalente a su energía potencial: T = Ep = mgh. Si el cuerpo se encuentra a una distancia h bajo el nivel del suelo, si energía potencial será negativa, porque al bajar a ese punto cede energía y para subirlo se debe realizar un trabajo negativo cuyo valor será igual a: -T = -Ep = - mgh En general cuando un cuerpo se encuentra dentro del campo gravitatorio terrestre tiene una energía potencial gravitatoria, análogamente, una carga eléctrica situada dentro de un campo eléctrico tendrá una energía potencial eléctrica, pues la fuerza que ejerce el campo es capaz de realizar un trabajo al mover la carga. Energía asociada a un campo eléctrico • Toda configuración de cargas tiene una cierta energía potencial eléctrica U, igual al trabajo W que debe realizarse para establecer la distribución a partir de las componentes individuales, supuestas originalmente a una distancia infinita y en reposo. • Esta energía potencial recuerda a la energía potencial almacenada en un resorte comprimido, o a la energía potencial gravitacional almacenada, por ejemplo, en el sistema Tierra-Luna. • Considerando un ejemplo simple, se debe de realizad trabajo para separar dos cargas iguales y opuestas. Esta energía se almacena en el sistema y se puede recuperar si las dos cargas se dejan en libertad para que se aproximen nuevamente. De manera semejante, un capacitor cargado ha almacenado una energía potencial eléctrica U igual al trabajo W necesario para cargarlo. • Esta energía puede recuperarse si se permite que el capacitor se descargue. El trabajo en el proceso de carga puede visualizarse imaginando a un agente externo que jala los electrones de la placa positiva y los empuja hacia la placa negativa, produciendo entonces la separación de carga; generalmente, en trabajo de carga lo realiza una batería, a expensas de su energía química almacenada. • Supóngase que en el tiempo t se ha transferido una carga q’(t) de una placa a otra. La diferencia de potencial V(t) entre las placas en ese instante será q’(t)/C. Si se transfiere una carga extra dq’, se requiere una pequeña cantidad de trabajo adicional que será: dW=Vdq= (q’/C) dq’. Corriente eléctrica • La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones por el interior del material. Se mide en amperios y se indica con el símbolo A. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético. Resistencia eléctrica • Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Ohmímetro. Resistividad • Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω·m, a veces también en Ω·mm²/m). • Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Referencias Bibliológicas • Física General – Héctor Pérez Montiel. Publicaciones Culturales.