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Unidad V. Electroestática

La electroestática es la rama que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de sus carga eléctrica, es decir, estudia las cargas eléctricas en equilibrio.

5.1. Carga eléctrica y sus propiedades

5.2. Leyes de la electrostática

5.3. Campo eléctrico

5.4. Cálculo de potencial eléctrico en diferentes configuraciones

5.5. Capacitores con dieléctrico

5.6. Energía asociada a un campo eléctrico

5.7. Capacitores en serie y paralelo

La carga eléctrica es la propiedad de los cuerpos que toman parte de las interacciones eléctricas. Se hace evidente a través de fenómenos de atracción y repulsión.

1. Hay dos tipos de cargas en la naturaleza, con la propiedad de que las cargas de signos diferentes se atraen unas a otras y cargas de signo iguales se rechazan o repeles.

2. La fuerza de atracción o repulsión entre las cargas varía con el inverso al cuadrado de su distancia de separación.

3. La carga se conserva: Aquellas sustancias que pierden electrones se cargan positivamente y las que ganan electrones, se cargan negativamente. Ley de la conservación de la materia y la energía.

4. La carga está cuantizada. Esto es que posee valores unitarios ya predispuestos. En el caso del protón, su carga es de +1 y el del electrón es de -1.

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: "Las fuerzas que se ejercen entre dos cargas eléctricas son directamente proporcional a los valores de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa"

Siendo:

F : fuerza entre las dos cargas.

q1 q2 : cargas eléctricas

d: distancia entre las dos cargas

k: es la constante de proporcionalidad, comparadas con la G de la gravitación de Newton, es un número muy grande y redondeando es igual a: k=9x109 Nm2

Es un campo de fuerza creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas (la causa del flujo eléctrico) y se mide en Voltios por metro (V/m). El flujo decrece con la distancia a la fuente que provoca el campo.

El condensador eléctrico o capacitor eléctrico almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar.

- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta

- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad

- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad

- Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada.

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica F⃗ dada por la siguiente ecuación:

Capacitores en serie

Capacitores o condensadores conectados uno después del otro, están conectados en serie. Estos capacitores se pueden reemplazar por un único capacitor equivalente que tendrá un valor que será el equivalente de los que están conectados en serie.

Se puede hacer un cálculo para cualquier número de capacitores que se conecten en serie con ayuda de la siguiente fórmula:

1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + ….+ 1/CN ó

Ceq = (C1 x C2 x …. x CN) / (C1 + C2 + ….. + CN)

Capacitores en paralelo

Capacitores o condensadores conectados en paralelo (los terminales de cada lado de los elementos están conectadas a un mismo punto).

Para encontrar el valor del condensador equivalente se utiliza la fórmula: CT = C1 + C2 + C3 + C4

Fácilmente se puede hacer un cálculo para cualquier número de capacitores con ayuda de la siguiente fórmula:

Ceq = C1 + C2 + …..+ CN

Para calcular el potencial V debido a una sola carga puntual q, se divide la ecuación

entre q0

Cuando se calcula el potencial debido a una distribución de carga, por lo general se sigue una de dos rutas posibles. Si se conoce la distribución de carga se emplea la ecuación

o

O si se conoce el modo en que el campo electrico depende de la posición, se usa la ecuación

estableciendo que el potencial es igual a cero en algún lugar conveniente.