Electrostática: cargas eléctricas y electrización

LA ELECTROSTÁTICA

• JORGE ENRIQUE OLIVARES PARRA
• 11-06
• MARCO AURELIO NAVARRO
• I.E. COLEGIO SAGRADO CORAZÓN DE JESÚS
• SAN JOSÉ DE CÚCUTA
• 2017

LA ELECTRICIDAD

• En Grecia se estudiaba el fenómeno que tenían ciertos cuerpos para atraer objetos livianos después de haber sido frotados con un tejido, al comienzo se creía que el ambar era el único material que presentaba esta propiedad, Thales de Mileto se encargó de hacer una serie de experimentos y descubrió que el ambar después de seer frotado con la piel de un animal, atraía ciertas semillas; En el siglo XVI William Gilbert descubrió que otras sustancias también podian adquirir esta propiedad, las denominó sustancias electricas y a la propiedad la denominó electricidad.

LA ELECTRIZACIÓN

• La electrización consiste en el poder de atracción que adquieren los objetos después de ser frotados; Los cuerpos están formados por átomos, y estos a su vez están compuestos por partículas de cargas positiva (protones), de carga negativa (electrones) y otras partículas cuya carga es neutra (neutrones).
• Al someter un cuerpo a ciertas manipulaciones, como la frotación con una barra de vidrio o plástico electrizador, ese cuerpo puede ganar electrones o perderlos, es decir, el tipo de carga eléctrica que un cuerpo tiene está en función de que este cuerpo tenga más o menos electrones que protones.
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CARGAS ELÉCTRICAS

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• Benjamin Franklin habló sobre la existencia de un único tipo de carga o fluido eléctrico. Cuando la cantidad de la misma en un cuerpo era superior a lo normal, este presentaba electricidad positiva; y cuando la misma era inferior a la normal, el cuerpo tenia electricidad negativa .
• Franklin propuso que las fuerzas ejercidas entre cuerpos electrizados eran acciones a distancia, unas de atracción y otras de repulsión. En la actualidad nos encontramos con dos tipos de carga, una carga positiva y otra negativa, se denomina carga eléctrica negativa a la que posee un electrón, y carga eléctrica positiva a la que tiene un protón.
• La transferencia y la interacción entre las cargas producen los fenómenos eléctricos. Esta interacción responde a la ley de los signos, que nos dice que los cuerpos que tienen la misma carga eléctrica se repelen y los cuerpos que tienen carga eléctrica distinta se atraen.

CONSERVACIÓN DE CARGA

• Cuando la fuerza eléctrica que mantiene unidos los electrones al núcleo disminuye,la distancia entre estos y el núcleo aumenta, por lo tanto, aquellos electrones que se encuentran débilmente unidos a los átomos, pueden ser liberados o transferidos a otros cuerpos. Es decir que si un cuerpo tiene carga positiva o negativa es porque se ha redistribuido su carga eléctrica.
• En estos casos se cumple el "Principio de la conservación de la carga". Este indica que la cantidad de carga eléctrica en un sistema aislado es constante, es decir, se conserva, ya que puede presentarse un intercambio o movimiento de carga de un cuerpo a otro, pero no se crea ni se destruye.

CONDUCTORES Y AISLANTES

• Existen medios materiales en los que las cargas eléctricas no se transmiten, a estas sustancias se les llama "aislantes"o "dieléctricos". Como el vidrio, la seda, la madera, la porcelana, etc. Pero por el contrario, hay otros en los que se transmite la electricidad con facilidad, a este caso se le llaman "conductores". Los conductores más caracterizados son los metales.
• Algunos elementos como el silicio o el germanio presentan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores, se les llama semiconductores; Los semiconductores se utilizan en la construcción de transistores y son de gran importancia en la electrónica.
• En 1911, se descubrió que algunos materiales, al ser expuestos a temperaturas muy bajas aproximadamente al cero absoluto, cerca de 2273 ºC, mejoraban su conductividad notablemente. Posteriormente, en 1987, se descubrió la superconductividad a temperaturas más altas (Mayores a 2173 ºC).

POR CONTACTO O POR INDUCCIÓN

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• Bildunterschrift: CARGAS POR CONTACTO: Al poner u cuerpo electrizado con otro sin carga eléctrica, se genera un paso de electrones entre el primer cuerpo y el segundo, produciéndose la electrización de este ultimo. Por ejemplo: cuando frotas un esfero plástico y lo acercas a algunos trozos de papel, estos se adhieren al esfero, pero al cabo de unos segundos se desprenden. Se debe a la transferencia de electrones del cuerpo con mayor cantidad de electrones hacia el que tenga menor cantidad de estos, manteniéndose el flujo hasta que los dos cuerpos tengan la misma magnitud de carga.
• Bildunterschrift: CARGAS POR INDUCCIÓN: Al aproximar un cuerpo cargado a otro cuerpo, preferiblemente conductos, que no está cargado, este cuerpo se polariza, es decir, una de sus partes se carga positivamente y la otra negativamente. Este fenómeno se debe a que el cuerpo cargado atrae las cargas de distinto signo y repele las del mismo signo, pero si se toca con un dedo al conductor, nuestro cuerpo atrae la carga negativa y de esta manera, la carga se redistribuirá quedando el cuerpo cargado eléctricamente.

POLARIZACIÓN DE LA CARGA

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• Tenemos un aislante, no electrizado, cuyas moléculas están distribuidas a la azar. Al acercar un objeto electrizado (Por ejemplo con carga positiva), la carga positiva hace que las moléculas en el aislante se orden de tal forma que sus cargas negativas se ubiquen lo más cerca posible del objeto cargado positivamente.

FUERZAS ENTRE CARGAS

• El físico francés Charles Coulumb, utilizando una balanza de torsión, estudió las fuerzas con las que se atraían o repelían los cuerpos cargados. Estas fueron sus conclusiones:
• - Las fuerzas eléctricas aparecen sobre cada una de las dos cargas que interactúan, y son de igual magnitud pero de sentidos opuestos.
• - Las fuerzas eléctricas dependen de los valores de las cargas. Cuanto mayor sean, mayor será la fuerza con la que se atraen o se repelen.
• - Las fuerzas eléctricas dependen de la distancia que separa las cargas. Cuanto mayor sea esta distancia, menor será la fuerza entre ellas.
• El método para medir la carga eléctrica se creó ocho años después de la investigación de Coulumb y se definió en términos de corriente eléctrica.
• La unidad natural de la carga eléctrica es la unidad de la cantidad carga que tiene un electrón; pero, al ser una cantidad muy pequeña, el "SI" define como unidad de carga eléctrica el Coulumb (C).

LEY DE COULUMB

• Las fuerzas eléctricas de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales, q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que les separa.
• Se expresa como: F= K (q1 * q2/ r^2)
• La constante K es la constante electrostática, se expresa en N . m^2/C^2 y su valor depemnde del medio material en el cual se encuentran las cargas. En el vacío k tiene un valor de: k= 9 x 10^9 N . m^2/C^2.

La Fuerza Eléctrica En Otros Materiales

• Depende de la constante electrostática k, la cual se definió para el vacío, pero puede ser la misma para el aire. Si el medio es otro, esta constante presenta variaciones de tal forma que la fuerza electrostática entre los cuerpos cargados presenta variaciones. Según el medio, k se expresa como: K= (9 x 10^9 N . m^2/C^2)/ Kd.
• La constante Kd es la constante dieléctrica del medio material y no tiene unidades, a continuación se muestran algunos valores para la constante dieléctrica:
• Vacío: 1 - Aire: 1 - Vidrio: 4,5 - Aceite: 4,6 - Mica: 5,4 - Agua: 8,1.