Guía no. 5: Electrostática: la energía eléctrica

GUÍA No. 5: ELECTROSTÁTICA

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Caption: : Hecho por: Nelson Betnel Rodríguez Jaimes del grado 1103

ELECTROSTÁTICA: LA CARGA ELÉCTRICA

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La electrostática es la rama de la Física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Caption: : Dipolo magnético

Los fenómenos electrostáticos tienen un origen a nivel microscópico, a partir de la estructura atómica de la materia, cuyas partículas no se pueden ver, pero sí se hacen sentir. En estas diapositivas analizaremos el comportamiento de la carga en los diferentes materiales, las leyes que rigen su acumulación y las que rigen la interacción entre las mismas, los conceptos de diferencia de potencial, energía potencial eléctrica y los condensadores. A continuación veremos ocho factores que son fundamentales en lo que a la estática se refiere:

ELECTROSTÁTICA: LA CARGA ELÉCTRICA

1. La electricidad

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En el siglo XVI el físico William Gilbert descubrió que más sustancias además del ámbar podían generar energía electrica; descubrió que existían dos tipos de carga: un tipo era la que adquiría el vidrio, electricidad vítrea, y otra la correspondiente al ámbar y otros cuerpos semejantes a la que denominó electricidad resinosa. Posteriormente, en 1733, el físico francés Charles du Fay, estudió las interacciones repulsivas de la electricidad, y encontró que materiales electrizados del mismo tipo se repelían. Un ejemplo de materiales que se repelen son dos varillas de plástico frotadas con piel de animal, contrario a una varilla de vidrio frotada con seda y una varilla de plástico frotada con piel de animal, ya que en este caso las varillas se atraen.

2. Electrización

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Al someter un cuerpo a ciertas manipulaciones, como al peinarse, ese cuerpo puede ganar electrones o perderlos. Esto se debe a que las barras de vidrio o de plástico se electrizan al frotarlas, respectivamente, con seda o con lana. Al frotar la barra de plástico gana electrones de la lana (aumentando carga negativa), y la barra de vidrio cede electrones a la seda (aumentando carga positiva). Es decir, el tipo de carga eléctrica que un cuerpo tiene está en función de que ese cuerpo tenga más o menos electrones que protones.

3. Cargas electricas

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Caption: : Cargas iguales se repelen; cargas diferentes se atraen.

4. 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, en algunos materiales, pueden ser liberados o transferidos a otros cuerpos. Es decir, que si un cuerpo tiene carga positiva o carga negativa es porque se ha redistribuido su carga eléctrica. En estas redistribuciones se cumple el principio de conservación de la carga. Este principio 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. Por otra parte, la carga eléctrica está cuantizada. Es decir, existe una cantidad mínima de carga y la carga existente en cualquier cuerpo es un múltiplo de esta cantidad La carga mínima o carga elemental es la carga del electrón representada por la letra e. Cualquier otra carga eléctrica, ya sea positiva o negativa, será igual a la carga de un número entero de electrones. Como la unidad de carga en el SI es el culombio (C) su equivalencia con la carga del electrón es: 1 C = 6,25 X 10X18^18 e   1e = 1/6,25 X 10^18= 1,6 X 10^-19 C

5. Conductores y aislantes

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En los fenómenos eléctricos se observa que el comportamiento de la materia respecto a la transmisión de electricidad es muy diverso; materiales en los que las cargas eléctricas no se transmiten, aislantes; materiales en los que las cargas eléctricas se transmiten con facilidad, conductores; Algunos elementos presentan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores, pero distinta: semiconductores. Existe la superconductivida -descubierta en 1911-, en donde algunos materiales, al ser expuestos a temperaturas muy bajas, aproximadamente al cero absoluto, cerca de 2273°C, mejoraban su conductividad notablemente, y ofrecían una resistencia casi nula al movimiento de las cargas eléctricas. Posteriormente, en 1987, se descubrió la superconductividad a temperaturas más altas (temperaturas mayores a 100 K, es decir, 2173 °C).

Caption: : Conductor: los electrónes están ligados con menor firmeza. Aislante: los electrónes se encuentran ligados firmemente a los núcleos. Semiconducotr: la existencia de electrónes es mínima

6. Carga por contacto y por inducción

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Caption: : al poner en contacto un 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 último

Caption: : al aproximar un cuerpo cargado a otro cuerpo, preferiblemente conductor, que no está cargado, este cuerpo se polariza, es decir, una de sus partes se carga positivamente y la otra, negativamente

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7. Polarización de la carga

Sucede cuando un cuerpo neutro reorganiza sus cargas por acción o por influencia de un cuerpo cargado; de tal manera, se dice que el cuerpo está polarizado. Ahora, veamos lo que sucede en el caso de los aislantes, el cual no electrizado cuyas moléculas se encuentran distribuidas al azar. Al acercar un objeto electrizado (por ejemplo, con carga positiva) al material aislante, la carga de este actúa sobre las moléculas del aislante haciendo que se orienten y se ordenen de tal forma que sus cargas negativas se ubiquen lo más cerca posible del objeto cargado positivamente.

8. FUERZA ENTRE CARGAS

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Caption: : Posiblemente conoces muchos casos en que la electricidad estática está presente. Si cuelgas diferentes objetos, tales como papel, plástico o vidrio, según se ilustra en la figura 1, al acercarles una peineta o un tubo de PVC que ha sido previamente frotado con lana o con tu pelo, podrás poner en evidencia las fuerzas eléctricas. Si solo acercas el objeto electrizado a las varillas colgantes, verás atracciones. Si con el cuerpo electrizado electrizas algunos de los cuerpos colgantes, al acercarlo nuevamente, verás repulsiones.

La materia es esencialmente eléctrica, pues está constituida por átomos y éstos poseen cargas negativas y positivas. Normalmente los objetos que nos rodean se encuentran eléctricamente neutros debido a que dichas cargas se encuentran en igual cantidad. Sin embargo, cuando frotamos dos objetos este equilibrio se rompe y los fenómenos eléctricos se manifiestan como atracciones, repulsiones y flujo de corriente en forma de chispas.

8.1. La ley de Coulomb

El físico francés Charles Coulomb , 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 e igual línea de acción, pero de sentidos opuestos.❖ Las fuerzas eléctricas dependen de los valores de las cargas. Cuanto mayor sean esos valores, mayor será la fuerza con la que se atraen o repelen.❖ Las fuerzas eléctricas dependen de la distancia que separa las cargas: cuanto mayor sea esa distancia, menor será la fuerza entre ellas.❖ Las fuerzas eléctricas dependen del medio en el que están situadas las cargas. No es igual la fuerza entre dos cargas cuando están en el vacío que cuando están en otro medio material, como el aceite o el agua

La ley de Coulomb 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 las separa. Esta ley se expresa como: F = K q1 X q2/r2 La constante K es la constante electrostática, se expresa en N . m2 /C2 y su valor depende del medio material en cual se encuentran las cargas. En el vacío la constante electrostática tiene un valor de K = 9 x 109 N . m2 /C2 . El enorme valor de la constante electrostática nos indica que las fuerzas eléctricas son intensas. Si la fuerza tiene signo menos, indica una fuerza de atracción entre las dos cargas y si es de signo positivo indica una fuerza de repulsión.

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8. 2. La fuerza eléctrica en otros materiales

La fuerza eléctrica depende de la constante electrostática K, la cual se definió para el vacío y que, en términos prácticos, es la misma para el aire. Si el medio es otro, esta constante presenta variaciones notables de tal forma que la fuerza electrostática entre los cuerpos cargados presenta variaciones. Según el medio, la constante electrostática K, se expresa como: K = 9 X 10^9 N X m^2 ÷ C^2/kd

Caption: : La constante kd es la constante dieléctrica del medio material y no tiene unidades. En la tabla se muestran algunos valores para la constante dieléctrica.

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Caption: : Charles-Augustin de Coulomb fue un físico e ingeniero francés. Se le recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas. En su honor, la unidad de carga eléctrica lleva el nombre de culombio (coulomb, en inglés; símbolo C).

«Además, las ciencias son monumentos dedicados al buen público; cada ciudadano debe a ellos un tributo proporcional a su talento. Mientras que los grandes hombres, llevados a la cumbre del edificio, diseñan y levantan los pisos altos, los artistas ordinarios se dispersan por los pisos inferiores, o se esconden en la oscuridad de los cimientos; sólo deben tratar de mejorar lo más inteligente que sus manos hayan creado».

Charles-Augustin de Coulomb