Campo eléctrico
Antecedentes históricos de la electricidad
Llamamos interacción electrostática a aquella que se ejerce entre cargas en reposo.
La raíz de los términos "electricidad", "electrón", o "electrónica" viene del ambar, (material amarillo y transparente en cuyo interior se han encontrado insectos fosilizados) que en la antigua Grecia (Tales de Mileto) se denominaba elektron. Era conocida la propiedad que tenía de atraer pequeños trozos de paja cuando era sometida a frotamiento. En aquella época no se le encontraba explicación.
Ámbar
En 1.600 William Gilbert (1.544 - 1.603) encontró que numerosos materiales (vidrio, azufre, sal, resina …) presentaban al ser frotados propiedades similares a las del ámbar, los llamó eléctricos. El término magnético viene de magnesia, región de la antigua Grecia donde se descubrió la magnetita.
Otto von Guericke construyó la primera máquina de electrizar por frotamiento.
Stephen Gray (1.670 - 1.736) realizó algunos experimentos y encontró que la electricidad se transfería de unos cuerpos a otros si se conectaban con un material metálico. Esto quiere decir que la electricidad no se produce sólo por frotamiento.
En 1.730, Charles du Fay (1.698 - 1.739) dice que hay dos tipos de atracción electrostática: atractiva y repulsiva. La repulsiva tenía lugar entre materiales idénticos frotados de la misma manera. A raíz de estas experiencias Jean Antoine Nollet (1.700 - 1.770) habla de dos tipos de fluido eléctrico (vítreo y resinoso). Lichtensbergh habla de dos clase de electricidad, positiva (la del vidrio) y negativa (la de la ebonita).
Benjamin Franklin (1.706 - 1.790) habla de un único fluido. Según esta teoría cada cuerpo tiene la cantidad justa de fluido eléctrico: al frotar un cuerpo contra otro se produce un desequilibrio quedando uno de los cuerpos con defecto de fluido al que represento con un menos y otro con exceso al que representó con un más. La carga eléctrica no se crea, sólo se separa. La electricidad positiva era la vítrea y la negativa la resinosa.
Hoy sabemos que el vidrio al ser frotado pierde electrones y queda cargado positivamente, mientras que el ámbar al ser frotado gana electrones y queda cargado negativamente.
Hacia 1.760, Bernoulli, Priestly, y Henry Cavendish llegaron la conclusión de que la interacción electrostática varía conforme al inverso del cuadrado de la distancia, igual que la gravitatoria. En 1.785 Charles Augustin Coulomb (1.736- 1.806) midió esa dependencia estableciendo la Ley que lleva su nombre.
En el siglo XVIII los científicos determinaron que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos relacionados.
En la primera mitad del XIX Michael Faraday (1.791 - 1.867) y Humphry Davy, con experimentos de electrólisis sugirieron que la electricidad estaba constituida por corpúsculos materiales cargados.
George Stoney (1.826 - 1.911) denominó electrones a esos corpúsculos. En 1.897 Joseph John Thomson (1.856 - 1.940) descubrió los electrones.
La materia está constituida por átomos y estos a su vez por electrones, protones y neutrones. El protón y el electrón tienen carga eléctrica, positiva y negativa respectivamente.
A partir de estos conocimientos y del modelo atómico de Rutherford se sabe que los electrones constituyen la corteza del átomo y se encuentran unidos al núcleo por fuerzas eléctricas, que son más débiles que las que mantienen unidas las partículas del núcleo. Es relativamente fácil romper estas uniones y por tanto separar los electrones.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es la propiedad de la materia que señalamos como causa de la interacción electromagnética. Se dice que un cuerpo está cargado positivamente cuando tiene un defecto de electrones. Se dice que un cuerpo está cargado negativamente cuando tiene un exceso de electrones. Por tanto también podemos definir la carga eléctrica como el exceso o defecto de electrones que posee un cuerpo respecto al estado neutro.
La unidad de carga en el sistema internacional es el coulomb (C) que es la cantidad de carga que atraviesa una sección de un conductor en un segundo cuando la intensidad de la corriente es de un ampere. Se usan también el microculombio (1 µC = 10⁻⁶ C), el nanoculombio (1 nC = 10⁻⁹ C) o el picoculombio (1 pC = 10⁻¹² C)
Propiedades:
- El frotamiento no genera corriente eléctrica
- La carga eléctrica está cuantificada y su unidad más elemental es la carga del electrón. Cualquier carga es múltiplo entero del la carga del electrón y su valor es e = 1,6·10⁻¹⁹ C. Es una magnitud escalar. Por tanto un Culombio son 6,25·10¹⁸ e
- Las cargas son acumulativas. Llega un momento en que no se admite más carga y se escapa la carga
- Existen dos tipos de carga, positiva o negativa. La interacción electrostática entre cargas del mismo signo es repulsiva, mientras qu la interacción entre cargas de signo opuesto es atractiva
- La carga eléctrica se conserva en cualquier proceso que tenga lugar en un sistema aislado. Al frotar un bolígrafo de plástico con un paño de lana no se crea una carga neta. Algunos electrones pasan del paño al bolígrafo de modo que el número de electrones en exceso en el bolígrafo es justamente el número de electrones en defecto del paño. El bolígrafo adquiere carga negativa y el paño positiva
- La carga de un electrón es igual a la carga de un protón, cambiada de signo. El protón tiene más masa. mp = 1.846 me
- La carga total de un sistema no varía por el movimiento de los portadores de carga. Si no fuera así, una vez que un electrón abandona un átomo no podría volver a equilibrar la carga de un protón y la materia no se encontraría neutra
Se denomina conductores a los cuerpos que dejan pasar fácilmente la electricidad a través de ellos (metales) y aislantes o dieléctricos a los que no la dejan pasar. No hay aislantes perfectos por lo que muchas veces hablamos de buenos o malos conductores.
Ley de Coulomb
Se refiere a la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas. Es el equivalente a la ley de la gravitación universal.
Ley de Coulomb: atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Es valido para cargas puntuales o puntiformes, es decir para aquellas cuyo tamaño es mucho menor que la distancia entre ellas.
| F = ±k·( | q₁·q₂ | )·ŭ |
| d² |
Negativo (-) significa fuerza atractiva.
Positivo (+) significa fuerza repulsión.
k no es una constante universal. Depende del medio en el que se encuentren las cargas. Se suele expresar k en función de la permitividad del medio. k = ¼·π·ε
ε es la constante dieléctrica o permitividad del medio. Esta constante se puede expresar como ε = ε₀·ε'
ε₀ es la constante dieléctrica del vacío y vale ε₀ = (1/4·π·9·10⁹)·(C/N·m²)
ε' constante dieléctrica relativa al medio. En el vacio (aire) ε' = 1. Adimensional
Por tanto:
| F = | 1 | · | q₁·q₂ | ·ŭᵣ |
| 4·π·ε | d² |
| F = | 1 | · | q₁·q₂ | ·ŭᵣ |
| 4·π·ε₀·ε' | d² |
| F = | 1 | · | q₁·q₂ | ·ŭᵣ | ||
| 4·π· | 1 | ·ε' | d² | |||
| 4·π·9·10⁹ | ||||||
| F = | 9·10⁹ | · | q₁·q₂ | ·ŭᵣ |
| ε' | d² |
Si estamos en el vacío (aire):
| F = ±k·( | q₁·q₂ | )·ŭ |
| d² |
| Constantes dieléctricas relativas | |
| Agua Aire Azufre Madera Porcelana Vidrio | 80 1 4 2 - 8 6 - 8 4 - 10 |
Veamos algunas analogías y diferencias entre la ley de Isaac Newton y la de Coulomb:
Ejemplo nº 3
Dos pequeñas bolas de 10 gramos de más cada una de ellas, están sujetas por hilos de 1 m de longitud suspendidas de un punto común. Si ambas bolitas tienen la misma carga eléctrica y los hilos forman un ángulo de 10°, calcula el valor de la carga eléctrica. ¿Puedes determinar el tipo de carga?
Esquema de cargas y fuerzas
Al estar el sistema en equilibrio la fuerza resultante sobre cada una de las bolitas ha de ser nula.
Fₑ + P - T = 0
| Fₑ = 9·10⁹ N·m²/C²· | q₁·q₂ |
| r² |
| Fₑ = 9·10⁹ N·m²/C²· | q² |
| r² |
| tg α = | Fₑ |
| P |
Fₑ = P·tg α = m·g·tg α
| sen α = | ½·r |
| l |
r = 2·l·sen α = 2·sen 5
| q² = | Fₑ·r² | = | m·g·tg α·r² |
| 9·10⁹ | 9·10⁹ |
q = √m·g·tg α·r²/9·10⁹ = 1,7·10⁻⁷ C
No puede saberse si son positivas o negativas porque se comportan de la misma manera.
• Fuente:
Física de 2° de Bachillerato - Colegio Montpellier
Autor: Leandro Bautista. España.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).
¿Qué es la carga eléctrica?