Hoy en día, no concebimos una vida sin electricidad. La electricidad, materia de estudio de hace bastante tiempo.
Se dice, que los primeros estudiosos de la materia, fueron los griegos, que observaban el fenómeno que se produce al frotar el ámbar, atraía pequeños objetos tales como plumas.
Por ello, la palabra eléctrico procede del vocablo griego asignado al ámbar, elektron.
En este apartado, se expondrá los principios de la electricidad con la electrostática.
Para ello, es necesario tener claros ciertos conceptos que se detallaran en profundidad según se profundice en el tema. Por lo tanto, bienvenido al maravilloso mundo de la electrostática.
Carga Eléctrica.
El individuo que propuso un modelo al fenómeno que ocurría a la interacción de frotar ciertos objetos con ciertos materiales y otros objetos, fue Benjamín Franklin.
Sugirió, que todo objeto posee una cantidad normal de electricidad y cuando dos objetos se frotan entre sí, parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo al otro, produciéndose así, un exceso de carga en uno de los objetos y el otro, una deficiencia de carga de igual valor.
Franklin, asignó las cargas resultantes con los signos más (+) y menos (-). Al tipo de carga adquirida por una barra de vidrio frotada con un paño de seda se le llamó positiva, lo que significaba que el paño de seda adquiría una carga negativa de igual magnitud.
Hoy en día, se sabe que cuando el vidrio se frota con un paño de seda, se transfieren electrones del vidrio a la seda, y por tanto, ésta adquiere un número en exceso de electrones y el vidrio queda con déficit de estas partículas.
Hay que apuntar, que el modelo de Franklin, es el que hoy en día se sigue usando.
Una cosa importante a tener en cuenta es que, la carga neta de los dos objetos, considerada globalmente, no cambia, es decir, la carga se conserva.
Esto es así, por la Ley de Conservación de la Carga, la cual es una ley fundamental en la naturaleza. En ciertas interacciones entre partículas elementales puede ocurrir que los electrones se creen o se destruyan, sin embargo, en todos estos procesos se crean o destruyen cantidades iguales de carga negativas y positivas, de manera que la carga del Universo no varía.
La unidad en el sistema internacional (SI) de carga, es el culombio.
La unidad fundamental de carga eléctrica, está relacionada con el culombio por la siguiente
expresión.
Ley de Coulomb.
Este individuo estudió la fuerza que ejercida por una carga sobre otra mediante una balanza de torsión de su propia invención.
En el experimento de Charles Coulomb, las esferas cargadas eran mucho menores que la distancia entre ellas, de modo que las cargas podían considerarse como puntuales.
Utilizó el fenómeno de inducción para producir esferas igualmente cargadas y poder variar la carga depositada sobre las esferas.
Los resultados de Coulomb, y otros científicos estudiosos del tema, llegaron a la conclusión de la Ley de Coulomb:
“La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une. La fuerza varía inversamente con el cuadrado de la distancia que separa las cargas y es proporcional al producto de las mismas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo, y atractiva si las cargas tienen signos opuestos.”
Por lo tanto, la Ley de Coulomb, se puede expresar con tal expresión:
Donde el parámetro K, es una constante determinada experimentalmente, y llamada de forma general constante de Coulomb, expresada de la siguiente manera:
Y de valor, normalmente:
Hay que prestar especial atención, a las cargas que están a una distancia determinada con respecto a un origen en común.
En este caso, la Ley de Coulomb se expresa de la siguiente manera:
Esta expresión parece un monstruo pero no lo es, el parámetro:
es un vector unitario que apunta de q1 a q2, y de valor:
El Campo Eléctrico.
La fuerza eléctrica ejercida por una carga sobre otra es un ejemplo de acción a distancia. La idea de acción a distancia presenta un serio problema conceptual.
Para evitar dicho problema, se introduce el concepto de campo eléctrico. Una carga crea un campo eléctrico E en todo el espacio, y este campo eléctrico, ejerce una fuerza sobre la otra carga.
El campo se propaga a través del espacio con la velocidad de la luz. Por lo tanto, si una carga se mueve súbitamente, la fuerza que ejerce sobre otra carga a la distancia r no se modifica hasta que transcurre el tiempo .
Una definición formal de campo eléctrico sería la siguiente: “El campo eléctrico se define como la fuerza que ejerce una carga puntual por unidad de carga”.
Analíticamente se expresa tal como sigue:
Siendo q0 la carga puntual pequeña.
Las unidades en el SI del campo eléctrico es el N/C.
Así mismo, la fuerza ejercida sobre una carga testigo q0 en cualquier punto está relacionada con el campo eléctrico en dicho punto por la siguiente expresión:
Por supuesto, al igual que en la Ley de Coulomb, el campo eléctrico se puede calcular en un punto P cualquiera, para ello, la expresión es la siguiente:
Donde el parámetro
Es un vector unitario que apunta desde la carga al punto del campo P.
En caso de tener más de una carga puntual, también podemos calcular el campo eléctrico. Éste sería la suma de los campos eléctricos generados por cada carga.
Líneas de Campo Eléctrico.
El campo eléctrico se puede representar dibujando líneas que indiquen la dirección del mismo. En cualquier punto, el vector campo E es tangente a las líneas de campo eléctrico, que se suelen llamar también líneas de fuerza, ya que muestran la dirección de la fuerza ejercida sobre una carga testigo positiva.
Las reglas básicas para el dibujo de las líneas de campo son las siguientes.
Las líneas de campo eléctrico comienzan en las cargas positivas (o en el infinito) y terminan en las negativas (o en el infinito).
Las líneas se dibujan simétricamente, saliendo o entrando en la carga.
El número de líneas que abandonan una carga positiva o entran en una carga negativa, es proporcional a la magnitud de carga.
La densidad de líneas (número de ellas por unidad de área perpendicular a las mismas) en un punto, es proporcional a la magnitud de la carga.
A grandes distancias de un sistema de cargas, las líneas de campo están igualmente espaciadas y son radiales como si procediesen de una sola carga puntual igual a la carga neta del sistema.
No pueden cortarse nunca dos líneas de campo.
Movimiento de Cargas Puntuales en Campos Eléctricos.
Cuando una partícula con carga q se coloca en un campo eléctrico E, experimenta la acción de una fuerza q·E.
Si la fuerza eléctrica es la única fuerza significativa que actúa sobre la partícula, ésta adquiere una aceleración expresada de la siguiente forma:
Siendo m, la masa de la partícula.
La desviación de los electrones en un campo eléctrico uniforme fue utilizada por J. J. Thomson en 1897, para demostrar la existencia de los electrones y medir su relación carga-masa.
El osciloscopio, el monitor del ordenador y el tubo de imágenes de un televisor, son ejemplos de aparatos basados en el movimiento de los electrones en campos eléctricos.
Problemas:
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