QUÉ ES LA ELECTROSTÁTICADesde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar, podía atraer objetos pequeños.Posiblemente el primero en realizar una observación científica de ese fenómeno fue el sabio y matemático griego Thales de Mileto, allá por el año 600 A.C., cuando se percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco, aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o carente de movimiento de diferentes signos, es decir, una positiva (+) y la otra negativa (–). A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa ámbar.En realidad lo que ocurre es que al frotar con un paño el ámbar, este último se electriza debido a que una parte de los electrones de los átomos que forman sus moléculas pasan a integrarse a los átomos del paño con el cual se frota. De esa forma los átomos del ámbar se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones y los del paño en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones.

.- Trozo de ámbar y trozo de paño con las cargas eléctricas de sus átomos equilibradas. B.- Trozo de. ámbar electrizado con carga estática positiva, después de haberlo frotado con el paño. Los electrones< del ámbar han pasado al paño, que con esa acción éste adquiere carga negativa.Para que los átomos del cuerpo frotado puedan restablecer su equilibrio atómico, deben captar de nuevo los electrones perdidos. Para eso es necesario que atraigan otros cuerpos u objetos que le cedan esos electrones. En electrostática, al igual que ocurre con los polos de un imán, las cargas de signo diferente se atraen y las del mismo signo se repelen.

A.- Montoncitos de papeles recortados. B.- Peine cargado electrostáticamente con defecto de electrones. después de habernos peinado con el mismo. C.- Los papelitos son atraídos por el peine restableciéndose, de esa forma, el equilibrio electrónico de los átomos que lo componen ( los papeles le. ceden a éste los electrones que perdieron al pasárnoslo por el pelo ).

CARGA ELÉCTRICA.La materia está formada por átomos, los cuales a su vez están constituidos por otras partículas subatómicas, y que en esencia se reducen a tres: electrones protones y neutrones.Estas partículas ejercen fuerzas entre sí. El electrón y protón se atraen, en cambio dos electrones o dos protones se repelen.

Para explicar este comportamiento de los electrones y los protones, se admite que estas partículas poseen lo que se llama carga eléctrica.Arbitrariamente el signo [+] para la carga del protón, y el signo negativo [-] para el electrón. A los neutrones en cambio, no les asignamos carga porque no ejercen este tipo de fuerzas sobre las demás partículas.De lo anterior se deduce que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.Los átomos tienden a estar en equilibrio y para obtenerlo necesitan tener carga neutra, es decir, que contenga las misma carga positiva y negativa (número de protones = número de electrones)Los distintos fenómenos eléctricos se producen generalmente por la movilidad de los electrones.CONDUCTORES Y DIELÉCTRICOS.Cuerpos conductores son aquellos que permiten el paso de electrones a través de ellos.

Cuerpos dieléctricos o aislantes son aquellos que no permiten el paso de electrones a través de ellos

INFLUENCIA ELECTROSTÁTICA.Existen dos clases de electrificación electrostática, es decir de carga o descarga de los cuerpos (las cargas se acumulan en ciertas regiones del cuerpo):a) Electrificación electrostática por Friccion: Los cuerpos se frotan y se produce el desplazamiento de electrones b) Electrificación electrostática por contacto: los cuerpos se tocan y se produce el fenómeno de electrificación o desplazamiento de electrones por comunicación directac)Electrificación electrostática por inducción: los cuerpos no necesitan tocarse. Al acercarse se produce el fenómeno de carga inducida.Etapa 1: Un alumno toma una varilla de vidrio inicialmente descargada y la frota con un trozo de tela (fig. 4).Al frotar los cuerpos se produce el desplazamiento de electrones del vidrio a la tela. La varilla perdió electrones y quedó cargada positivamente y la tela que los recibió quedó cargada negativamente. ¿Por qué se produce el traspaso de electrones y como sabemos que cuerpo los cede y cual los acepta?

Figura 1(Etapa 1)

El frotar dos cuerpos hace que los átomos que los forman se aproximan lo suficiente como para que algunos electrones puedan pasar de uno a otro. Hacía que cuerpo se producirá la transferencia depende de factores que tiene que ver con la estructura atómica del material. Si frotamos un material cuyos electrones están más fuertemente ligados a sus núcleos que el otro, este último cede electrones porque sus enlaces son más débiles.

Etapa 2: Luego el alumno acerca la varilla a una pequeña bolita de corcho, inicialmente descargada y suspendida por un hilo, observando que la bolita es atraída hacia la varilla.La atracción se produce porque al acercar la varilla cargada positivamente, dentro de la bolita se reordenan las cargas de forma que los electrones se desplazan a la zona más cercana a la varilla (fig. 2).La atracción se produce porque al acercar la varilla cargada positivamente, dentro de la bolita se reordenan las cargas de forma que los electrones se desplazan a la zona más cercana a la varilla (fig. 2).

Etapa 3: Momentos después de ponerse en contacto la varilla con la bolita, esta es repelida por la varilla. Cuando se ponen en contacto la varilla cargada positivamente, con la zona de la bolita que tiene exceso de cargas negativas, se produce el pasaje de electrones desde la bolita a la varilla (fig. 3). Esto determina que la bolita quede cargada positivamente por la pérdida de electrones y se repela con la varilla que también está cargada

fig. 2 Al reordenarse las cargas, la varilla y la bolita se atraen

Fig. 3 Al tocarse la varilla y la bolita se cargan con igual signo

En la etapa 1 se produce lo que se llama “carga por fricción”En la etapa 2 se produce lo que se llama “inducción electrostática” y “polarización” de cargas dentro de la bolitaEn la etapa 3 se produce lo que se llama “carga por contacto”

Ley de CoulombCuando acercamos dos objetos cargados es posible observar que interactúan ejerciéndose fuerzas de origen eléctrico.Si las cargas son de igual signo se repelen y si los signos son opuestos se atraen (fig. 4) A partir de estudios experimentales el científico francés Charles Agustín Coulomb (1736 –1806) determinó que el modulo de las fuerzas eléctricas entre dos cargas puntuales depende principalmente de dos factores: a) El valores de las cargas b) la distancia entre ellas.b) La fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas

Por ejemplo si dos cargas de valor “q” interactúan con una fuerza eléctrica “F”. Otras dos cargas de valores “2q” y “3q” ubicadas una a igual distancia, se ejercerán fuerzas de modulo “6F”.Observa que una carga aumentó 2 veces su valor y la otra 3 veces, lo que determinó que la fuerza aumentara 6 veces, que surge de multiplicar 2x3. (fig. 5)

b) La fuerza eléctrica es inversamente proporcional a la distancia entre las cargas elevada al cuadrado.

Por ejemplo si dos cargas separadas una distancia “d” interactúan con una fuerza eléctrica “F”. Si las mismas cargas se separan hasta una distancia “3d”, la fuerza de interacción disminuirá 9 veces.Observa que si la distancia aumenta 3 veces la fuerza disminuye 9 veces, que surge de elevar al cuadrado el número 3. (fig. 6) Teniendo en cuenta ambas relaciones simultáneamente, deducimos que la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (fig.7)

Teniendo en cuenta ambas relaciones simultáneamente, deducimos: Que la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (fig.7)

Fig. 4 Atracción y repulsión entre cargas

Fig. 5 La fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas

F ∝q1. q2

Fig. 6 La fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa de producto de las cargas eléctricas

F∝ 1

d2

F ∝ q1. q2

F∝( q1 ) (q1)

d2

F∝ 1

d2

ConservaciónEn general decimos que una magnitud se conserva si en determinados condiciones su valor permanece constante. Magnitudes como la masa y la energía, que has estudiado en cursos anteriores, cumplen esta propiedad. Si analizamos el experimento de Thales de frotar un trozo de ámbar con la piel de animal, sabemos que el ámbar aumenta el número de electrones y se carga negativamente. Estos electrones no se crearon endicho proceso, sino que se trasladaron desde la piel, que al perder electrones quedó cargada positivamente. En todo el proceso la carga eléctrica total permaneció constante (fig.8)

UnidadesLa unidad de carga eléctrica establecida en el Sistema Internacional de Unidades, se denomina Coulomb, su símbolo es “C” y equivale a la carga de 6,25 x 1018 electrones, esto determina que la carga de un electrón expresada en Coulomb sea 1e -= -1,6 x 10-19 C (fig. 9).Es común el uso de prefijos (fig. 10) para escribir submúltiplos de un Coulomb.

Por ejemplo un micro Coulomb se indica 1μcy equivale a 1X10-6C.

La fuerza de interacción entre dos cargas se calcula mediante la fórmula; (Fig.12)

La carga total no se crea ni se destruye

Fig. 8 Conservación de la carga

1e-= -1,6 x 10-19C1C = 6,25 x 1018e-

Fig. 9 Relación carga del electrón - Coulomb

Prefijo Nombre valor

P pico 10-12

N nano 10-9

μ micro 10-6

m mili 10-3

Fig. 11 Prefijos

Dos cargas puntuales “q1” y “q2 “ ubicadas a una distancia “d” se atraen o se repelen con una fuerza cuyo módulo se calcula :

|F|=Kq1 q2

d2

F = N (Newton) q = C (Coulomb)

d = m (Metro)

K = 2,0 x10-7 N m2

c2

Las fuerzas que actúan sobre q1 y q2 tienen siempre igual modulo, igual dirección y

sentidos opuestos.

Forman un par de fuerzas de acción y reacción (Tercera Ley de Newton) Las unidades en el S.I. de las magnitudes involucradas en esta

Ecuación pueden verse en la figura 13. Si las cargas se encuentran en el vacío y se utilizan unidades del S.I., “K” es constante y su valor es K = 9,0 x 10 9 N m2

c❑c2

Para calcular el módulo de la fuerza no se toman en cuenta los signos de las cargas y se utilizan sus valores absolutos.

Ejemplo 1La carga eléctrica de la partícula de la izquierda (fig. 14) es q1 = 2,0μC (2,0 x 10-6C) y al encontrarse a 30cm de q2 experimenta una fuerza eléctrica cuyo módulo es 0,60 N.a) ¿Cuál es el signo de q2?

El signo de q2 es negativo, porque en la figura 14 vemos que atrae a q1 cuyo signo es positivo.

b) ¿Cuál es el valor de q2?

Calculamos q2 despejando de la ecuación de la Ley de Coulomb: F d2

q2 K=q2

Aplicando raíz cuadrada se tiene:q=√ F d2

q2 K

Si sustituimos los datos del encabezado del problema y además convertimos algunos de los datos a las unidades pertinentes se tiene:q1=2.0μC= 2.0 x 10-6Cd= 30 cm = 0.30 m

q=√ (0.60 N ) (0.30 m )2

( 2 X 10−6C )2(9 X 109 N m2

c2 ) =

Dos cargas puntuales “q1” y “q2 “ ubicadas a una distancia “d” se atraen o se repelen con una fuerza cuyo módulo se calcula :

|F|=Kq1 q2

d2

F = N (Newton) q = C (Coulomb)

d = m (Metro)

K = 2,0 x10-7 N m2

c2

Fig. 14 Ejemplo1

q2 =- 3.0 x 10-6C

c) ¿Cuál será el módulo de la fuerza eléctrica si la distancia se reduce a la mitad?Como la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, es de esperar que al disminuir la distancia a la mitad la fuerza aumente 4 veces (22) y su nuevo valor sea: F = 4 x 0,60N F = 2,4N (fig. 15)

Ejemplo 2Dada la distribución de cargas puntuales de la figura 16, determina la fuerza total sobre la carga q3. Datos q1 = 4.0μC, q2 = 1.0μC, q3 = -3.0μC

Sobre q2 actúan dos fuerzas eléctricas, una en su Interacción con q1 que llamaremos F⃗12 y la que le ejerce q3

Indicada como F⃗32

Para determinar la fuerza neta, debemos calcular. Cada Una por Separado, representarlas y luego hallar la resultante sumandoVectorialmente ambas sumando vectorialmente ambas fuerzas.Calculamos las fuerzas aplicando la ecuación de la Ley de Coulomb:

F=Kq1 q2

d2

Transformando unidades de carga se tiene:q1 = 4.0 X 10-6 C; q2 = 1.0 X 10-6 C, q3 = -3.0 X 10-6 C

F12=9 X 109 N m2

c2 (4.0 X 10−6C ) (1.0 X 10−6 C )

0.32 m2 =0.4 N

Puedes corroborar este resultado utilizando la ecuación de la Ley de Coulomb, tomando como distancia entre las cargas d = 0,15m

(fig. 15)

(fig. 16)

que llamaremos F12 y la que le ejerce q3indicada como F32.Para determinar la fuerza neta, debemos calcular cada una porseparado, representarlas y luego hallar la resultante sumandovectorialmente ambas fuerzas2

que llamaremos F12 y la que le ejerce q3indicada como F32.Para determinar la fuerza neta, debemos calcular cada una porseparado, representarlas y luego hallar la resultante sumando

vectorialmente ambas fuerzas2