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Campo eléctrico AP05

Contenido: Campo eléctrico. Antecedentes históricos de la electricidad. Carga eléctrica. Ley de Coulomb. ¿Qué es la carga eléctrica?

Campo eléctrico

Antecedentes históricos de la electricidad

Llamamos interacción electrostática es 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:

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.

Ley de Coulomb: fuerza entre dos cargas eléctricasNegativo (-) 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 Constante dieléctrica del vacío

ε' constante dieléctrica relativa al medio. En el vacio (aire) ε' = 1. Adimensional

Por tanto Fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas = Fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas Fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas

Fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas Si estamos en el vacío (aire) Ley de Coulomb: fuerza entre dos cargas eléctricas en el vacio

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:

AnalogíasDiferencias
  • Su expresión es análoga.
  • Describen fuerzas que son proporcionales a la magnitud física que interacciona; la masa en las fuerzas gravitatorias, la carga en las eléctricas
  • En ambas leyes, las fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia
  • Tanto las fuerzas gravitatorias como las eléctricas son fuerzas centrales, es decir, actúan en la dirección de la recta que une las masas o las cargas, respectivamente
  • La fuerza gravitatoria está asociada a la masa; la fuerza eléctrica, a la carga
  • La fuerza gravitatoria es de atracción (solo hay un tipo de masa); la fuerza eléctrica puede ser de atracción o de repulsión (hay dos tipos de cargas)
  • El valor de la constante G no depende del madio; el valor de la constante k depende del medio en el que estén las cargas
  • El valor de G es muy pequeño frente a k; la interacción gravitatoria es mucho más débil que la eléctrica

Ver ejemplo n° 1

Ver ejemplo n° 2

Ejemplo n° 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
Aplicación de la ley de Coulomb
tg α = Fe/P
Fe = P·tg α = m·g·tg α
sen α = (r/2)/l
r = 2·l·sen α = 2·sen 5

Cálculo de las cargas aplicando la ley de Coulomb

No puede saberse si son positivas o negativas porque se comportan de la misma manera.

• Fuente:

http://www.freewebs.com/fisicamontpe/

Física de 2° de Bachillerato - Colegio Montpellier

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)

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