FISICA II
UNIDAD II ELECTROSTÁTICA
I. Carga eléctrica
II. III. Ley de coulomb
IV. Campo eléctrico
V.
Carga eléctrICA
Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas.
La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la Interacción electromagnética.
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por definición, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria ±1/3 o ±2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza.[1]
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C). Se define como:
la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente es de 1 amperio y se corresponde con la carga de 6.24x1018electronesaproximadamente.
Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX que estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833 y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.
Carga eléctrica elemental
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuan tizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1.6 x 10-19 coulombios y es
conocida como carga elemental. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en ausencia.[4]
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de
Un culombio corresponde a 6,24 × 1018 electrones.[5] El valor de la carga del
electrón fue determinado entre 1910 y 1917 por Robert Andrews Millikan y en la actualidad su valor en el Sistema Internacional de acuerdo con la última lista de constantes del CODATA publicada es:[6]
AISLANTES Y CONDUCTORES Los materiales se comportan de forma diferente a la hora de adquirir una carga eléctrica. Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. El flujo total de corriente eléctrica, es impedido por un elemento llamado aislante, así mismo, El flujo de corriente eléctrica es permitido por un dispositivo especial al que se le denomina conductor. Aislante Existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos Se define como: Elemento que impide totalmente el flujo de corriente eléctrica. Existen diferentes materiales a los que se les considera aislante ideal, aunque no al cien por ciento, ejemplo de algunos son: el vidrio, la ebonita el plástico, la madera seca, el cartón, entre otros. Cuando algo impide el flujo de corriente este se duplica. Conductor Las cargas se pueden mover por los electrones libres, pues son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Y se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores. Se define como: Dispositivo que permite totalmente el flujo de corriente eléctrica. Un dispositivo es conductor cuando sus electrones están dispersos, pues el flujo de corriente pasa por el espacio que existe entre los electrones. El agua es un conductor por excelencia, aunque no en un cien por ciento, también el cuerpo humano. También existen materiales como son los metales a los que se les considera semiconductores pues tienen la facilidad de conducir y ser aislante. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras se alteran mediante la adición de una minúscula cantidad de sustancias dopantes, consiguiendo que el material semiconductor tenga las propiedades conductoras necesarias con la aplicación de un cierto potencial eléctrico. Ley de coulomb La ecuación fundamental de la electrostática es la ley de Coulomb, que describe la fuerza entre dos cargas puntuales Q1 y Q2. Dentro de un medio homogéneo como es el aire, la relación se expresa como:
donde F es la fuerza, Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las cargas de signo opuesto se atraen entre sí. La fuerza es proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. La acción a distancia se efectúa por medio del campo eléctrico existente en el punto en el cual está situado cada carga. Enunciado de la ley El enunciado que describe la ley de Coulomb es el siguiente: "La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa." Esta ley es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación, el movimiento se realiza a velocidades bajas y trayectorias rectilíneas uniformes. Se le llama a esta Fuerza Electrostática. La parte Electro proviene de qué se trata de fuerzas eléctricas y estática debido a la ausencia de movimiento de las cargas. En términos matemáticos, la magnitud
Dadas dos cargas puntuales
Campo eléctrico
El campo eléctrico se define como:
Donde "E" es el mencionado campo eléctrico, que es, por tanto una magnitud vectorial. Esta definición indica que el campo no es directamente medible, sino a través de la medición de la fuerza actuante sobre alguna carga.
La idea de campo eléctrico fue propuesta por Michael Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832.
El campo eléctrico va a depender de la superficie en cuestión que genera dicho campo y del estado de movimiento del observador respecto a las cargas que generan el campo.
Si
Líneas de campo Son líneas perpendiculares a la superficie del cuerpo, de manera que su tangente en un punto coincide con la dirección del campo en ese punto. A mayor concentración de líneas, mayor módulo. En el ejemplo de la moneda, el campo es mayor en las cercanías de esta y disminuye a medida que nos alejamos de ella.
Energía del campo El campo almacena y mueve energía. La densidad volumétrica de energía de un campo eléctrico está dada por la expresión siguiente:
Por lo que la energía total en un volumen está dada por:
Supongamos, que solamente está presente la carga Q, después de haber retirado la carga q del punto P. Se dice que la carga Q crea un campo eléctrico en el punto P. Al volver a poner la carga q en el punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo eléctrico creado por la carga Q.
El punto P puede ser cualquiera del espacio que rodea a la carga Q. Cada punto P del espacio que rodea a la carga Q tiene una nueva propiedad, que se denomina campo eléctrico E que describiremos mediante una magnitud vectorial, que se define como la fuerza sobre la unidad de carga positiva imaginariamente situada en el punto P.
Capacitancia
La capacidad o capacitancia es una propi
