ElectroestáticaCarga eléctrica

Si frotamos una barra de plástico con piel y otra con seda y las aproximamos estas se aterran. Si frotamos ambas con piel o ambas con seda se repelerán. Esto se debe a que las barras se cargan eléctricamente.

Las cargas tienen su origen a nivel atómico. Al rozar un material con el otro se genera un exceso o defecto de electrones en la barra. Si hay un exceso de electrones, al tener estos una carga negativa, el material se cargara negativamente. Si hay defecto, habrá más protones que electrones por lo que la carga neta en el material será positiva.

El valor de carga del electrón es igual a la del protón pero de signo opuesto. Este valor de carga es la más pequeña posible por lo que recibe el nombre de unidad de carga fundamental y es de 1,6 x 10-19 Coulomb. De aquí que cualquier cuerpo cargado debe tener una carga que sea un múltiplo entero de este valor.

CAMPO ELECTRICO¿Que hace que las cargas se atraigan o se repelan aun cuando se encuentran separada a una cierta distancia? El campo eléctrico. Este es una especie de campo de fuerza invisible al que solo reaccionan las cargas eléctricas. De esta forma, si ubicamos una carga eléctrica en algún lugar del espacio y sobre esta aparece una fuerza es porque en ese lugar hay un campo eléctrico. El valor de esa fuerza se puede determinar con la siguiente ecuación:

F=E .qSiendo F la fuerza, E el campo y q la carga eléctrica.Para representar el campo eléctrico usamos líneas de campo. Estas muestran la dirección del campo y se definen dibujando la trayectoria que seguiría una carga de prueba (una carga positiva tan pequeña que no altera al campo) al colocarla en dicho campo.

El campo eléctrico es generado por las propias cargas y dada la dirección que sigue la carga de prueba y como quedan así definidas las líneas de campo, se dice que estas “nacen” en las cargas positivas y “mueren” en las negativas.

LEY DE COULOMB

Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.

Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos.

La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario".

Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:

a) cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática);

Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección y sentido.

b) las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, pero de sentido contrario.

En términos matemáticos, esta ley se refiere a la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia r y se expresa en forma de ecuación como:

k es una constante conocida como constante Coulomb y las barras denotan valor absoluto.

F es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (en función de que las cargas sean positivas o negativas).

- Si las cargas son de signo opuesto (+ y –), la fuerza "F" será negativa, lo que indica atracción

- Si las cargas son del mismo signo (– y – ó + y +), la fuerza "F" será positiva, lo que indica repulsión.

En el gráfico vemos que, independiente del signo que ellas posean, las fuerzas se ejercen siempre en la misma dirección (paralela a la línea que representa r), tienen siempre igual módulo o valor (q1 x q2 = q2 x q1) y siempre se ejercen en sentido contrario entre ellas.

Potencial eléctrico

Cuando estudiamos la energía potencial vimos que para levantar un cuerpo debíamos realizar un trabajo, entregándole a éste energía. Cuando soltábamos el cuerpo, éste caía libremente devolviéndonos esa energía. Podemos aplicar la misma idea para dos partículas de cargas eléctricas opuestas

Si las cargas son del mismo signo, debo entregarles energía para juntarlas y me la devuelven al separarse. Cuando se separan dos cargas opuestas, o cuando se juntan dos cargas iguales, aumenta la energía potencial eléctrica del sistema ( Epe). Esta energía se define como el trabajo que se debe realizar para efectuar la separación o la aproximación de las cargas.

Ahora, si ponemos una carga positiva q dentro de un campo eléctrico E , esta se alejara hasta los límites del campo(el infinito) empujada por la fuerza F=q.E . El trabajo que se debe realizar para traer esa carga desde el infinito hasta algún punto dentro del campo E es el potencial electico de la carga en dicho punto. Dado que la fuerza que debo aplicar sobre la carga para moverla depende del valor de la carga, el trabajo que debo realizar sobre ella también dependerá del valor de la carga. Por lo tanto, si duplico el valor de la carga, el trabajo que debo realizar para moverla la misma distancia también será el doble. En analogía con la energía potencial gravitatoria, si levantamos dos cuerpos a la misma altura y uno tiene el doble de masa que el otro, este tendrá el doble de energía potencia.

Para tener un valor que no dependa de que tan grande o que tan pequeña sea la carga, se divide la energía potencial (Epe¿ de dicha carga dentro del campo por su valor de carga (q). Definimos así el potencial eléctrico (V)

V=Epeq

De esta manera, el potencial eléctrico (V) no depende de la carga sino de la ubicación donde se encuentre ésta dentro del campo eléctrico. Por ello se dice que el potencial eléctrico es una propiedad del punto en el espacio.