física,electrostática,

Universidad Andrés Bello Facultad de Ciencias Exactas Dpto. de Ciencias Físicas

Física General

FMF024 2012-S1

CLASE B7-VERSION 002 Página 1 de 8 Mitzy Cortez Arros


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Fuerza Electrostática , Fenómenos de Electrización, Carga Eléctrica

Desde la antigüedad se conoce la propiedad que tienen algunos materiales de atraer o repeler objetos , como plumas o virutas de madera, después de ser frotados rápidamente. Este fenómeno se conoce como electrización y su estudio científico llevaría al descubrimiento de la carga eléctrica.

Carga Eléctrica La carga eléctrica es, junto a la masa, una propiedad fundamental de la materia, que tiene su origen en la estructura atómica. La corteza o envoltura , esta formada por electrones, partículas con carga eléctrica negativa, mientras que el núcleo del átomo esta formado por los protones, partículas con carga positiva del mismo valor absoluto que la carga del electrón y los neutrones que son partículas sin carga eléctrica. En condiciones normales, los cuerpos u objetos son neutros (poseen el mismo numero de protones y electrones), por lo que para entender el fenómeno de la electrización, es necesario conocer y saber que algunos átomos que componen estos objetos tienen la facilidad de desprenderse de sus electrones mas externos adquiriendo los cuerpos carga eléctrica neta. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica (a). Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica . Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente: Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo,(PVC),teflón. El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas por que ambos materiales ocupan posiciones

distintas en la serie triboeléctricai, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales no

conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (entonces, la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

La cantidad de cargas transferidas por el fenómeno de triboelectricidad depende de factores como la calidad del contacto de las superficies que están frotándose por ejemplo, el tamaño del área de contacto, la rapidez con que las superficies se mueven, lubricación y granulación microscópica de las superficies en contacto. .

Aquellos átomos que pierden electrones quedan cargados positivamente denominándose ion positivo y aquellos que ganan, quedan negativamente cargados llamados ion negativo, pero su carga total permanece invariable, cumpliendo lo que se conoce como el principio de conservación de la carga, por lo que la carga no puede ser creada ni destruida.

Lo anterior puede entenderse mejor explicando las tres formas de electrización que son frotación, contacto e inducción.

i llamado así al fenómeno ocurrido cuando dos cuerpos que estando en contacto brevemente, fueron separados violentamente(como por ejemplo al mover

el pie cuando uno camina) entonces algunos electrones permanecerán apegados a los átomos de una u otra superficie (dependiendo de las fuerzas de esta

unión)


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Electrización por frotamiento Para electrizar un objeto por frotación se necesitan primeramente 2 cuerpos neutros, supongamos por ejemplo que frotamos un peine de plástico sobre nuestro cabello (ver figura), se intercambian la energía necesaria para que pase una pequeña fracción de electrones desde el peine al pelo, en el proceso, el cabello se carga positivamente y la peineta negativamente, pues los electrones son sujetados con mas fuerza en el plástico que en el pelo, por lo que este ultimo tiene un exceso de electrones, entonces cuando acercamos el peine a unos trocitos de papel estos son atraídos ( ver el zoom), lo que concluimos que ambos tiene carga de diferente Electrización por contacto Este tipo de electrización ocurre cuando se ponen en contacto dos cuerpos , uno cargado y otro descargado ( ya sea conductor o aislante), al entrar en contacto los objetos , pasa carga eléctrica del objeto cargado al descargado y terminan por repelerse. El cuerpo descargado se electriza con carga del mismo signo que el objeto cargado . Si el objeto

cargado es conductor , la carga se redistribuye por toda la superficie, si es aislante, la carga queda confinada en la zona de contacto. Por contacto un material conductor cargado se descarga rápidamente , independientemente de la zona de contacto. Sin embargo, u material dieléctrico cargado solo se descargado por contacto si este tiene lugar en la zona donde se encuentra confinada la carga, la zona de frotamiento

Electrización por Inducción ( a distancia o por influencia) en materiales conductores. Este fenómeno es un efecto de las fuerzas eléctricas debido a que éstas se ejercen a distancia, ocurre cuando se acerca un objeto cargado (denominado inductor) a un cuerpo conductor descargado (llamado cuerpo inducido), en este ultimo se produce una polarizacion, de modo superficial de electrones, de forma que cargas de distinto signo quedan enfrentadas en el objeto cargado y en el conductor. La siguiente ilustración explica claramente este proceso.


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La separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro. Por inducción solo se electrizan las sustancias conductoras, pues ellas poseen cargas con libertad para desplazarse de un lugar a otro.

Ley de Coulomb

Esta ley nació con el propósito de encontrar una forma de medir y calcular la cantidad de electrones que se pierden o ganan en un proceso de electrización un cuerpo, por lo que posee un exceso de protones (carga positiva) o bien un exceso de electrones ( carga negativa) , por lo que se asocio el valor de la carga de un cuerpo como Q o q , con lo que se concluye que los valores de Q o q estarían expresados por números sumamente grandes, con todo esto se procuró emplear una unidad de carga adecuada, que en el sistema Internacional ( S.I ) la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb, en honor al físico francés llamado Charles Coulomb , quien analizo las fuerzas de interacción entre las cargas puntuales, llamada Ley de Coulomb, que expresaremos un poco más adelante, pero que constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.

Charles A. Coulomb ( 1736 -1806), físico francés investigó las fuerzas eléctricas alrededor del año 1780, utilizando una balanza de torsión muy similar a la CA-VENDISH 1C, significa que perdió o ganó 6.25 x 10

18 electrones, es decir:

Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C significa que perdió o ganó 6.25 x 10

18 electrones en

exceso (si la carga del cuerpo fue negativa) o en defecto (si la carga del cuerpo fue positiva.).

Pero hablamos de fuerza de interacción entre cargas y ¿que es carga eléctrica puntual?, ¿que representa?

Bien, 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.

Los hechos experimentales acumulados hasta esa época, llevaron en 1785 al francés Charles A. de Coulomb (1736-1806) a enunciar la ley que lleva su nombre y que describe la interacción entre cargas eléctricas puntuales estáticas de forma análoga a la ley de gravitación universal que describe la interacción entre masas:

El enunciado de la ley de Coulomb es el siguiente:

La fuerza que ejercen entre si dos cuerpos cargados eléctricamente, es directamente proporcional al producto de sus masas o cargas (Q1 y q2) , e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r) Tal fuerza se aplica en los respectivos centros de la cargas y están dirigidas a largo de las líneas que las une y depende de la naturaleza del medio que les rodea . Se trata de fuerzas que actúan de a pares, sobre cada una de las

partículas cargadas 12F y 21F , forman un par de fuerzas de acción y

reacción, por lo que su dirección es la de la recta que une sus centros, no se anulan y actúan sobre cuerpos distintos y su sentido es de atracción o repulsión dependiendo si las cargas son de distinto o igual


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signo respectivamente.

Lo anterior se expresa matemáticamente:

donde : k = Constante electrostática del vacío cuyo valor es 9x109

[Nm2/C

2] o también, expresado en términos

de la permitividad del vacío ( ε0) como:

04

1

πε

=k siendo ε0 = 8,85 x 10-12

[C2 /

Nm

2] y r

) es el vector

unitario que indica la dirección y el sentido de la fuerza eléctrica.

Esta ley nos dice que si dos cuerpos se atraen con una fuerza F, al alejarlos, sin cambiar su carga, una distancia el doble de la que tenían inicialmente, la magnitud de esta fuerza F, disminuirá a la cuarta parte de F, si se alejan al triple, su fuerza disminuirá a la novena parte de F y así sucesivamente.

De la misma forma, si dos objetos cargados separados una distancia, a uno de ellos se le duplica la carga, y la separación se mantiene, entonces la fuerza aumentara al doble, por lo tanto podemos resumir diciendo que a mayor cantidad de carga de los cuerpos, mayor es la fuerza entre ellos, y que mientras mayor es la distancia que los separa , menor será la fuerza de interacción. Esta fuerza tiene el mismo valor en cada uno de los cuerpos, por lo que un cuerpo con más carga o por ser más grande no ejercerá una fuerza mayor que el otro.

Volviendo a lo anterior, si la fuerza electrostática actúan de a pares, entonces ¿se puede resolver el problema cuando existen varias cargas q1, q2 y q3 que ejercen fuerza sobre otra Q? ¿Cuál es la fuerza neta sobre Q?. Esta situación se resuelve fácilmente calculando la fuerza eléctrica entre q1 y Q, luego q2 y Q y finalmente q3 con Q o sea:

iQ

n

i iQ

in

i

iQN rr

kQqFF

)∑∑

==

==

12

1

(principio de superposición)

Como sabemos, las cargas eléctricas ejercen fuerza a distancia sobre otra carga puntual , pero aun nos salta una duda, ¿ejercerá una fuerza eléctrica en la zona donde ella esta ubicada?

Claro que sí, electriza la zona donde ella se encuentra, se trata de un campo de fuerzas que influye sobre otros cuerpos cargados y masivos ubicados en ese lugar, esto quiere decir que las propiedades de ese espacio que rodea a cualquier cuerpo cargado se alteran de tal manera que otro cuerpo cargado que se introduzca en esa región sentirá la fuerza. La fuerza es eléctrica y el espacio alterado que rodea al cuerpo es su Campo Eléctrico.

Este espacio puede ser medido por medio de su intensidad, considerando la fuerza eléctrica que ejerce la carga generadora del campo y una carga de prueba, que por convención sea siempre positiva y de dimensiones despreciables, de tal forma que no interfiera en dicho campo.

Es importante destacar que la existencia del campo no depende de la carga de prueba, esta solo permite verificar su existencia.

Se puede imaginar que cualquier otro cuerpo cargado interacciona con el campo, y no directamente con el cuerpo cargado que lo produce.

rr

qkQrF

)r

2

21)( =


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Expliquemos esto con las siguientes ilustraciones:

Consideremos una carga positiva Q fija en determinado lugar y colocamos una carga de prueba q0

en P1 a cierta distancia de Q como indica la figura ,entonces se tendrá una fuerza eléctrica F actuando sobre q0

Supongamos ahora que la carga q0 fuese desplazada en torno de Q en cualquiera de los otros ptos P2 , o P3, en cada uno de ellos también actuara sobre q0 una fuerza eléctrica ejercida por Q ( positiva o negativa) que a su vez representa la dirección del campo eléctrico ,

Se trata de un campo vectorial, por lo que posee magnitud, dirección y sentido. La Intensidad de

campo estara dada por:

0q

FE = donde F es la

fuerza que actúa sobre carga de prueba q0 , colocada en un pto donde se quiere obtener el campo. La dirección y el sentido esta determinado por la dirección y sentido de la fuerza que actúa sobre la carga q0. En el caso de una carga puntual, ésta es radial y depende del signo de ella a) si q1 es positiva b) si q1 es negativa

Es posible conseguir una representación grafica de un campo de fuerzas eléctricas, empleando las llamadas líneas de fuerzas. Son líneas imaginarias que describen si los hubiere los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un pto a otro. Estas líneas indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea

de

fuerza en cualquier punto considerado.


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Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une las cargas interactuantes y dirigidas hacia fuera, porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas seria análogo, pero hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debido a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son manantiales y las segundas sumideros de líneas de fuerza. Estas líneas de fuerza poseen algunas características que es importante destacar como: - La densidad de líneas en determinada zona del espacio es proporcional al modulo del campo eléctrico ,

(aquellas donde esten mas juntas el campo eléctrico será mas intenso) - Las líneas de campo no pueden cortarse. De lo contrario en el punto de corte existirían dos vectores campo eléctrico distintos. - El número de líneas que salen de una carga positiva o entran en una carga negativa es proporcional a dicha carga. Todo lo anterior se analizó para el caso en que se tienen dos cargas, una la generadora del campo y la otra la carga que detecta dicho campo, pero ¿que ocurre si existen varias cargas generadoras del campo eléctrico?, ¿como podemos determinar en un pto su intensidad total?

En este caso, al igual que la fuerza eléctrica, ocupamos el principio de

superposición, definido como: i

i

iN

i

T rr

QkrE

)

21

)( ∑=

= , donde : Qi =cargas

generadoras del campo,

k = Constante electrostática del vacío cuyo valor es 9x109

[Nm2/C

2] o

también, expresado en términos de la permitividad del vacío (ε0), r)

es el vector unitario que indica la dirección y el sentido de la fuerza eléctrica,

Esta ecuación representa la forma de encontrar el valor de la intensidad equivalente o total del campo eléctrico en el punto P debido a varias cargas generadoras puntuales. Es importante destacar además que la unidad de medida de la intensidad del campo es Newton/Coulomb (N/C) o Volt/metro (V/m), donde esta ultima unidad se vera en el próximo apunte.


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Aplicaciones de la Electrostática

Otros ejemplos que podemos destacar y quizás poco conocidos son la pintura electrostáticaii, fumigación

electrostáticaiii , entre otras cosas.

Nos invitamos a conocer más sobre este fantástico fenómeno de electrización, a través de las páginas web mencionadas al final de esta página

iipuede averiguar mas sobre el tema en http://www.arlam.com.mx/pintura-electrostatica/, o también en

http://es.wikipedia.org/wiki/Pintura_electrost%C3%A1tica

iii

en la agricultura este tipo de fumigación es bien usado, la siguiente pagina explica en mas detalle esta aplicación

http://www.electrostaticas.com/Manuals/New_What_Growers_Should_Know_Espanol.pdf

física,electrostática,

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