LA FUERZA ELÉCTRICA
En algún momento hemos enfrentado situaciones que al afrontar en una superficie de plástico con alguna tela de fibra natural se observan alguna chispas de tela o como hemos podido pegar un globo o una pared frotando en el cabello estos son ejemplos del fenómeno de electrificación o "cargar" electricamente un objeto.
La rama de la física encargada del estudio de estos fenómenos que es electrostática y uno de sus principios fundamentales es el que dice que cargas eléctricas de signos iguales se alejan y cargas de signo distinto se atraen.
EL ELECTRÓN
La teórica atómica moderna sostiene todas las sustancias están constituidas por átomos. Cada átomo tiene un núcleo central cargado positivamente y esta rodeado por un núcleo de electrones cargados negativamente.
Cuando 2 materiales se ponen en contacto, es común que si los electrones de uno de ellos se encuentran unidos débilmente estos se transfieren de un material a otro. Por ejemplo si frotamos una barra de acrílico sobre una piel de conejo, se transfieren en electrones desde la piel a la barra de acrílico, de tal forma que la barra ahora tiene un exceso de electrones en su superficie y decimos que la piel queda con una falta de electrones.
Un objeto que tenga exceso de electrones decimos que queda cargado negativamente y aquel que tiene carencia de electrones queda cargado positiva mente.
AISLADORES Y CONDUCTORES
Algunos materiales específicamente los metales tienen un gran numero de electrones libres, los cuales pueden moverse por todo el material. Estos tienen la capacidad de transferir electrones de un objeto a otro y se llaman conductores.
La mayor parte de los metales son buenos conductores, a diferencia de los metales como el plástico, el azufre la madera, el aire fresco o el hule que resultan malos conductores de la electricidad que reciben el nombre de aisladores.
Conductor: Material por el cual es posible trasladar cargas fácilmente.
Aislador: Material que se resiste de manera natural al paso de las cargas.
LEY DE COULOMB
La primera investigación teórica de las fuerzas eléctricas de los cuerpos cargados fue efectuada por Charles Agustín de Coulomb en 1784. Coulomb determino que la fuerza de atracción y repulsión entre dos objetos cargados es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separan y directamente proporcional al producto de la magnitud de la carga contenida en cada cuerpo.
A partir de dichos análisis este se define a la ley de Coulomb que dice lo siguiente: "La fuerza de atracción o repulsión entre 2 cargas puntuales es directamente proporcional al producto de sus magnitudes es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa".
de este enunciado obtenemos la siguiente expresión:
F=(Kq1,Kq2)/r2
F= Fuerza de interacción entre 2 cargas.
K= ETE de proporcionalidad.
q1, q2= Cargas puntuales.
r= Distancia de separación.
K= 9x〖10〗^9 [N.m2/c2]
En el sistema internacional en la unidad utilizada para la carga eléctrica es el coulomb [C] y se define como la cantidad de carga que se transfiere a través de la sección transversal de un conductor en un segundo manteniendo una corriente constante de un Ampare.
EL CAMPO ELÉCTRICO
Normalmente se utilizan las leyes de Newton para analizar las consecuencias de las fuerzas de contacto entre 2 cuerpos.
Sin embargo existen muchos otros casos como el de los planetas que giran continuamente a través del espacio que rodea al sol sin que haya ningún elemento que los mantenga unido a el, lo mismo ocurre con los electrones que giran sus órbitas alrededor del núcleo atómico.
Por lo anterior es necesario desarrollar leyes que permitan predecir la magnitud y dirección de las fuerzas que no se transmiten por contacto. Dos ejemplos de estas leyes son las siguientes
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| LEY DE COULOMB |
La ley de Newton que dice la fuerza mutua que existe entre 2 masas separadas con una distancia r, mientras que la ley de Coulomb trata sobre la fuerza de atracción o repulsión entre 2 cargas puntuales separados por una distancia r.
ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA
Es el trabajo necesario que realiza un agente externo para atraer las cargas
eléctricas una a una desde el infinito
K q Q
EP = ---------
r
EP = Energía potencial en, J
K = Constante dieléctrica= 9 x 109C2/ Nm2
q y Q = Cargas eléctricas en, C
r = Distancia entre las cargas en, m
Siempre que una carga positiva se mueve en contra del campo eléctrico, la energía
potencial aumenta, cuando es una carga negativa disminuye. Sin embargo, el trabajo
siempre es el mismo que la energía potencial.
W = KqQ
r
La energía potencial se almacena cuando dos cargas eléctricas con signo contrario se
alejan y/o cuando dos cargas del mismo signo se acercan. Se pierde cuando dos
cargas de signo contrario se acercan y/o cuando dos cargas del mismo signo se alejan
- Determinar la energía potencial de una carga de 6 nC localizada a 50 mm de otra carga de 80µC.
q = 6 nC Ep = KqQ = (9x109) (6 x 10-9) (80 x 10-6)
Q = 80 µC r (50 x 10-3)
r = 50 mm
Ep = 86.4 mJ
2.El punto “A” está 40 mm arriba de una carga de -9 µC y el punto de “B” se
localiza 60 mm debajo de la misma carga. Una carga de – 3 nC se traslada desde el
punto “B” hasta el punto “A”. ¿Cuál es el cambio registrado en la energía potencial?
rA = 40 mm EpA= kqQ = (9 x 109) (9 x 10-6) (3 x 10-9)
q = -9 µC rA 40 x 10-3
rB = 60 mm 40 mm
Q = - 3 nC
EpA = 0.07 x 10-3J
EpB = kqQ = (9 x 109) (9 x 10-6) (3 x 10-9)
60 mm rB 60 x10-3
EpB = 4.05 x 10-3J
∆Ep = EpA – EpB = (6.07x 10-3) – (4.05 x 10-3) = 2.02 mJ
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