Con
el estudio de la electrostática se da inicio a la búsqueda del conocimiento que
nos permitirá comprender algunos fenómenos eléctricos. La electrostática es el
punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control
por parte del hombre y, por cierto, es la base de numerosas aplicaciones
científicas y tecnológicas.
¿Qué es la
electrostática?
La electrostática es la rama de la física que
estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia
de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo,
sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son
despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la
propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos
aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
Podríamos decir que es el área de la física que se encarga de estudiar fenómenos
asociados a cargas eléctricas en reposo.
¿Qué entenderemos como carga eléctrica?
Ya desde la
antigüedad se sabía que al frotar objetos se obtenía como consecuencia la
propiedad que adquirían para atraer pequeñas partículas. Posteriormente se
descubre que dos objetos de la misma naturaleza frotados por un mismo objeto se
repelen entre sí, por ejemplo dos barras de caucho frotadas con un paño; al
acercar entre sí las barras estas se repelen. También se descubrió que dos
materiales distintos al ser frotados por un mismo objeto tiene la propiedad de atraerse,
por ejemplo una barra de caucho y una de vidrio frotadas por un paño; al
acercarse entre sí éstas se atraen. Bueno, entonces se dijo que unos tenían
carga eléctrica de un tipo y los otros de otro tipo.
Posteriormente
fue Benjamín Franklin quien les asignó los nombres de cargas positivas y cargas
negativas.
¿Cuándo un cuerpo está cargado eléctricamente?
Veamos: Un
cuerpo cualquiera está formado por moléculas y éstas están formadas por átomos.
Los átomos poseen, básicamente, tres tipos de partículas: electrones, protones
y neutrones. Se ha descubierto que los electrones y los protones tienen propiedades
eléctricas mientras que los neutrones no la poseen. A los electrones se les
asignó la propiedad de tener carga negativa y a los protones carga positiva. Se
dice, entonces, que un cuerpo está cargado
negativamente si tiene un exceso de electrones y está cargado positivamente si tiene una ausencia de
electrones, es decir, si tiene más protones que electrones.
¿Cómo se puede producir el hecho de que a un cuerpo
le “sobren” o le “falten” electrones?
Para
entender esto tenemos que comprender la dinámica de los átomos y al respecto
diremos, por ahora, que lo más probable es que al tomar un cuerpo cualquiera
éste no posea carga eléctrica, pero esto no significa que no tenga electrones
ni protones, no!, sigue teniéndolos pero de ambos tiene la misma cantidad. Se
puede deducir, entonces, que la carga negativa de un electrón se anula con la
carga positiva de un protón. Por lo tanto, al tener un cuerpo la misma cantidad
de electrones que protones, eléctricamente se dice que está neutro o que está
sin carga.
Bien, ocurre
si asumimos que un átomo tiene una forma parecida a nuestro Sistema Solar, es decir:
alrededor de un cuerpo central hay otros que están girando a su alrededor. En
el caso del átomo, visto de ésta manera, el cuerpo central se denomina núcleo y
en éste están los protones y los neutrones, férreamente unidos, y los cuerpos
que giran alrededor del núcleo son los electrones, ocupando – ellos – órbitas
distintas.
Los
electrones por sus posiciones orbitales tienen cierta cantidad de energía que
los liga al núcleo.
A los que
están más cerca del núcleo los une una mayor cantidad de energía y los que
están enórbitas más lejanas tienen una menor energía que los liga al
átomo.
El electrón
que ocupa la última órbita, debido a su menor energía que lo liga al núcleo, puede
- con facilidad - “escaparse” de su órbita e ir en camino a “buscar” una órbita
que dejó libre otro electrón en otro átomo. Es normal que ocurra esto en todo
cuerpo, esté o no cargado eléctricamente.
A los
electrones que están en viaje entre átomo y átomo les llamaremos electrones
libres.
Algunas propiedades de un
cuerpo cargado eléctricamente.
- Un aspecto
que es interesante es en relación a la cantidad de carga que puede recibir un
cuerpo. Se ha descubierto que solo puede recibir cantidades determinadas por números
enteros de electrones, que es la unidad de carga eléctrica. Un cuerpo no puede,
por ejemplo, tener una parte decimal de electrones pues estos no se pueden
dividir. Respecto a esto un científico diría que la carga está cuantizada. Esto
fue descubierto por Robert Millikan en 1909.
- Ya se ha mencionado anteriormente que cargas del
mismo tipo se repelen y de distinto tipo se atraen. Esta atracción o repulsión
entre cuerpos cargados eléctricamente permite la introducción de la existencia
de fuerzas eléctricas, que serían de atracción o de repulsión.
- Alrededor de un cuerpo o
partícula cargada eléctricamente se forma una zona en donde otro cuerpo o partícula
cargada eléctricamente va a ser atraída o repelida por la primera, a esta zona
se le llama campo eléctrico.
-
Por último, y no por que sea menos importante, mencionaremos que la cantidad de
carga eléctrica se conserva. Es decir, si consideramos las cargas eléctricas de
todos los cuerpos, la suma total de la cantidad de carga se mantiene constante.
Se verifica, entonces, que si un cuerpo “pierde” carga eléctrica hay otro u otros
que la están “ganando” para sí.
Procesos de electrización:
Se trata de
procedimiento que permite que un cuerpo que se encuentra neutro eléctricamente
adquiera carga eléctrica de algún tipo.
Trataremos
tres procedimientos, a saber: por fricción, por contacto y por inducción.
Un cuerpo
que se carga eléctricamente, por algún mecanismo, se dice que adquiere carga
electrostática.
Por fricción:
Para cargar
un cuerpo neutro por el método de fricción se necesitan dos cuerpos neutros
eléctricamente. Si no hay seguridad de que lo estén deberán conectarse,
brevemente, a tierra.
Una vez que
se tiene la seguridad de contar con dos cuerpos neutros eléctricamente se ponen
en contacto y se friccionan entre sí.
Ocurre que a
nivel superficial de ambos cuerpos se produce un traspaso de electrones de uno
a otro cuerpo. Aquel que reciba más electrones quedará cargado negativamente y
el otro, que cedió más electrones, quedará cargado positivamente.
La
electrización por fricción ocurre con más frecuencia de la que imaginamos.
Por ejemplo,
un vehículo cuando está en movimiento está en constante fricción con el aire,
además que sus mecanismos móviles también lo están, en consecuencia al cabo de
un tiempo el vehículo se cargará eléctricamente. Seguramente más de alguna vez
te habrá ocurrido que al tocar el borde de la puerta de un automóvil “te ha
dado la corriente”, en este caso lo que ha sucedido es que la carga electrostática
que acumuló el automóvil durante su movimiento se ha descargado a través de ti
hacia tierra. De igual forma entre los artefactos que hay en una casa, muchos
de ellos se cargan eléctricamente mientras están en funcionamiento, no se trata
– como algunos piensan – que la corriente de la instalación eléctrica domiciliaria
sea la que recibe quien los llegue a tocar y sienta una descarga eléctrica, se
trata de la carga eléctrica que acumuló por su funcionamiento.
Es necesario
poner mucho cuidado con este tipo de carga pues, a veces, un cuerpo o artefacto
aparentemente inocente posee gran cantidad de carga eléctrica y si lo tocamos
con nuestras manos va a pasar a tierra a través de nuestro cuerpo.
Por contacto:
Aquí
necesitamos un cuerpo previamente cargado, por ejemplo negativamente, y otro
neutro. Ya sabemos que hacer para asegurarnos de que esté neutro.
El
procedimiento es muy simple: basta ponerlos en contacto, que se toquen entre
sí.
Lo que
sucede es que mientras dure el contacto la carga total que existe entre ambos
cuerpos tiene a dividirse proporcionalmente según las capacidades que tiene
cada uno de ellos para poseer carga eléctrica, consecuencia de esto es que el
cuerpo que está cargado (negativamente se dijo) le traspasa, a nivel
superficial, parte de sus electrones que tenía en exceso al que estaba
neutro.
De
esta forma el que estaba neutro quedará cargado negativamente y el que estaba
cargado previamente seguirá cargado, pero con menor carga que la que tenía.
Al
final del proceso ambos cuerpos quedan cargados negativamente y, nuevamente, se
tiene que la carga total del conjunto de los dos cuerpos se mantiene constante.
Describe el proceso de electrización por contacto si el cuerpo
inicialmente cargado hubiera estado cargado en forma positiva.
Por inducción o por
influencia:
Igual que el método anterior, necesitamos un cuerpo neutro eléctricamente
y otro cargado. Supongamos que el cuerpo cargado tiene carga positiva.
Acercamos
los cuerpos sin que haya contacto.
Veremos
que en el cuerpo neutro se produce una polarización, donde el cuerpo cargado positivamente
atrae a la carga negativa del que está neutro.
Posteriormente
hacemos contacto a tierra en el cuerpo neutro.
Para que
se produzca un equilibrio entre los extremos cercanos y polarizados, suben
electrones de tierra hacia el cuerpo neutro a través de la conexión a tierra.
Luego se
desconecta la conexión a tierra y se separan los cuerpos.
Se
observará que el cuerpo neutro quedará
cargado negativamente y el que estaba positivo continua así.
Electroscopio:
Está
compuesto por una pequeña esferilla metálica, una varilla metálica y dos
laminillas metálicas. Se une en un extremo de la varilla la esferilla metálica
y en el otro extremo las dos laminillas
de forma que cuelguen verticalmente. El sistema se instala en un bulbo de
vidrio con aire seco en su interior.
Su
forma es la que se muestra:
Para
saber si un cuerpo está cargado o no, el procedimiento es el siguiente:
-
Nos aseguramos que el electroscopio esté neutro eléctricamente, para ello
hacemos que la esferilla metálica tenga contacto con tierra. Las laminillas
deberán quedar verticales y paralelas.
-
Acercamos el cuerpo del que deseamos saber si tiene carga eléctrica a la
esferilla.
-
Si el cuerpo está cargado eléctricamente (supongamos que está negativo) las laminillas
metálicas se separarán. La razón es que al acercar el cuerpo cargado se
produce
una polarización en la carga del electroscopio yéndose carga de un tipo (positiva
en nuestro caso) a la esferilla y la del otro tipo (negativa en nuestro caso) a
las laminillas y como ambas quedarán con el mismo tipo de carga, entonces se separarán.
-
Si el cuerpo no está cargado eléctricamente, las laminillas del electroscopio
no se moverán de su posición.
Descarga
eléctrica.
La
naturaleza, de vez en cuando, particularmente en la zona centro sur de nuestro
país, nos brinda un espectáculo formidable. En épocas de invierno, especialmente,
se producen tempestades eléctricas y se ve surcar los cielos oscuros
impresionantes relámpagos.
Esos
fenómenos que no son más que descargas eléctricas que se producen por
saturación de cargas en las nubes, se dirigen a tierra y si nos fijáramos donde
caen, veríamos que preferentemente lo hacen en picachos
o
puntas sobresalientes en alguna zona de campo o de ciudad.
Si
vemos el lugar donde se produce la “chispa” en un encendedor eléctrico veremos
que ahí también se produce una descarga eléctrica y específicamente se dirige a
una punta.
.
Las descargas eléctricas, si se producen, se realizan desde o hacia una punta o
borde.
Por
esta razón sentimos que nos da la corriente, si ocurre, cuando tocamos un borde
de un artefacto que funciona con motor. Producto de la fricción que hay en las
piezas del motor el artefacto adquiere carga electrostática y al tocarla hacemos
conexión (puente) entre el artefacto y tierra, produciéndose una descarga que
viene del borde del artefacto a nuestro cuerpo.
Por
esta misma razón, los pararrayos son aparatos metálicos en forma de punta que
se colocan sobre los edificios. Esto es más común en países donde ocurren Con más
frecuencia las tempestades eléctricas.
Una
descarga eléctrica dura hasta que el cuerpo desde donde se produce la descarga
queda en equilibrio electrostático, es decir se neutraliza eléctricamente.
Atracción y repulsión de
cargas.
Se
mencionó entre las propiedades de las cargas que cuando se aproximan dos cargas
del mismo tipo éstas se repelen y si son de distinto tipo éstas se atraen.
Bueno,
la atracción o repulsión que pueden experimentar se manifiesta con una fuerza
atractiva o repulsiva según sea el caso.
Charles
Coulomb en 1785 descubrió la fuerza de interacción entre cargas eléctricas y
encontró que la magnitud de ella es directamente proporcional al producto de
las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Es decir, dos cargas se atraen o repelen con mayor intensidad si se encuentran
más próximas entre sí, al contrario, si se alejan la fuerza que existe entre
ellas disminuye.
En homenaje a
Coulomb, por su importante descubrimiento, es que la unidad de carga eléctrica
lleva su nombre.
EXPERIMENTO I
“ELECTROIMAN”
mateirales:
*cable para
embobinar
*un metal
donde embobinar
*placa de
soporte
*una pila de
6 volts
procedimiento:
1.- embobinar
el metal para poder crear el electroiman
2.-colocar el
embobinado en la placa de soporte
3.-sacar dos
puntas del cable embobinado para conectar ala bateria
4.- conectar
ala bateria la bobina
5.- esperar
aque se caliente la bobina
5.- colocar
pequeños metales alrrededor
6.-observar
como los atrae
 |
CONECCION DE LA
BATERIA ALA BOBINA
|
 |
| BOBINA |
 |
CABLE PARA
EMBOBINAR
|
Al conectar la bateria con el material se pudo observar como los pequeños metales en este caso (clips) se atraian asia la bobina en una distancia de 1cm de distancia con un peso aproximado del clip de .5gr
preguntas:
¿Qué es un electroimán?
un electroimán
es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de
una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.
¿Cómo funciona el electroimán?
la función de
un electroimán, es justamente, lo que señala su nombre. un electroimán, es un
imán, que funciona como tal en la medida que pase corriente por su bobina.
dejan de magnetizar, al momento en que se corta la corriente. un electroimán,
es compuesto en su interior, por un núcleo de hierro. núcleo al cual, se le ha
incorporado un hilo conductor, recubierto de material aislante, tal como la
seda o el barniz. hilo que tiene que ir enrollado en el núcleo, para que el
electroimán funcione. otra manera de hacer funcionar un electroimán, es de la
manera contraria. cesando el paso de la corriente, por su núcleo. esto sucede,
cuando un electroimán, cuenta con un núcleo de acero. con lo cual, queda
funcionando al igual, que un imán corriente.
Menciona algunas formulas para poder
utilizarlas en un electroimán
donde:
f es la fuerza en newtons;
b es el campo magnético en teslas;
a es el área de las caras de los polos en
m²;
\mu_o es la permeabilidad magnética del
espacio libre.
¿Quién invento el electroimán?
el
electroimán fue desarrollado por el inglés, william sturgeon, el 1823. el cual,
junto con otros personajes de la época, lograron desarrollar varios adelantos
en el campo de la electricidad en el siglo xix.
EXPERIMENTO II
“ELECTROESTATICA”
materiales:
1.-tela
sintetica
2.-tela de
poliester
3.-lana
4.-globo
5.-una lata
de refresco
preocedimiento:
1.-inflar un
globo y tener listo las telas para poder frotarlas
2.- colocar
la lata en una posicion horiziontal en una superficie lisa
4.- comenzar
a frotar el globo en la tela poliester
5.- acercarlo
ala lata y observar como lo atrae
6.-frotar el
globo en la lana
7.-observar como
atrae la lata
8.-frotar el
globo en la tela sintetica
9.-observar
que ocurre
 |
| Globo |
 |
| Lata de Refresco |
 |
| Lana |
 |
| Tela sintetica |
pudimos
observar como con las telas de lana y poliester hubo reaccion electroestatica
al arercalo ala lata , la lata seguia al
glofo por la electro estatica y la fuerza cargada en el globo.
preguntas:
¿que es
elctroestatica?
la
electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se
producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir,
el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas
puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a
otras dimensiones del problema. la carga eléctrica es la propiedad de la
materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en
forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
¿cuales son
las cargas que se pueden notar?
carga
inducida
la carga
inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de
la superficie de un segundo objeto. esto crea una región en el segundo objeto
que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los
objetos. por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a
la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas
opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida pues los
electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones
que ha ganado el globo al frotarse; se crea así por inducción electrostática
una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie
negativa del globo).
carga por
fricción
en la carga
por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción
aumenta el contacto de un material con el otro. los electrones más internos de
un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más
externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con
facilidad. la fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia
de una sustancia a otra. por ejemplo los electrones son retenidos con mayor
fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un
tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina.
por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se
carga negativamente. a su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de
electrones y adquiere una carga positiva. los átomos con deficiencia de
electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen
carga negativa), su carga neta resulta positiva.
carga por
inducción
se puede
cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento
a él de una varilla de material aislante, cargada. considérese una esfera
conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. al acercarle la varilla
cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la
superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado,
el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga
positiva. la esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de
atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la
de repulsión entre el lado lejano y la varilla. vemos que tiene una fuerza
eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero.
la carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede
presentarse en todos los materiales
¿ cual es la
formula de la ley de coulomb?
¿ que
establece la ley de guaus?
la ley de
gauss establece que el flujo eléctrico total a través de una superficie cerrada
es proporcional a la carga eléctrica total encerrada dentro de la superficie.
la constante de proporcionalidad es la permitividad del vacío.
matemáticamente,
la ley de gauss toma la forma de una ecuación integral:
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