Campo eléctrico

Comúnmente, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción, en términos físicos, de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. En el caso de las cargas eléctricas es posible  posible describir su influencia sobre otras, definiendo el campo eléctrico como la fuerza eléctrica por unidad de carga (positiva). El campo eléctrico (E) que existe en un punto es la fuerza electrostática experimentada por una carga eléctrica colocada en ese punto y dividida entre la misma:

E= F / q0          Ecuación 2

Se aprecia en este ecuación que la intensidad del campo eléctrico es igual a la fuerza que recibe la unidad de carga. en el sistema internacional, la unidad de campo eléctrico es el newton por coulomb (N/C). El campo eléctrico es una vector cuya dirección y sentido son los de la fuerza que se aplica.

Por otra parte, al considerar el campo eléctrico que existe sobre una carga puntual, aplicando la Ley de Coulomb y sustituyendo el valor de la fuerza, tenemos que

E= F/q0 = k (q q'/r^2)(1/q0)

Por lo tanto, el valor del campo eléctrico sobre una carga puntual será:

E= k (q/r^2)          Ecuación 3

El campo puede representarse por las llamadas líneas de campo eléctrico, o líneas de fuerza. Estás líneas proporcionan información sobre la dirección e intensidad del campo eléctrico.

En la figura se muestra una carga puntual negativa y otra positiva; se puede notar que las líneas están dirigidas hacia dentro y hacia fuera, respectivamente, lo que significa que que la fuerza es de atracción en la negativa y de repulsión en la positiva.

Las líneas de campo eléctrico no siempre son rectas, por ejemplo, en el caso de dos cargas opuestas eléctricamente, como se observa en la figura, existen dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos opuestos, y las líneas de fuerza son cuervas. Se puede ver que las líneas de campo eléctrico empiezan en una carga positiva y terminan en una carga negativa. A esto se le conoce como Dipolo eléctrico.

Pero, en caso contrario, en la figura se muestra que para dos cargas puntuales separadas que tienen la misma magnitud y signos (positiva en ésto caso), observa que las líneas de campo eléctrico también con curvas; sin embargo, el campo eléctrico en la región más cercana a ambas cargas es relativamente débil.

 Charles A. Coulomb

(Angulema, Francia, 1736-París, 1806) Físico francés. Su delebridad se basa sobre todo en que enunció la ley física que lleva su nombre (ley de Coulomb), que establece que la fuerza existente entre dos cargas eléctricas es proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Las fuerzas de Coulomb son unas de las más importantes que intervienen en las reacciones atómicas.

Después de pasar nueve años en las Indias Occidentales como ingeniero militar, regresó a Francia con la salud maltrecha. Tras el estallido de la Revolución Francesa, se retiró a su pequeña propiedad en la localidad de Blois, donde se consagró a la investigación científica. En 1802 fue nombrado inspector de la enseñanza pública.

Influido por los trabajos del inglés Joseph Priestley (ley de Priestley) sobre la repulsión entre cargas eléctricas del mismo signo, desarrolló un aparato de medición de las fuerzas eléctricas involucradas en la ley de Priestley, y publicó sus resultados entre 1785 y 1789. Estableció que las fuerzas generadas entre polos magnéticos iguales u opuestos son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellos, lo cual sirvió de base para que, posteriormente, Simon-Denis Poisson elaborara la teoría matemática que explica las fuerzas de tipo magnético.

También realizó investigaciones sobre las fuerzas de rozamiento, y sobre molinos de viento, así como también acerca de la elasticidad de los metales y las fibras de seda. La unidad de carga eléctrica del Sistema Internacional lleva el nombre de culombio (simbolizado C) en su honor.

Ley de Coulomb

El físico francés Charles A. Coulomb (1736-1806) realizó una serie de experimento utilizando una balanza de torsión, con la que percibió que entre dos cuerpos cargados eléctricamente se ejercía una fuerza, misma que podía ser de atracción o de repulsión (dependiendo del signo de las cargas) y que estaba en relación con la distancia a la que se encontraban dichos cuerpos. Además, notó que la fuerza eléctrica entre dos cuerpos disminuía si se interponía un tercer cuerpo.

A partir de estos estudios, Coulomb enunció la siguiente ley: la fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos cargados eléctricamente, es directamente proporcional al producto de sus cargar eléctricas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

 Ecuación 1

Donde q y q' representan las cargas de cada uno de los cuerpos, r la distancia que los separa, k es la constante de proporcionalidad y tiene un valor  igual a k= 8.99x10^9 Nm^2/C^2

Serway (2008) menciona que la Ley de Gravitación Universal, de Newton y la Ley de Coulomb tienen semejanzas y diferencias. Son parecidas en el sentido de que la fuerza de la gravedad es proporcional al producto de las masas de dos partículas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de su separación. La fuerza eléctrica exhibe la misma proporcionalidad. Son diferentes ya que la fuerza eléctrica puede atraer o rechazar, mientras que la fuerza gravitacional sólo puede atraer.

Ejemplos

1.-Dos objetos con cargas de +1 y -1 Coulomb están separados una distancia de dos metros. Determina el valor de la fuerza de atracción que existe entre ellos.

Solución:
Este ejemplo es sumamente simple, lo que debemos utilizar es la Ley De Coulomb, considerando únicamente la magnitud de las cargas, por lo tanto:

F= (8.99x10^9 Nm^2/C^2)(1 C)(1 C) / (2 m)^2= 2.24x10^9 N

2.-En su laboratorio el físico Fesago tiene dos esferas idénticas de 0.5 mm, ambas descargadas. Carga una de ellas con +20 nC y las junta. Inmediatamente después, éstas se separan con una distancia de centro a centro de 10 cm. Determina el valor de la fuerza que existe entre esas dos cargas bajo las siguientes condiciones. ¿Qué sucedería si la distancia de separación entre ellas fuese el doble?

Solución:

Teniendo en cuenta que el valor de la carga se distribuye uniformemente en ambas esferas, consideremos que q = q' = 10 nC. Resolviendo para una separación de 10 cm. tenemos:

F= (8.99x10^9 Nm^2/C^2)(10x10^-9 C)(10x10^-9 C) / (10x10^-2 m)^2= 89.9x10^-6 N

Al aumentar la separación al doble, es decir 20 cm, el valor de la fuerza será de:

F= (8.99x10^9 Nm^2/C^2)(10x10^-9)(10x10^-9) / 10x10^-2 m)^2= 22.5x10^-6 N

Observa que al aumentar la distancia entre lar cargas el valor de la fuerza disminuye, en este caso a un carto de su valor original.

3.- Dos pequeñas esferas de cobre se encuentran suspendidas sin moverse. Una de ellas tiene una masa de 1.5 gr y cuenta con una carga eléctrica de -12.1 nC, mientras que la otra cuenta con con una masa de 3 gr y carga eléctrica de +15.2 nC. Las esferas se encuentran separadas por un metro, de centro a centro. Determina la aceleración de las esferas como consecuencia de su interacción electrostática.

Solución:

En primer lugar, determinamos la fuerza que existe entre ambas esferas bajo las condiciones dadas. En este proceso, consideraremos el signo de cada una de las cargas, sólo para observar si la fuerza existente es de atracción o repulsión; sin embargo, al momento de determinar las aceleraciones, se considerará la magnitud de la fuerza, por lo tanto:

F= (8.99x10^9 Nm^2/C^2)(-12.1x10^-9 C)(15.2x10^-9 C) / (1 m)^2= -1.65x10^-6 N

La fuerza existente entre ambas esferas es de repulsión. Ahora, para calcular las aceleraciones, emplearemos la segunda Ley de Newton, considerando que las aceleraciones de las esferas son distintas debido a la diferencia de masas, a pesar de que la fuerza entre ellas es igual, entonces:

F= ma = m'a'

Primera esfera: a = F / m = 1.65x10^-6 N / 1.5x10^-3 kg = 1.1x10^-3 m/s^2

Segunda esfera: a' = F / m' = 1.65x10^-6 N / 3x10^-3 kg = 5.5x10^-4 m/s^2

Materiales conductores y aislantes

La corriente eléctrica puede fluir a través de un cuerpo, sin embargo, todos los materiales tienen diferentes capacidades para permitir este flujo de corriente, es decir, conductividad, de aquí que se hable de conductores y de aislantes. La diferencia entre los materiales que son buenos conductores de electricidad y los que no, radica en la movilidad relativa de la carga dentro de ese material.

Un material conductor permite el flujo de corriente eléctrica a través de él; es decir, la carga introducida fluye libremente y se redistribuye. Por lo general, los materiales que son buenos conductores de calor, lo son de electricidad; en ese sentido, los metales (como el cobre, el oro, la plata, el aluminio, etc.) son buenos conductores.

Por otra parte, a los materiales que cuentan con poca capacidad conductiva, es decir, aquéllos en cuyo interior la cargas eléctricas fluyen con una movilidad limitada, se les denomina aislantes. Ejemplos de este tipo de materiales son el corcho, el plástico, la baquelita, la madera, etc. Cuando un aislante recibe una carga, la retiene, confinándola en cualquier parte de la región localizada en la cual se produjo.

Carga eléctrica e interacción entre las cargas

La carga eléctrica, al igual que la masa, constituye una propiedad fundamental de la materia. Se manifiesta a través de fuerzas denominadas electrostáticas, que son los responsables de los fenómenos eléctricos. Existen dos tipos de cargas eléctrica: positiva y negativa. Se unidad de medida en el Sistema Internacional es el Coulomb (C),
Los cuerpos están formados por moléculas y éstas a su vez por átomo. Un átomo contiene un núcleo con carga positiva, al rededor del cual giran electrones. Los electrones son partículas mucho más ligeras que los protones y tienen carga eléctrica negativa. El número de de electrones en un átomo es igual al de los protones de su núcleo, por lo tanto un átomo es eléctricamente neutro. La magnitud de la carga de un protón es igual a la de un electrón, cuyo valor es de 1.6x10^-19 C, aunque de signo contrario; las sumas algebraicas de las cargas positivas del núcleo de un electrón y la carga negativa de los electrones es igual a cero.

La carga eléctrica se puede transferir de un cuerpo a otro; por lo general un cuerpo con exceso de carga positiva cede electrones a otro, cargándolo negativamente. Estas cargas, positivas y negativas, interactúan entre sí de la siguiente manera: un protón y un electrón se atraen entre sí, dos electrones se rechazan entre sí y dos protones se rechazan entre sí. En este sentido, podemos mencionar que las cargas del mismo signo eléctrico se repelen y las de diferente se atraen.  

Electrodinámica

Al contrario de lo que ocurre con la electrostática, la electrodinámica se caracteriza porque las cargas eléctricas se encuentran en constante movimiento. La electrodinámica se fundamenta, precisamente, en el movimiento de los electrones o cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse.
Todos los cuerpos conocidos en la naturaleza, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se componen de átomos o moléculas de elementos químicos simples o compuestos.

La electrodinámica consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctricas que pasan de una molécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor como, por ejemplo, un metal.  

Para poner en movimiento las cargas eléctricas o de electrones, podemos utilizar cualquier fuente de fuerza electromotriz (FEM), ya sea de naturaleza química (como una batería) o magnética (como la producida por un generador de corriente eléctrica), aunque existen otras formas de poner en movimiento las cargas eléctricas.

Comportamiento atómico

Todos los átomos o moléculas simples se componen de un núcleo formado por protones y neutrones, y alrededor de ese núcleo gira constantemente una nube de electrones situados en una o en varias órbitas, según el elemento químico de que se trate, de forma similar a como giran los planetas alrededor del sol. Es decir, que cada átomo viene siendo un sistema solar en miniatura.

Los protones de los átomos poseen siempre carga eléctrica positiva, los neutrones carga neutra y los electrones carga eléctrica negativa.

La cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo neutro siempre es igual a la de los electrones que se encuentran girando en sus respectivas órbitas. 

Un átomo en estado neutro tiene el mismo número de cargas negativas que positivas.

Ahora bien, un átomo puede ganar o ceder electrones de su última órbita empleando medios químicos o eléctricos y convertirse así en un ión negativo o positivo del elemento de que se trate, exceptuando los átomos de los gases nobles.

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.

Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.

Electricidad estática

La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. Se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables. O cuando partículas ionizadas se depositan en un material. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico; existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia triboeléctrica.

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

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo; la carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.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.

Aplicaciones

Chester Carlson.

La electricidad estática se usa habitualmente en xerografía en la que un pigmento en polvo (tinta seca o toner) se fija en las áreas cargadas previamente, lo que hace visible la imagen impresa.

En electrónica, la electricidad estática puede causar daños a los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas para descargar la electricidad estática que pudieran haber adquirido. Esto puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombras, o por frotamiento de su vestimenta contra una silla de plástico. Las tensiones generadas así serán más altas en los días con baja humedad relativa ambiente. Hoy las alfombras y las sillas se hacen con materiales que generen poca electricidad por frotamiento. En los talleres de reparación o en fábricas de artefactos electrónicos se tiene el cuidado de evitar la generación o de descargar estas cargas electrostáticas.

Silla anti-estática,

Al aterrizar un avión se debe proceder a su descarga por seguridad. En los automóviles también puede ocurrir la electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo produce menores cargas), por lo que también se necesitan medidas de seguridad para evitar las chispas eléctricas.