Clase 3: LEY DE COULOMB Y CAMPO ELÉCTRICO
Introducción
La Ciencia que estudia los efectos de la
electricidad estática es la Electrostática. Se puede definir
también como la parte de la física que estudia las acciones que se producen
entre cargas eléctricas en reposo. En cambio, cuando se estudia los
efectos de la electricidad dinámica, se refiere a la corriente eléctrica,
especialmente cuando los electrones se desplazan en conductores sólidos. Suele
llamarse Electrodinámica, aunque es un término en desuso.
Electricidad
estática
Al frotar determinados materiales aislantes, estos
pierden o ganan electrones lo que origina cargas eléctricas estáticas en dichos
materiales. Al frotar una birome de plástico con cun paño, se transfieren
electrones de un cuerpo a otro, quedando la birome cargada eléctricamente.
Cuando acercamos la birome cargada con electricidad, puede atraer a unos
papelitos como es propio de los cuerpos electrizados. El tipo de carga
(positiva o negativa) con la que se electrizan los materiales después de haber
sido frotados depende de los materiales que se empleen en el proceso. Así por
ejemplo, si se frota una barra de vidrio con un paño de lana, los electrones se
transfieren del vidrio hacia el paño, quedando electrizado el primero con carga
positiva. Por otro lado, si lo que frotamos es una barra de ebonita con una
piel de animal, los electrones son transferidos de la piel a la ebonita,
quedando ésta última cargada negativamente.
El causante de la electrización de los cuerpos es
el electrón, ya que posee carga y movilidad para poder desplazarse por
los materiales. Además, la carga de un cuerpo puede medirse, y para ello se
mencionarán algunas de sus unidades.
Unidades
de Carga Eléctrica
Se conoce
como Carga Eléctrica de un cuerpo al exceso o al defecto de electrones que
posee:
- Carga Negativa significa
exceso de electrones.
- Carga Positiva significa
defecto de electrones.
La Unidad de Carga Eléctrica en el Sistema
Internacional es el Coulomb (o culombio), de símbolo C. Otra
unidad importante es la carga del electrón. El Coulomb a su vez se define a
partir de otra unidad llamada Ampere, que es la unidad de intensidad de
corriente eléctrica.
Un
Coulomb equivale a la carga conjunta de 6,25 trillones de electrones (6,25.1018).
La carga
de cada electrón es por lo tanto equivalente a 1,6.10-19 C.
Esta
unidad le debe su nombre al investigador francés Charles Augustin Coulomb
(1736-1806) y fue quien determinara una ley empírica que permite calcular la
intensidad de la fuerza eléctrica entre cargas. Se llama Ley de Coulomb, por
supuesto.
Ley de
Coulomb
En 1785,
Coulomb decidió aplicar los conceptos de la mecánica newtoniana bajo las
siguientes suposiciones, lo que se denomina modelo científico:
- Dos esferitas frotadas
juntas tendrían la misma carga si se las separara; a esta cantidad se la
puede llamar q.
- A partir de ella se puede
definir una carga unitaria, la suma, la resta de cargas y cualquier valor
de la carga de un cuerpo.
- Si estas esferitas son lo
suficientemente pequeñas, pueden ser consideradas cargas puntuales.
- Estas pequeñas porciones de
materia electrizada interactúan a distancia.
A partir de este modelo, realizó numerosas
mediciones de las fuerzas eléctricas usando un aparato de su invención: la
balanza de torsión. Ella consta de una delgada varilla sostenida por un
hilo en forma horizontal. En cada extremo de la varilla se ubican unas pequeñas
esferitas, ambas cargadas. Una tercera esfera cargada está ubicada en el
extremo de un soporte móvil, el cual puede alejarse o acercarse alas esferitas
suspendidas. La medida de la fuerza de atracción o repulsión
electrostática está asociada a la torsión de las fibras del hilo. Sus
resultados permitieron inferir que la intensidad Fe de la fuerza
entre dos cargas, q1 y q2, es directamente
proporcional al producto de los valores absolutos de esas cargas, e
inversamente proporcional al cuadrado de las distancias d que las
separa:
La
expresión matemática de esta ley es la siguiente:
Donde Fe
es la fuerza de interacción entre dos cargas q1 y q2 separadas
una distancia d.
Para que se forme la ecuación, se agrega una
constante llamada “Constante electrostática K” que toma valores según el
sistema de unidades y del medio en el que interactúan las cargas, y que puede
hallarse experimentalmente. La constante en el vacío vale aproximadamente
K= 9.109 N.m2.C-2
También se trata de un valor aproximado para el aire.
CAMPO
ELÉCTRICO
En el ámbito de la Física,
se llama “Campo” a la región del espacio en cuyos puntos se
define una magnitud física, como la temperatura o una fuerza.
En este marco, se denomina Campo Eléctrico a
la zona del espacio en cuyos puntos se concreta la
definición de la intensidad de una fuerza eléctrica a
través del rechazo o la atracción entre las partículas cargadas.
Los campos eléctricos pueden representarse a
través de modelos científicos que se encargan de describir cómo
interactúan los sistemas y los cuerpos con propiedades vinculadas a la
electricidad.
El origen de un campo eléctrico se encuentra en
la alteración que produce una carga eléctrica en el espacio. Esta
carga eléctrica modifica las propiedades físicas del espacio, dando lugar al
campo eléctrico. Cuando se introduce en este campo otra carga, ésta experimenta
una fuerza.
El campo
eléctrico también puede definirse como la fuerza eléctrica por una unidad de
carga.
E=F/q
Donde E es el campo eléctrico que puede ser
medido en Newtons /Coulomb o en Voltios/Metro. E es una magnitud vectorial, al
igual que la Fuerza F. La unidad de carga se representa con la magnitud
escalar q.
Estos campos se dirigen de manera radial al interior de
una carga negativa y hacia fuera de una carga
positiva. La dirección siempre se considera como la misma
que ejercería la fuerza sobre una carga positiva. Dicho de otro modo: cuando la
carga es negativa, el campo eléctrico es entrante y radial; con una carga
positiva, en cambio, el campo es saliente y radial.
Un campo eléctrico, en definitiva, surge cuando hay
una carga que modifica las propiedades del espacio. El campo representa la
relación existente entre esa carga y una nueva carga eléctrica
cuando ambas interactúan y ejercen una fuerza.
Jaula de
Faraday
Una jaula
de Faraday es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos.
Debe su nombre al físico Michael
Faraday, que construyó una en 1836. Se emplean para proteger de
descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo.
El funcionamiento de la jaula de Farday se basa en
las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja
metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo (Eext),
las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin
embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos
actúa una fuerza (F) dada por: Eext=F/q
Donde e es la carga del
electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se mueven en
sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor sea
cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se
queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un
defecto de electrones (carga positiva). Este desplazamiento de las cargas hace
que en el interior de la caja se cree un campo eléctrico de sentido contrario
al campo externo.
El campo
eléctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo.
Como en
el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede
atravesarla; por ello se emplea para proteger dispositivos de cargas
eléctricas. El fenómeno se denomina apantallamiento eléctrico.
Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida
cotidiana están provistos de una jaula de Faraday: los microondas, escáneres,
cables, etc. Otros dispositivos, sin estar provistos de una jaula de Faraday
actúan como tal: los ascensores, los coches, los aviones, etc. Por esta razón
se recomienda permanecer en el interior del coche durante una tormenta
eléctrica: su carrocería metálica actúa como una jaula de Faraday.
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