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Electricidad Estática, Condensadores, Carga
Eléctrica, La Electrización y Ley de Coulomb.
TEMA:
ÍNDICE
ÍNDICE.........................................................................................................................2
INTRODUCCIÓN.........................................................................................................3
MARCO TEÓRICO......................................................................................................4
SECCION 1: ELECTRICIDAD ESTÁTICA..................................................................4
1. Definición 4
2. Historia 4
3. Causas de la electricidad estática 5
4. Descarga electrostática 5
5. Peligros 6
5.1. Componentes electrónicos........................................................................6
6. Carga inducida 6
7. Aplicaciones 7
SECCION 2: CONDENSADORES..............................................................................7
1. Definición 7
2. Características 8
3. Funcionamiento 9
4. Usos 9
5. Tipos de condensadores 10
SECCION 3: CARGA ELÉCTRICA...........................................................................13
1. ¿Qué es carga eléctrica? 13
2. ¿Cuál es la unidad elemental de carga eléctrica? 15
3. Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos. 15
4. Ejemplo De Cargas Eléctricas 16
SECCION 4: LA ELECTRIZACIÓN...........................................................................17
1. ¿Qué es la electrización? 17
2. Ejemplos: 17
3. Formas De Electrización 18
SECCION 5: LEY DE COULOMB.............................................................................21
1. Desarrollo de la Ley 21
2. Enunciado de la ley 22
3. Constante de Coulomb 24
4. Potencial de Coulomb 24
2
INTRODUCCIÓN
La electricidad es una fuente de energía que con el tiempo se vuelve cada vez más
importante e indispensable para todos, ya que las maquinarias y artefactos
modernos necesitan de esta para su funcionamiento, por lo tanto hay que cuidar y
no malgastarlo en cosas inútiles.
3
MARCO TEÓRICO
SECCION 1: ELECTRICIDAD ESTÁTICA
1. Definición
El término electricidad estática se refiere a la acumulación de un exceso de carga
eléctrica en una zona con poca conductividad eléctrica, un aislante, de manera que
la acumulación de carga persiste. Los efectos de la
electricidad estática son familiares para la mayoría de
las personas porque pueden ver, notar e incluso llegar a
sentir las chispas de las descargas que se producen
cuando el exceso de carga del objeto cargado se pone
cerca de un buen conductor eléctrico (como un
conductor conectado a una toma de tierra) u otro objeto
con un exceso de carga pero con la polaridad opuesta.
2. Historia
El fenómeno de la electricidad estática es conocido desde la antigüedad,
aproximadamente desde el siglo VI a. C. según la información aportada por Tales de
Mileto. La investigación científica sobre este fenómeno comenzó cuando se
pudieron construir máquinas capaces de generar electricidad estática, como el
generador electrostático construido por Otto Von Guericke en el siglo XVII. La
relación entre la electricidad estática y las nubes de tormenta no fue demostrada
hasta el 1750 por Benjamín Franklin.
Michael Faraday publicó en 1832 los resultados de sus experimentos sobre la
naturaleza de lo que hasta entonces se pensaba que eran diferentes tipos de
electricidad, demostrando que la electricidad inducida con un imán, la electricidad
fotovoltaica producida por una pila voltaica y la electricidad estática eran el mismo
tipo. A partir de este momento el estudio de la electricidad estática quedó dentro del
de la electricidad en general.
4
3. Causas de la electricidad estática
Los materiales con los que tratamos en nuestra vida diaria
están formados por átomos y moléculas que son
eléctricamente neutros porque tienen el mismo número de
cargas positivas (protones en el núcleo) que de cargas
negativas (electrones alrededor del núcleo). El fenómeno de la
electricidad estática requiere de una separación sostenida
entre las cargas positivas y negativas, a continuación se
muestran las principales causas de que esto sea posible.
4. Descarga electrostática
La chispa asociada a la electricidad estática está causada por la descarga
electrostática que se produce cuando el exceso de carga es neutralizado por un flujo
de cargas desde el entorno al objeto cargado o desde éste hacia su entorno. En
general, una acumulación significativa de cargas sólo puede ser persistente en
zonas de baja conductividad eléctrica, en un entorno donde muy pocas cargas se
pueden mover libremente. El flujo de las cargas neutralizadoras se genera a
menudo a partir de átomos y moléculas neutras del aire que son separados para
formar cargas positivas y negativas, entonces se mueven en direcciones opuestas
como una corriente eléctrica, neutralizando la acumulación original de cargas. El
aire se rompe de esta manera alrededor de unos 30.000 voltios por centímetro, este
valor depende de la humedad. La descarga calienta el aire de alrededor y produce
una chispa brillante, también provoca una onda de choque que es la causante del
sonido que se puede llegar a escuchar.
El choque eléctrico que notamos cuando recibimos una descarga electrostática se
debe a la estimulación de los nervios cuando la corriente neutralizadora fluye a
través del cuerpo humano. Gracias a la presencia de agua que hay en todo el
mundo y que se mueve, las acumulaciones de carga no llegan a ser lo
suficientemente importantes como para causar corrientes peligrosas.
5
5. Peligros
A pesar de su naturaleza, aparentemente inocua, según nuestra experiencia en la
vida diaria, la electricidad estática puede tener efectos peligrosos no despreciables
en situaciones en las que la acumulación de cargas se produce en presencia de
materiales o dispositivos sensibles.
1.1. Componentes electrónicos
Muchos componentes electrónicos, en especial los dispositivos semiconductores,
son extremadamente sensibles a la presencia de la electricidad estática y pueden
ser dañados por una descarga electrostática.
6. 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 más cargada positivamente, 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, creando una superficie de carga
positiva en la pared, que luego atrae a la superficie del globo).
En los efectos eléctricos cotidianos, no los de los aceleradores de partículas,
solamente se mueven los electrones. La carga positiva del átomo, dada por los
protones, permanece inmóvil.
6
7. Aplicaciones
La electricidad estática se usa habitualmente en xerografía donde un pigmento de
polvo (tinta seca o toner) se fija en las áreas
cargadas previamente haciendo visible la imagen
impresa.
En electrónica, la electricidad estática causa
numerosos 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.
En aviación, al aterrizar un avión por seguridad se
debe proceder a su descarga. En los automóviles también puede ocurrir la
electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo conduce
mejor las cargas), por lo que también necesitan medidas de seguridad para evitar
las chispas eléctricas.
Se piensa que la explosión de un cohete en el 2003 en Brasil se debió a chispas
originadas por electricidad estática
SECCION 2: CONDENSADORES
1. Definición
7
Básicamente un condensador es un dispositivo capaz de almacenar energía en
forma de campo eléctrico. Está formado por dos armaduras metálicas paralelas
(generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico.
Va a tener una serie de
características tales como
capacidad, tensión de trabajo,
tolerancia y polaridad, que
deberemos aprender a distinguir
Aquí a la izquierda vemos
esquematizado un condensador,
con las dos láminas = placas =
armaduras, y el dieléctrico entre
ellas. En la versión más sencilla del condensador, no se pone nada entre las
armaduras y se las deja con una cierta separación, en cuyo caso se dice que el
dieléctrico es el aire.
2. Características
Capacidad: Se mide en Faradios (F), aunque esta unidad resulta tan grande
que se suelen utilizar varios de los submúltiplos, tales como microfaradios
(µF=10-6 F), nanofaradios (nF=10-9 F) y picofaradios (pF=10-12 F).
Tensión de trabajo: Es la máxima tensión que puede aguantar un
condensador, que depende del tipo y grososr del dieléctrico con que esté
fabricado. Si se supera dicha tensión, el condensador puede perforarse
(quedar cortocircuitado) y/o explotar. En este sentido hay que tener cuidado
al elegir un condensador, de forma que nunca trabaje a una tensión superior
a la máxima.
Tolerancia: Igual que en las resistencias, se refiere al error máximo que
puede existir entre la capacidad real del condensador y la capacidad
indicada sobre su cuerpo.
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Polaridad: Los condensadores electrolíticos y en general los de capacidad
superior a 1 µF tienen polaridad, eso es, que se les debe aplicar la tensión
prestando atención a sus terminales positivo y negativo. Al contrario que los
inferiores a 1µF, a los que se puede aplicar tensión en cualquier sentido, los
que tienen polaridad pueden explotar en caso de ser ésta la incorrecta.
3. Funcionamiento
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de
potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la
llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide
en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que,
sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, éstas adquieren una carga
eléctrica de 1 culombio.
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los
condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF
= 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos
a partir de super condensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón
activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular
entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de
faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con
una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está
utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.
4. Usos
Los condensadores suelen usarse para:
Baterías, por su cualidad de almacenar energía.
Memorias, por la misma cualidad.
Filtros.
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Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con
otros componentes.
El flash de las cámaras fotográficas.
Tubos fluorescentes.
Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.
5. Tipos de condensadores
Vamos a mostrar a continuación una serie de condensadores de los más típicos que
se pueden encontrar. Todos ellos están comparados en tamaño a una moneda
española de 25 ptas (0.15 €).
1. Electrolíticos. Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en
electrólito. Siempre tienen polaridad, y una capacidad superior a 1 µF. Arriba
observamos claramente que el condensador nº 1 es de 2200 µF, con una
tensión máxima de trabajo de 25v. (Inscripción: 2200 µ / 25 V).
Abajo a la izquierda vemos un esquema de este tipo de condensadores y a
la derecha vemos unos ejemplos de condensadores electrolíticos de cierto
tamaño, de los que se suelen emplear en aplicaciones eléctricas (fuentes de
alimentación, etc...).
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2. Electrolíticos de tántalo o de gota. Emplean como dieléctrico una finísima
película de óxido de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un
poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1
µF. Su forma de gota les da muchas veces ese nombre.
3. De poliéster metalizado MKT. Suelen tener
capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de
trabajo a partir de 63v. Más abajo vemos su
estructura: dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico
que se bobinan juntas. Aquí al lado vemos un detalle de un condensador
plano de este tipo, donde se observa que es de 0.033 µF y 250v.
(Inscripción: 0.033 K/ 250 MKT).
4. De poliéster. Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de
fabricación algo diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se
presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas
de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de
bandera". Su capacidad suele ser como máximo de 470 nF.
11
5. De poliéster tubular. Similares a los anteriores, pero enrollados de forma
normal, sin aplastar.
6. Cerámico "de lenteja" o "de disco". Son los cerámicos más corrientes.
Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF. En
ocasiones llevan sus datos impresos en forma de bandas de color.
Aquí abajo vemos unos ejemplos de condensadores de este tipo.
12
7. Cerámico "de tubo". Sus valores de capacidad son del orden de los
picofaradios y generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica
que tienen (variación de la capacidad con las variaciones de temperatura).
SECCION 3: CARGA ELÉCTRICA
1. ¿Qué es carga eléctrica?
Como toda definición de una fuerza fundamental de la naturaleza es difícil explicar
lo que es una carga eléctrica.
La carga eléctrica es una propiedad de la materia que se traduce o que provoca
que los cuerpos se atraigan o se repelen (se rechacen) entre sí en función a la
aparición de campos electromagnéticos generados por las mismas cargas. Se dice
entonces que es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta según la
convención de Benjamín Franklin en positiva y negativa, de manera que dos cargas
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positivas o negativas se van a repeler y dos cargas una positiva y una negativa se
van a atraer.
La materia que nos rodea está formada por átomos que constan, a su vez, de
protones, neutrones y electrones. Los protones y electrones tienen una propiedad
que se conoce con el nombre de carga eléctrica.
La carga eléctrica se conserva: en ningún proceso puede crearse o destruirse carga
neta. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo
harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta
conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.
La carga es un invariante relativista. La carga de un cuerpo es la misma
independientemente de la velocidad con la que se mueva.
La carga eléctrica no se crea ni se
destruye, sólo se transforma (conservación
de la energía).
La carga eléctrica siempre está
cuantizada. Se representa en cantidades
enteras de la unidad fundamental. La carga
de un cuerpo cargado siempre es un
múltiplo entero de una carga elemental que
corresponde a la carga del electrón. Es decir:
Dondeq = carga eléctrican = número enteroe = electrón
Los electrones pueden desplazarse a través de ciertos cuerpos que reciben
el nombre de conductores.
La carga se conserva: al electrizar un cuerpo no se está creando carga, sólo
se transmite carga (electrones) de un cuerpo a otro. La carga total siempre la
permanece constante.
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2. ¿Cuál es la unidad elemental de carga eléctrica?
En el Sistema Internacional, La unidad con la cual se mide la carga eléctrica
es el coulomb (C) , que equivale a la carga eléctrica de unos seis trillones de
electrones, en honor a Charles Coulomb. Corresponde a la siguiente carga:
1 Coulomb = 6,25x10 18 electrones
De donde podemos decir que la carga del electrón es igual a:
Para cargas más pequeñas se usan los submúltiplos:
1 coulomb = 3x10 9 stat-coulomb (stc)
1 milicoulomb = 1mC = 0,001 C = 1x10 –3 C
1 microcoulomb = 1?C = 0,000001 C = 1x10 – 6 C
3. Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos.
1. Los protones tienen carga eléctrica positiva.
2. Los electrones tienen carga eléctrica negativa.
Normalmente, los átomos de los cuerpos tienen tantos protones como
electrones, por lo que tendrán tantas cargas eléctricas positivas como
negativas. Esto hace que sean neutros. Pero los átomos pueden ganar o
perder electrones y convertirse en iones. De esta forma, los cuerpos neutros
pueden adquirir una carga eléctrica.
Cuando los átomos ganan electrones, el cuerpo adquiere carga eléctrica
negativa.
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Cuando los átomos pierden electrones, entonces el cuerpo adquiere carga
eléctrica positiva.
Un cuerpo electrizado está cargado positiva o negativamente porque ha
perdido o ganado electrones. Por consiguiente, la carga eléctrica es una
magnitud física medible y cuantificable. La cantidad de electricidad «neta» de
un cuerpo será igual a un número entero de veces la carga del electrón.
4. Ejemplo De Cargas Eléctricas
Poner unos papelitos sobre la mesa. Raspar una birome contra la ropa o contra el
pelo. Acercá la birome a los papelitos. Vas a ver que la birome los atrae. Esto
también puede pasar al cortar Telgopor. Quedan un montón de bolitas que se
atraen. Algo parecido pasa al peinarse . Un peine frotado o una birome frotada
pueden atraer cosas y hacer que queden pegadas. Muchas veces pasa que uno
frota una cosa y comprueba que después de frotado, el cuerpo empieza a atraer
cosas. Ellos dicen que por efecto del frotado, el cuerpo "queda cargado".
Hay otros hechos raros que ocurren. A veces al ponerse un pulóver se escucha un "
cri – cri ". Incluso pueden llegar a salir chispas.
La explicación que ellos dan a estas cosas raras es la siguiente: Los objetos que
sacan chispas o que dan patada están "cargados eléctricamente". Es un poco
complicado explicar que quiere decir la frase "estar cargado". Se supone que al
frotar 2 cosas los electrones de uno de los objetos pasan al otro objeto. Entonces
uno de los cuerpos pierde electrones y queda cargado positivamente. El otro cuerpo
gana electrones y queda cargado negativamente. (Recordar que los electrones son
cargas negativas).
16
SECCION 4: LA ELECTRIZACIÓN
1. ¿Qué es la electrización?
Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas
eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos
que estudia la electrostática.
Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la
materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo
rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no
electrizada), tiene el mismo número descargas positivas y negativas.
Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. 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. Si un material tiende a
capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es
más negativo en la serie triboeléctrica.
Ejemplo: En la escuela hemos frotado el bolígrafo con nuestra ropa y hemos visto
como atrae a trocitos de papeles. En las experiencias de aula, se frotan diversos
materiales, vidrio con seda, cuero, etc. Se emplean bolitas de sauco electrizadas
para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones.
2. Ejemplos:
1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y
negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de
carga.
2. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los
cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa.
En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado la carga total o neta no
cambia.
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3. Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen.
4. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.
3. Formas De Electrización
Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro
inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de
electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se
produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que
depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante,
la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo
en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o
por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del
cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con
electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características
eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine
también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización
es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente
próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con
otro cuerpo.
Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas,
normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos
de electrificación son los siguientes:
La electrización por frotamiento se obtiene cuando dos cuerpos de diferente
material son frotados entre sí; por ejemplo: cuando se frota una varilla de vidrio en
un pedazo de seda.
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El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de
cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con
lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos
cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de
la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico.
Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con
un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el
conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los
ganó.
Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un
conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de
valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más
alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una
carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta
parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero
(neutro).
Carga por el Efecto Fotoeléctrico:
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Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser
irradiado por luz u otra radiación electromagnética.
Carga por electrolisis
La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al
fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se
disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente. Si se coloca un
par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se
conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la
disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el
positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y
transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del
electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.
Carga por efecto termoeléctrico
Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales
diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este
circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una
temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una
corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado
por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como
efecto Seebeck.
Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del
calor.
Conductores, aisladores y semiconductores
Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las
fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de
equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este
movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el
lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal
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redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los
primeros se denominan aisladores y los segundos conductores.
Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento
de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las
sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al
núcleo en un estado de semi libertad que les otorga una gran movilidad, tal es el
caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos
atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad
sea escasa.
Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de
situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales
semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos
que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se
comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés
radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad,
ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a
condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.
SECCION 5: LEY DE COULOMB
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de
ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa.
1. Desarrollo de la Ley
Charles-Augustin de Coulomb desarrolló la balanza de torsión con la que determinó
las propiedades de la fuerza electrostática. La ley de Coulomb también conocida
como ley de cargas tiene que ver con las cargas eléctricas de un material, es decir,
depende de si sus cargas son negativas o positivas.
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En la barra de la balanza, Coulomb colocó una pequeña esfera cargada y a
continuación, a diferentes distancias, posicionó otra esfera también cargada. Luego
midió la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.
Dichas mediciones permitieron determinar que:
La fuerza de interacción entre dos cargas y duplica su magnitud si
alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas
aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó
entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:
y
2. Enunciado de la ley
La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no
hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se
realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que
es llamada fuerza electrostática.
En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos
cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se
expresa como:
Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se
atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por:
La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:
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Donde es un vector unitario, siendo su dirección desde la cargas que produce
la fuerza hacia la carga que la experimenta.
Al aplicar esta fórmula en un ejercicio, se debe colocar el signo de las cargas q1 o
q2, según sean éstas positivas o negativas.
El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy
en día, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la
forma , entonces .
Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.
Obsérvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica
que fuerzas de igual magnitud actúan sobre y . La ley de Coulomb es una
ecuación vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de
unión entre las cargas.
3. Constante de Coulomb
La constante es la Constante de Coulomb y su valor para unidades SI es
Nm²/C².
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A su vez la constante donde es la permitividad relativa, , y
F/m es la permitividad del medio en el vacío.
Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en cuenta la
constante dieléctrica y la permitividad del material.
La ecuación de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la siguiente
manera
5. Potencial de Coulomb
La ley de Coulomb establece que la presencia de una carga puntual general induce
en todo el espacio la aparición de un campo de fuerzas que decae según la ley de la
inversa del cuadrado. Para modelizar el campo debido a varias cargas eléctricas
puntuales estáticas puede usarse el principio de superposición dada la aditividad de
las fuerzas sobre una partícula.
De la ley de Coumlomb se deduce que la función escalar que satisface la anterior
ecuación es:
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