Electrostática:
Electro– stática. Significa: Cargas quietas.
Desde muy antiguo se notó que cuando se frotaba con un paño o con el cabello un objeto de
ámbar saltan chispas que se ven en la oscuridad, y el objeto levanta plumas, pelusas y otros
cuerpos livianos. Se observó también que en algunos casos los objetos se atraen y en otros se
rechazan o repelen. Estos fenómenos se llamaron ambarinos o eléctricos. Si un cuerpo atrae a
otros dos, éstos se repelen. Si repele a otros dos, éstos también se repelen. Y si atrae a un
cuerpo y repele a un tercero, éstos dos últimos se atraen.
Haciendo algunos experimentos se comprobó lo siguiente:
1) - Hay 2 tipos de carga: positiva (+) y negativa (-).
2) - Las cargas de distinto signo se atraen. Las cargas de igual signo se repelen.
3) – La fuerza de atracción (o de repulsión) disminuye a medida que aumenta la distancia entre
las cargas.
Hoy explicamos estos fenómenos por la estructura atómica de la materia que sabemos
compuesta por átomos, a su vez, formados por protones positivos (+), electrones negativos (-)
y neutrones sin carga eléctrica (neutros). Naturalmente la cantidad de protones iguala la de
electrones, por eso la materia es neutra de ordinario. Sin embargo, cuando se ponen en
contacto dos cuerpos y después se los separa, algunos de los electrones que pertenecían a un
cuerpo pueden pasar y quedar en el otro 1, y así, el primero resulta con un defecto de
electrones (y carga positiva), mientras que el otro queda cargado negativamente con exceso de
electrones.
En efecto, si designamos con la letra “N”, al número (natural) que representa la cantidad de
electrones que pasa de un cuerpo al otro, la carga eléctrica que tendrá cada cuerpo por
separado se puede calcular mediante la expresión:
Donde ∆Q es la carga eléctrica medida en “C (coulomb)” y e es la carga eléctrica mínima que
se puede concebir a nivel atómico, como la de un protón o un electrón, cuya medida es igual a .
Sabemos, entonces, cómo calcular la carga eléctrica de un cuerpo.
Pero, ¿cómo podemos cargar un cuerpo que inicialmente es neutro?
Un cuerpo eléctricamente neutro puede cargarse por: a) fricción, b) contacto o c) inducción.
Mientras que, los dos primeros procedimientos (a y b), se caracterizan por el hecho de que
siempre hay una transferencia de electrones de un cuerpo a otro, en los dos últimos (b y c) es
necesario que uno de los dos cuerpos se encuentre previamente cargado para cargar al otro.
Carga por fricción (o frotamiento): Cuando se frota un cuerpo (A) contra otro (B), la energía
involucrada puede ser suficiente para arrancar electrones superficiales de uno de ellos y que
éstos sean captados por el otro. En efecto, cuando frotas una varilla de vidrio con un paño de
seda se verifica que el vidrio adquiere carga positiva mientras que el paño se carga
negativamente (Figura 1). Esto se explica admitiendo que hay una transferencia de electrones
desde el vidrio (que queda con defecto de electrones) hacia el paño de seda (que queda con
exceso de electrones). Como la cantidad de carga eléctrica (electrones) que pierde uno es
numéricamente igual a la carga que gana el otro, ambos cuerpos adquieren el mismo valor de
carga pero de signos opuestos.
Carga por contacto: Este procedimiento consiste en tocar a un cuerpo neutro con otro
cargado eléctricamente. Lo que sucederá es que el cuerpo cargado transferirá algo de su carga
al cuerpo neutro, de modo que ambos quedarán cargados con el mismo tipo de carga (aunque
no sean numéricamente iguales). En efecto, si tocamos una bolita de médula de sauco2 con
una varilla de vidrio frotada con seda (Figura 2), el vidrio, que es positivo y, por tanto, deficiente
en electrones, tomará algunos electrones de la bolita dejándola positiva (igual que si se hubiera
transferido carga positiva de la varilla a la bolita).
Carga por inducción: Si acercamos un objeto cargado a una superficie conductora, sus
electrones se moverán aún sin contacto físico. Considera dos esferas de metal aisladas, A y B,
como se muestran en la figura. (a) Las esferas no tienen carga y están en contacto de modo
que juntas constituyen un conductor neutro. (b) Se aproxima una barra con carga negativa a la
esfera A. Los electrones del metal se ven rechazados por la barra y un excedente de carga
negativa se desplaza a la esfera B, dejando a la esfera A con una carga positiva. La carga de
las esferas se ha redistribuido. Decimos que se induce una carga en las esferas. (c) Las
esferas A y B se separan en presencia de la barra. (d) La barra se retira y las esferas quedan
con cargas iguales y opuestas (Figura 3). Se han cargado por inducción. Como la barra
cargada no las toca conserva su carga inicial.
CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA ELÉCTRICA
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La carga está cuantizada, la carga eléctrica siempre se presenta como un múltiplo
entero de una carga fundamental e. Así que e es la unidad indivisible de carga.
La carga se conserva. La cantidad total de carga (positiva y negativa) en un sistema
aislado es siempre constante, cuando aparece carga positiva en una región, en algún
otro lugar habrá una carga negativa exactamente igual.
La carga es una invariante, es decir es independiente de su movimiento
La fuerza eléctrica, entre cargas, puede ser atractiva y/o repulsiva.
LEY DE COULOMB
La carga eléctrica se pone con la letra Q. Se mide en Coulomb (C).
Si las cargas son de distinto signo se van a atraer. Si las cargas son de igual signo se van a
repeler. Para calcular la fuerza de atracción o de repulsión entre las cargas se usa la siguiente
fórmula:
F es la fuerza de atracción (o repulsión) entre las cargas. Se mide en Newtons. Q1 y Q2 son
las cargas (en Coulombs), d es la distancia que separa a las cargas (en metros), K es una
constante. (constante de Coulomb). El valor de K es:
Epsilon Erre ( εr ) es la " Constante dieléctrica del material ". Es un número sin unidad. El valor
de εr depende del material que haya entre las cargas. Si hay aire o vacío, ε r vale 1. Si entre las
cargas hay algún material raro, εr vale tendrá otro valor. En la mayoría de los casos el Epsilon
Erre es dato.