REPRESENTACIÓN GRÁFICAS DE LAS INTERACCIONES ELÉCTRICAS

Una forma muy útil de esquematizar gráficamente un campo es trazar líneas que vayan en la misma dirección que dicho campo en varios puntos. Esto se realiza a través de las líneas de campo eléctrico, que son unas líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección del campo eléctrico al pasar de un punto a otro, de tal modo que dichas líneas son tangentes, en cada punto del espacio donde está definido el campo eléctrico, a la dirección del campo eléctrico en ese punto.

Según la primera ley de Newton, la fuerza que actúa sobre una partícula produce un cambio en su velocidad; por lo tanto, el movimiento de una partícula cargada en una región dependerá de las fuerzas que actúen sobre ella en cada punto de dicha región.

En otras palabras, una carga bajo los efectos de un campo eléctrico no seguirá el camino de la línea de fuerza sobre la que se encontraba originalmente.

Para la construcción de líneas de campo eléctrico se debe tener en cuenta lo siguiente:

- A.- POR CONVENCIÓN, LAS LÍNEAS DEBEN PARTIR DE CARGAS POSITIVAS Y TERMINAR EN CARGAS NEGATIVAS Y EN AUSENCIA DE UNAS U OTRAS DEBEN PARTIR O TERMINAR EN EL INFINITO.

Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de campo eléctrico radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque una carga de prueba positiva se desplazaría en esa dirección.

- B.- LAS LÍNEAS DE LOS CAMPOS ELÉCTRICOS JAMÁS PUEDEN CRUSARSE.

Las líneas de campo eléctrico o de campo salen de una carga positiva o entran a una negativa. De lo anterior se desprende que de cada punto de la superficie de una esfera, suponiendo forma esférica para una carga, puede salir o entrar solo una línea de fuerza, en consecuencia entre dos cargas que interactúan solo puede relacionarse un punto de su superficie con solo un punto de la otra superficie, y ello es a través de una línea, y esa línea es la línea de fuerza.

- C.- EL NÚMERO DE CAMPOS ELÉCTRICOS QUE PARTEN DE UNA CARGA POSITIVA O LLEGAN A UNA CARGA NEGATIVA ES PROPORCIONAL A LA CANTIDAD DE CARGA RESPECTIVA.

-  D.- LAS LÍNEAS DE CAMPOS ELÉCTRICOS DEBEN SER PERPENDICULARES A LA SUPERFICIE DE LOS OBJETOS EN LOS LUGARES DONDE CONECTAN CON ELLAS.

Esto se debe a que en las superficies de cualquier objeto, sin importar la forma, nunca se encuentran componentes de la fuerza eléctrica que sean paralelas a la superficie del mismo. Si fuera de otra manera, cualquier exceso de carga residente en la superficie comenzaría a acelerar. Esto conduciría a la aparición de un flujo de carga en el objeto, lo cual nunca se observa en la electricidad estática.

LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

Newton no descubrió la gravedad. Lo que Newton descubrió es que la gravedad era universal. Todos los objetos tiran unos de otros en una forma espléndidamente simple en la que sólo intervienen la masa y la distancia. La Ley de la gravitación universal de Newton dice que todo objeto atrae a todo los demás objetos con más fuerza que, para dos objetos cualesquiera, es directamente proporcional a las masas. Cuanto mayor sean las masas, mayor será la fuerza de atracción que ejerce una sobre otra.

En su teoría de la gravitación universal Isaac Newton (1642-1727) explicó las leyes de Kepler y, por tanto, los movimientos celestes, a partir de la existencia de una fuerza, la fuerza de la gravedad, que actuando a distancia produce una atracción entre masas. Esta fuerza de gravedad demostró que es la misma fuerza que en la superficie de la Tierra denominamos peso.

Newton demostró que la fuerza de la gravedad tiene la dirección de la recta que une los centros de los astros y el sentido corresponde a una atracción. Es una fuerza directamente proporcional al producto de las masas que interactúan e inversamente proporcional a la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad, G, se denomina constante de gravitación universal.

La magnitud de G está dada por la magnitud de la fuerza entre dos masas de 1 kilogramo separadas por una distancia de 1 metro, o sea, 0,0000000000667 Newton. La ley de Gravitación Universal establece:
Todos los cuerpos del universo atraen a todos los demás con una fuerza cuyo valor es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

UNIDADES DE CARGAS ELÉCTRICAS

1.SISTEMA INTERNACIONAL (S.I)

La unidad de carga eléctrica en S.I es el Coulomb (C) que se define como la carga que colocada a un metro de distancia de otra carga, igual en el vacío, la repele con una fuerza de 9 x 10° newtons.

2. SISTEMA C.G.S

La unidad de carga eléctrica es el statcoulomb (stc) que se define como la carga que colocada a 1cm de distancia de otra carga igual, repele a esta carga con la fuerza de 1 dina.

COMPARACIÓN ENTRE LAS INTERACCIONES ELÉCTRICAS Y LAS GRAVITATORIAS

SEMEJANZAS

• Ambas interacciones son proporcionales al producto de las entidades que interaccionan, que en el caso del campo eléctrico son las cargas eléctricas, y en el caso del campo gravitatorio son las masas, y ambas interacciones son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia.

DIFERENCIAS

• La interacción eléctrica, puede ser una atracción o una repulsión, mientras que la interacción gravitatoria es siempre una atracción.

• La interacción gravitatoria parece propagarse a través del espacio con una velocidad infinita. mientras que la interacción eléctrica se propaga con una velocidad finita.

CONDUCTORES, AISLADORES Y SEMICONDUCTORES

CONDUCTORES

Son conductores que al paso de la electricidad son muy bajos. Los mejores conductores son metales, como el oro, el cobre, el hierro, y el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la oportunidad de conducir electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones salinas.

Para el transporte de energía eléctrica, a si como para cualquier instalación domestico o industrial, el mejor conductor es la plata.

AISLANTES

Hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presenta una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,51024 veces. Aunque no existen cuerpos absolutamente aislante o conductores son muy buenos para evitar los cortocircuitos.

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no.

INTERACCIONES ELÉTRICAS

-la ley de coulomb para las interacciones eléctricas son muy semejantes en forma a la ley de la gravitación universal para las interacciones gravitatorias.

• en ambos casos la fuerza entre dos cuerpos es inversamente al cuadrado de la distancia que los separas.
• la fuerza es proporcional al producto de las cargas en el caso de las fuerzas eléctricas, y proporcional al producto de las masa en caso de las fuerzas gravitatorias.

 -Sin embargo, existen algunas diferencias importantes entre ambas:

• mientras todas las masas se atraen, las cargas eléctricas son de dos tipos (positivas y negativas), y las fuerzas entre ellas pueden ser de atracción (si las cargas son de signos contrarios) o de repulsión (si las cargas son del mismo signo).
• las interacciones eléctricas son mucho mas intensas que las gravitatorias: las fuerzas eléctricas suelen ser de 10 - 10 veces mayores que las fuerzas gravitatorias. De hecho, las interacciones eleléctricas son las responsables de las interacciones en átomos  y moleculas, mientras que la interaccion gravitatoria resulta ser demasiado debil para justicar estas estructuras: la interaccion eleléctrica es del orden de magnitud requerido para producir el enlace entre átomos  para formar moleculas, o el enlace entre electrones y protones para formar átomos.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Sabemos que toda materia está formada por un conjunto de átomos que, a su vez, están constituido por las partículas subatómicas como son: los electrones, los protones y los neutrones.

Elementos

Un elemento químico es toda sustancia pura, por lo que mantiene las mismas propiedades en toda la muestra y presenta una única composición, que no es posible descomponer en otras más simples por métodos químicos habituales.

En la actualidad se conocen más de 100 elementos (las distintas bibliografías no coinciden exactamente en el número), de los cuales 88 son naturales y el resto han sido producidos artificialmente.

Átomos

La materia está constituida por partículas indivisibles por métodos químicos convencionales, llamadas átomos.

Moléculas

La molécula puede definirse como la parte más pequeña de un compuesto (sustancia pura formada por combinación de dos o más elementos químicos) que mantiene sus propiedades químicas. Existen moléculas diatómicas (de dos átomos).

Las propiedades de los compuestos químicos son generalmente muy distintas a la de los elementos que lo componen. Así, por ejemplo, el Cl₂ es un gas tóxico y el Na es un metal muy activo y, sin embargo, el cloruro de sodio (NaCl) o sal común, es un compuesto necesario en nuestro organismo. 

LEY DE COULOMB

En la década de 1780 el físico francés Charles Coulomb investigó la relación cuantitativa de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados. Su ley la demostró usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre ellas.

Coulomb confirmo que la fuerza eléctrica entre dos pequeñas esferas cargadas es pro­porcional al cuadrado inverso de la distancia que las separa.

Esta ley postula que la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias es:

·         inversamente proporcional al cuadrado aplicado a la separación r entre las partículas y está dirigida a lo largo en la línea que las une.

·         proporcional al producto en las cargas q₁ y q₂.

·         atractiva si las cargas tienen signo opuesto y repulsiva si las cargas tienen igual signo.

Magnitud de la fuerza

CARGAS PUNTUALES

Son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa.

PRINCIPIO DE LA SUPERPOSICION

La fuerza total sobre una partícula q debido a un conjunto de cargas Q_i es la suma vectorial de cada fuerza que experimenta q debido a cada Q_i, es decir

Principio de la superposición

·         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.

·         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. 

ELECTROSTÁTICA

Es la que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas en su reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. Hay diferentes tipos de electrostática, estas son algunos de ellos:

ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO

Carga eléctrica de varillas por frotamiento

 Varillas de diferentes materiales frotadas con tela se acercan a trozos de algún material liviano tal como corcho, papel o semillas de grama. Se observa como dichos materiales son atraídos por las varillas debido a la carga eléctrica presente.

Carga eléctrica de un globo por frotamiento

 Se frota con un paño un globo inflado y se puede observar que atrae pequeños trozos de un material liviano. También se puede observar que se adhiere a una superficie, como por ejemplo el pizarrón.

ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO

Campanillas de Franklin

 El dispositivo llamado "campanillas de Franklin" se carga eléctricamente utilizando un generador electrostático. Se observa como pequeñas esferas metálicas son atraídas y luego repelidas por las superficies metálicas que forman parte de aquel.

Carga eléctrica de una persona

 Una persona puede ser cargada eléctricamente por medio de un generador electrostático (generador de Whimsurt o generador de Van der Graff ), pudiéndose observar varios efectos interesantes.

BENJAMIN FRANKLIN

(Boston, 1706 - Filadelfia, 1790) Político, científico e inventor estadounidense. Más tarde fundó el periódico La Gaceta de Pensilvania, que publicó entre los años 1728 y 1748. Publicó además el Almanaque del pobre Richard (1732-1757) y fue responsable de la emisión de papel moneda en las colonias británicas de América (1727).

Por lo que respecta a su actividad científica, durante su estancia en Francia, en 1752, llevó a cabo el famoso experimento de la cometa que le permitió demostrar que las nubes están cargadas de electricidad y que, por lo tanto, los rayos son esencialmente descargas de tipo eléctrico.

Para la realización del experimento, no exento de riesgo, utilizó una cometa dotada de un alambre metálico unido a un hilo de seda que, de acuerdo con su suposición, debía cargarse con la electricidad captada por el alambre. Durante la tormenta, acercó la mano a una llave que pendía del hilo de seda, y observó que, lo mismo que en los experimentos con botellas de Leyden que había realizado con anterioridad, saltaban chispas, lo cual demostraba la presencia de electricidad.Por lo que respecta a su actividad científica, durante su estancia en Francia, en 1752, llevó a cabo el famoso experimento de la cometa que le permitió demostrar que las nubes están cargadas de electricidad y que, por lo tanto, los rayos son esencialmente descargas de tipo eléctrico.

Para la realización del experimento, no exento de riesgo, utilizó una cometa dotada de un alambre metálico unido a un hilo de seda que, de acuerdo con su suposición, debía cargarse con la electricidad captada por el alambre. Durante la tormenta, acercó la mano a una llave que pendía del hilo de seda, y observó que, lo mismo que en los experimentos con botellas de Leyden que había realizado con anterioridad, saltaban chispas, lo cual demostraba la presencia de electricidad.

THALES DE MILETO

Nace en Turquía en el año  624 a. C,  Filósofo y matemático griego. En su juventud viajó a Egipto, donde aprendió geometría de los sacerdotes de Menfis, y astronomía, que posteriormente enseñaría con el nombre de astrosofía. Fue maestro de Pitágoras y Anaxímedes.

Fue el primer filósofo griego que intentó dar una explicación física del Universo, que para él era un espacio racional pese a su aparente desorden. En geometría, y en base a los conocimientos adquiridos en Egipto, elaboró un conjunto de teoremas generales y de razonamientos deductivos a partir de estos. Todo ello fue recopilado posteriormente por Euclides en su obra Elementos, pero se debe a Tales el mérito de haber introducido en Grecia el interés por los estudios geométricos. Tales fue uno de los primeros en trascender el tradicional enfoque mitológico que había caracterizado la filosofía griega de siglos anteriores.

LUIGI GALVANI

Nace en Italia en el año 1737, Médico y físico italiano. En 1759 se graduó en medicina en la Universidad de Bolonia. Fue interesándose por la fisiología y, en especial, por la interacción entre ésta y la electricidad. A lo largo de la década de 1780 llevó a cabo numerosos experimentos en dicho campo, algunos de ellos célebres, como el de la contracción muscular experimentada por las extremidades de una rana muerta al tocarlas Galvani con unas tijeras metálicas durante una tormenta eléctrica. En los años siguientes siguió reuniendo evidencia empírica de la naturaleza eléctrica de la actividad neurológica, hasta la publicación en 1791 de su ensayo Comentario sobre el efecto de la electricidad en la movilidad muscular, donde expuso la teoría de la existencia de una fuerza vital de naturaleza eléctrica que regiría los sistemas nervioso y muscular. Los enfrentamientos personales con las autoridades napoleónicas de su Bolonia natal agriaron los últimos años de su existencia.

WILLIAM GILBERT

Nace en Inglaterra en el año 1544, Físico y médico inglés. Fue uno de los pioneros en el estudio experimental de los fenómenos magnéticos. Estudió medicina en la Universidad de Cambridge, viajo a Europa en el año 1573 regreso a Inglaterra donde ejerció la medicina.

En 1589 era uno de los comisarios encargados de la dirección de la Pharmacopeia Londinensis. En 1601 fue nombrado médico de la corte, pero su fama se apoya especialmente en sus estudios sobre el magnetismo contenidos en El imán y los cuerpos magnéticos (De magnete magneticisque corporibus). Esta obra, que Galileo calificó de fundamental, fue publicada en Londres en 1600 y debe considerarse como el primer tratado importante de física aparecido en Inglaterra. Gilbert compiló en ella sus investigaciones sobre cuerpos magnéticos y atracciones eléctricas.

CHARLES AGUSTIN 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.

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.