electromagnetismo

Electromagnetismo

Parte I

 

Electromagnetismo

Capítulo 1

Campos Electrostáticos

 

  • Carga eléctrica

 

Los primeros trabajos sobre los fenómenos  eléctricos  se  remontan  a  los  griegos los cuales ya realizaron observaciones de la atracción eléctrica. Detectaron que al frotar el ámbar, éste atraía pequeños objetos como plumas. De ahí que la palabra eléctrico proceda del vocablo griego asignado al ámbar, elektron.

Para entender la existencia de la carga eléctrica podemos realizar el siguiente experimento . Supongamos que frotarnos una barra  de plástico  con un  trozo de piel y la suspendernos de una cuerda que puede girar libremente. Si aproximarnos a esta barra una segunda barra de plástico, frotada  también  contra  la  piel,  observarnos que la barras se repelen  entre sí.  Un  resultado  semejante  se obtiene si  repetirnos  el experimento con dos barras de vidrio frotadas con seda. Sin embargo, cuando utilizarnos una barra de plástico frotada con piel  con  una  barra  de vidrio frotada con seda, observarnos que las barras se atraen entre sí. Si repetirnos este experimento con distintos tipos de materiales comprobarnos que algunos de ellos  se atraen y otros se repelen.

La explicación a este fenómeno es que al frotar una barra se carga eléctricamente, además deducimos que dependiendo del material usado dicha carga es distinta, lo que hace que las barras se repelan o se atraigan entre sí.

En base a este experimento podernos decir que todos los objetos cargados pueden clasificarse en dos tipos: aquellos que se cargan como la barra de plástico frotada con un trozo de piel y los que se cargan corno la barra de vidrio frotada con un paño de seda.

Este fenómeno fue explicado por Benjamín Franklin (1706-1790) el cual propuso que todos los objetos tienen una cantidad “normal” de electricidad pero cuando dos objetos se frotan entre sí, parte de la electricidad de uno se transfiere al otro, lo que hace que uno de ellos tenga exceso de carga y el otro deficiencia. Franklin les asignó los nombres de positiva o negativa.

Así, la barra de vidrio frotada con un paño de seda la llamó positiva, lo cual significaba que el paño de seda adquiría una carga eléctrica de igual magnitud. Por contra, el plástico frotado contra la piel adquiere una carga negativa y la piel adquiere una carga positiva de igual magnitud. Corno vimos en nuestro experimento, dos objetos con el mismo tipo de carga se repelen entre sí, mientras que con cargas opuestas se atraen.

En resumen, la electrización es el fenómeno mediante el cual un objeto adquiere carga eléctrica ya sea positiva o negativa.

Así, dos objetos electrizados con el mismo tipo de carga se repelerán, mientras que con cargas distintas se atraerán.

Podernos observar distintos ejemplos de electrización en la vida cotidiana cuando nos cepillarnos el pelo o cuando la puerta del coche nos da una descarga.

Resulta incluso de gran importancia el conocimiento de los fenómenos de electrización cuando manejamos circuitos electrónicos ya que éstos pueden verse dañados si se produce una descarga eléctrica.

cargas-electricas

Tal y como se ha visto anteriormente una forma de comunicar carga eléctrica a un objeto es por fricción, en donde frotamos el objeto con otro objeto.

El frotamiento sirve sólo para establecer un buen contacto entre muchos puntos de las superficies, pasando electrones de una a la otra.

Otra posibilidad de cargar un objeto es por contacto en cuyo caso se pone en contacto un objeto cargado con otro descargado transfiriéndose cargas entre ellos de manera  que  ambos  resultan  electrizados  con el mismo tipo de carga.

Finalmente, un objeto puede ser cargado por inducción la cual se produce sin necesidad de contacto entre los objetos y se debe a las fuerzas eléctricas de Coulomb ejercidas por un objeto cargado sobre los electrones de otro objeto descargado.

Precisamente, este fenómeno es fundamental  en la polarización de aislantes, en la carga de los condensadores o en la actuación de los elementos electrónicos como los transistores de efecto de campo.

Para entender este último caso de electrización, veamos el ejemplo mostrado en la figura 1.1, en donde se representa la sección transversal de una esfera metálica cuando aproximamos una barra cargada negativamente.

El efecto de la barra sobre la esfera es la repulsión de los electrones, haciendo que parte de éstos se desplace a la superficie de la esfera opuesta a la barra.

Esto produce una pérdida de carga negativa y, por tanto, un exceso de carga positiva en la superficie de la esfera próxima a la barra y un exceso de carga negativa en la zona opuesta.

Tales excesos de carga se denominan cargas inducidas.

Hemos de observar que no existió transferencia de carga de la barra a la esfera y que ésta sigue siendo eléctricamente neutra. Las cargas inducidas permanecerán mientras mantengamos cerca la barra cargada.

001

 

 

Antiguamente para medir la presencia de carga en un objeto se disponía del electroscopio (creado por el médico inglés William Gilbert).

Este dispositivo es un instrumento  que permite determinar en un objeto, la presencia de cargas eléctricas, basándose en el fenómeno de separación de cargas por inducción.

El electroscopio consiste en una varilla metálica que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas  de oro muy delgadas.

La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Cuando las láminas de oro no están cargadas, permanecen juntas en posición vertical.

bote2

Sin embargo, cuando aproximamos un objeto cargado a la esfera las láminas se separan.

Si, por ejemplo, el objeto está cargado positivamente, por inducción, la esfera va a quedar cargada con cargas negativas dejando cargas positivas  en las laminas.

Al tener  el mismo tipo de carga éstas se repelen y se separan, siendo su divergencia una medida de la  carga. Cuando separamos  el objeto cargado de la esfera las láminas  vuelven  a  juntarse.  Actualmente este instrumento no es más que una curiosidad de museo, dando paso a mejores instrumentos electrónicos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.l. Cuantificación  de la carga

 

La materia está constituida por átomos eléctricamente neutros.

Un átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.

La cantidad de protones contenidos en el núcleo del átomo se conoce como núcleo atómico, el cual se representa por la letra Z.

Los protones están cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones están cargados negativamente.

La carga de un protónes +e y la de un electrón es -e, siendo e la unidad fundamental de carga.

Por ello, al existir igual número de protones que de electrones, el átomo posee una carga neta cero.

La masa, carga y el espín de un electrón o protón es una propiedad intrínseca de la partícula.

Las cargas se presentan en múltiplos enteros de la unidad fundamental de carga e.

Nunca se han observado cargas menores que la del electrón. De este modo, toda carga Q puede escribirse en la forma Q = ±ne, siendo ne, un número entero.

Sin embargo, en sistemas macroscópicos, ne puede ser un número muy grande  y  la carga parece ser continua.

La unidad de carga en el Sistema Internacional (SI)  es el culombio  (C), el cual se obtiene en función de la unidad de corriente o intensidad eléctrica, el amperio, que será estudiado en el capítulo 4.

El culombio es la cantidad de carga que fluye a través de un cable conductor en un segundo cuando la intensidad  de corriente en el mismo es un amperio.

La unidad fundamental de carga eléctrica e está relacionada con el culombio por:

 

e=  1’602177 – 10  19c

1.1.2 Conservación de la carga

 

Los experimentos descritos anteriormente indican que la carga se conserva.

Esto es, cuando dos objetos se frotan, en uno de ellos aumenta el número de electro­nes resultando una carga negativa y en el otro disminuye el número de electrones resultando una carga positiva al contener más protones que electrones.

La carga total, suma de las cargas de los dos objetos, no varía, es decir, la carga se conser­va.

La ley de conservación de la carga es una ley fundamental en la naturaleza.

Aunque se produzcan interacciones entre partículas elementales se creen o destruyan electrones siempre van a crearse o destruirse cantidades iguales de cargas positivas de forma que la carga del universo no cambia.

https://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica

 

1.1.3 Cargas eléctricas puntuales y distribuciones continuas de carga eléctrica

 

Cuando se trabaja con partículas cargadas, como electrones, protones, iones, etc., se puede considerar a dichas cargas como puntuales, esto es, como una carga concentrada en un punto geométrico del espacio.

También se consideran cargas puntuales aquellas para las que calculamos magnitudes eléctricas a distancias mucho mayores que las dimensiones del objeto cargado.

La carga de un electrón  o  un  protón  es tan  pequeña  que su cuantificación no se pone de manifiesto a nivel macroscópico.

Por ejemplo, un cuerpo con carga neta de -50 nC contiene unos 3, 12 *  10^11  electrones en exceso.

Podemos, por tanto, considerar que las cargas netas macroscópicas están distribuidas de forma continua ya que están muy cerca unas de otras en comparación  con las demás distancias de interés y manejar elementos diferenciales de carga, dq, siempre que se cumpla

e «< dq «< q.

Dependiendo de cómo se reparta la carga neta podemos encontrarnos con distintos tipos de distribución de carga.

Cuando está repartida a lo largo de una dimensión tendremos una distribución lineal de carga, si está repartida a lo largo de dos dimensiones tendremos una distribución superficial de carga y si está repartida a lo largo de tres dimensiones resulta una distribución volumétrica.

Para cualquier tipo de distribución continua de carga, el elemento de carga dq es tan  pequeño que se comporta como una carga puntual, es decir, los elementos  de línea  (dl), de superficie (dS) o de volumen (dV) deben ser pequeños desde el punto de vista macroscópico.

Veamos a continuación la definición de los tres tipos de densidad de carga.

 

 

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información.plugin cookies

ACEPTAR
Aviso de cookies
Hola Bienvenido, envíame un mensaje
Enviar