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Para los exámenes y criterios de evaluación, lee bien al fondo abajo del Blog el texto "Para Tener en Cuenta". .Norberto

lunes, 23 de septiembre de 2013

ELECTROSTÁTICA ELEMENTAL


ALGO DE HISTORIA

Por ser la energía eléctrica una de las más utilizada por la sociedad actual, veremos algunos de los aspectos más importantes sobre la misma.
Seis siglos antes de Cristo, Tales de Mileto, uno de los más conocidos pensadores griegos de la antigüedad clásica, describió por primera vez el fenómeno que habían observado los joyeros, de que al frotar el ámbar para pulirlo, adquiría la propiedad de atraer cuerpos pequeños y livianos que se adherían a él. Tu puedes repetir esta observación frotando un bolígrafo o regla plástica con tu buzo o cualquier prenda o el cabello y acercándolo luego a pequeños trozo de papel.
El ámbar es una resina vegetal fosilizada, dura y quebradiza, de gran belleza al pulirla, que se utiliza por eso en joyería, pero su nombre griego es “elektron”, de allí que se use la palabra electricidad para nombrar a esta propiedad del ámbar o elektrón.
Muchísimo tiempo después los científicos encontraron que hay numerosas sustancias que se comportan de un modo similar al ámbar. Sin embargo no todas ejercen fuerzas de atracción sino que hay algunas que se atraen y otras que se rechazan, además hay casos en que la electrización es mayor y se producen descargas en forma de chispas o rayos de luz.
Por eso podemos acercarnos a una definición de la electricidad diciendo que es la propiedad de la materia que se manifiesta como una forma de energía mediante fuerzas de atracción o repulsión o fenómenos luminosos.

ELECTROSTÁTICA
Toda la materia es eléctrica, pero hay determinados tipos de sustancias que permanecen cargados al frotarlos porque no pueden conducir la electricidad y por lo tanto esta permanece en reposo en el lugar donde se acumula. En cambio otras sustancias pueden conducirla y la electricidad se desplaza de una zona a otra de modo que no puede acumularse.
Se llaman conductores eléctricos a los materiales que la conducen y aislantes o dieléctricos a los que no pueden conducirla. (Cuando se estudie la corriente eléctrica se verá una clasificación más completa)
Los mejores conductores a temperaturas normales son los metales, en especial el oro, la plata, el cobre, el platino y el aluminio, entre los más usados. Los mejores aislantes son: el vidrio, las cerámicas, plásticos, caucho, etc.
Al observar que hay cuerpos que se atraen y otros que se rechazan al electrizarse, se descubrió que existen dos clases de electricidad a las que en un principio se llamó vítrea (del vidrio) y resinosa (de las resinas como el ámbar). Más adelante comenzaron a identificarse con signos: positivo para la vítrea y negativo para la resinosa. Estos signos son sólo convencionales y no dan ninguna idea de mayor o menor cantidad.
Decimos entonces que dos cuerpos con la misma clase de electricidad se rechazan y con distinta clase de electricidad se atraen entre sí.


Por otra parte, un cuerpo cargado puede atraer a uno neutro por un proceso llamado inducción eléctrica. Al arrimar un cuerpo cargado (inductor) a otro descargado, se produce en el segundo un desplazamiento interno de sus cargas (inducido), de modo que las cargas de signo contrario al inductor se acercan a él y las del mismo signo se alejan; por este motivo, cualquiera sea el signo eléctrico del inductor, la fuerza de atracción será siempre mayor que la de repulsión y el cuerpo inducido será atraído.


Hoy sabemos lo que ocurre al frotar dos cuerpos diferentes, porque a fines del siglo XIX, se descubrieron dos partículas eléctricas que cambiarían fundamentalmente las ideas que los científicos tenían sobre la electricidad y sobre la estructura de la materia. Fueron el electrón y el protón, principales constituyentes de todos los átomos que forman la materia conocida.
El electrón es una partícula relativamente liviana (1/1837 de la masa del átomo de hidrógeno) pero con electricidad negativa y una carga equivalente a la del protón; se encuentra girando alrededor del núcleo del átomo en diferentes niveles de energía a distintas distancias. El protón es una partícula pesada (de masa casi igual al átomo de hidrógeno  pero con electricidad positiva que se encuentra dentro del núcleo atómico junto con los neutrones (que no tienen carga eléctrica). Como todos los átomos tienen la misma cantidad de electrones que de protones, y ambos tienen la misma cantidad de electricidad (carga eléctrica), la materia es naturalmente neutra; sin embargo, bajo determinada circunstancias (por ejemplo al frotar íntimamente dos sustancias diferentes), algunos electrones del último nivel de energía pueden desprenderse de sus átomos y pasar a la otra sustancia; en este proceso, la sustancia que perdió electrones queda con una diferencia de cargas positiva, mientras que la que los ganó queda negativa; decimos entonces que se han cargado de electricidad, es decir se han electrizado. Generalmente esta electrización es débil y los cuerpos quedan con poca carga, pero se han ideado máquinas para aumentar este efecto y lograr grandes cantidades de carga.
El frotamiento entre dos cuerpos, no es el único modo de hacer que la electricidad se manifieste. Hay materiales que generan electricidad al apretarlos, estirarlos o torcerlos es decir al someterlos a fuerzas mecánicas; de esta manera se produce la chispa de un encendedor electrónico de cocinas; este fenómeno se llama piezoelectricidad. Otros materiales se electrizan al calentarlos, fenómeno llamado piroelectricidad.

CARGA ELÉCTRICA
La cantidad de electricidad o carga eléctrica de un cuerpo es una magnitud física que se puede medir por comparación entre diversos cuerpos. Como toda magnitud, la carga eléctrica debe tener una unidad. La unidad internacional de carga eléctrica es el “COULOMB”, nombre que se le puso en homenaje al científico Charles Agustín Coulomb, de quien debes conseguir una breve biografía.
El coulomb es una unidad derivada en el Sistema Internacional de medidas, a partir del Ampere que es la unidad fundamental, por lo que su definición escapa al nivel de este apunte. Sin embargo podemos decir que el coulomb es una unidad relativamente grande y se suelen usar submúltiplos. Por ejemplo una birome frotada puede tener una carga de unos pocos microcoulombs (µC). Aún así la carga eléctrica mínima que es la del electrón es del 1,602x10–19 C
A este mismo científico se debe la demostración de la ley que lleva su nombre, y que explica de qué factores depende la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados de electricidad. Coulomb demostró que dicha fuerza disminuye a medida que los cuerpos se alejan entre sí, en forma proporcional al cuadrado de la distancia y tiempo más tarde se encontró que la cantidad de electricidad que tiene el cuerpo está directamente relacionada con estas fuerzas por lo que la ley se expresa en la actualidad de la siguiente manera: “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de esas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”
Esta es una ley fundamental de la Electrostática y nos dice que cuanto más cargados estén ambos cuerpos mayor será la fuerza entre ambos y cuánto más cerca se encuentren uno del otro mayor será también dicha fuerza. La fórmula matemática que la expresa es similar a la de las fuerzas magnéticas y gravitatorias:
En la que q1 y q2 son las cargas eléctricas, d es la distancia entre ambas y k es la constante dieléctrica del medio y vale 9x109 Nm2/C2 para el vacío.
Por ejemplo: una carga de 1 C es capaz de repeler a otra igual situada a 1 m de distancia en el vacío, con una fuerza de:
F = 9.000.000.000 N



Otro ejemplo: un electrón se atrae con el núcleo del átomo de Hidrógeno cuyo radio es 5,29x10–11 m, con una fuerza de:
         F = 8,23x10-8 N


CAMPO ELÉCTRICO
Se llama campo eléctrico a la zona del espacio que rodea a un cuerpo cargado en el que este manifiesta su fuerza de atracción o de repulsión sobre otros. Este campo es teóricamente infinito ya que su intensidad decrece progresivamente con el cuadrado de la distancia según la ley de Coulomb. En la práctica, su valor se hace imperceptible para cualquier instrumento más allá de una cierta distancia. Este campo queda representado por sus líneas de fuerza que son las trayectorias que recorrería una carga eléctrica positiva, si se la dejara libre en el campo. Las líneas de fuerza del campo generado por una carga aislada, tienen dirección radial y sentido saliente de la carga positiva o entrante a la negativa.
Una carga eléctrica colocada en un punto del campo recibirá la acción de una fuerza que puede ponerla en movimiento, es decir que generará una energía potencial o cinética, según que la carga pueda o no moverse.
Se llama energía potencial eléctrica a esa energía que tiene una carga sometida a la acción de un campo eléctrico. Esta energía depende básicamente, de acuerdo a la ley de Coulomb, de la carga del cuerpo que origina el campo, de la distancia y de la carga colocada en ese punto. Esta energía se calcula por el trabajo que debe realizarse para traer la carga desde el infinito (Donde el campo se haría teóricamente nulo) hasta ese punto del campo.
Se llama potencial de un punto del campo a la energía potencial que tendrá en ese lugar la unidad de carga eléctrica, el coulomb.
En fórmulas V = Ep/q, es decidir que el potencial es la energía de la unidad de carga. Si la energía se mide en joule (J) y la carga en coulomb (C), el potencial se mide en volts o voltios (V), que es la unidad internacional.  V = J/C. Se llama diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico (Vab) a la diferencia que existe entre el potencial de esos dos puntos.  Vab = Va – Vb. Una carga eléctrica positiva se desplazará naturalmente desde un punto de mayor potencial a otro de menor potencial.
Continuando con el ejemplo del átomo de Hidrógeno propuesto en el apartado anterior, podremos calcular el potencial eléctrico en el primer nivel de energía y la energía potencial del electrón que se encuentre en ese nivel.

V = Ep/q  y  Ep = F.d, donde  d = r  es decir que V = F.r/q
V = 8,23x10–8N x 5,29x10–11m/1,602x10–19C  
à V = 27,187V  
Ep = V.q  à  Ep = 27,187V x 1,602x10–19C  à  Ep = 4,36x10-18J