Carga eléctrica y campo eléctrico

Tarea #2

RESUMEN: Unidad 1- Carga eléctrica y campo eléctrico.

Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedad llamada carga eléctrica, tan fundamental como la masa. Los objetos cargados eléctricamente se ven acelerados por fuerzas eléctricas.

La carga eléctrica esta cuantizada y obedece principios de conservación, tiene interacciones llamadas electroestáticas que se rigen por una relación sencilla que se conoce como Ley de Coulomb.

1. Carga eléctrica.

La palabra “eléctrico” se deriva del vocablo griego elektron, que significa ámbar (por el antecedente de los griegos mencionado en la tarea anterior). La electroestática es la interacción entre cargas eléctricas en reposo. Hay exactamente dos tipos de carga eléctrica según Benjamín Franklin la carga negativa y la carga positiva. Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una negativa se atraen.

-Carga eléctrica y la estructura de la materia.

Los átomos constituyen la materia ordinaria de todas clases y es por eso que se debe estudiar su estructura que se describe en términos de tres partículas: electrón (carga negativa), protón (carga positiva) y neutrón (sin carga). El protón y el neutrón son combinaciones de otras entidades llamadas quarks, que tienen cargas de±1/3 y ±2/3 de la carga del electrón.

Los protones y los neutrones en un átomo forman el núcleo, pequeño y muy denso, cuyas dimensiones son del orden de  m. Los electrones rodean al núcleo a distancias del orden de m. Los electrones cargados negativamente se mantienen dentro del átomo gracias a fuerzas eléctricas de atracción que se extienden hasta ellos, desde el núcleo con carga positiva (los protones no se repelen por la fuerza nuclear fuerte que es de corto alcance y solo funciona para el núcleo).[pic 1][pic 2]

En un átomo neutro el número de electrones es igual al número de protones, y se le denomina número atómico, la ganancia o pérdida de electrones se llama ionización, la perdida lo vuelve un ion positivo y la ganancia uno negativo. Cuando hablamos de la carga de un cuerpo, siempre nos referimos a su carga neta, la cual siempre es una fracción muy pequeña (comúnmente no mayor de ) de la carga total positiva o negativa en el cuerpo.[pic 3]

-La carga eléctrica se conserva

“La suma algebraica de todas las cargas eléctricas en cualquier sistema cerrado es constante.” Es el principio de conservación de la carga, la carga no se crea ni se destruye solo se transfiere a otro cuerpo. Otro principio importante es: “La magnitud de la carga del electrón o del protón es la unidad natural de carga” la carga eléctrica no se divide en cantidades menores que la de un electro o protón entonces, la carga de cualquier cuerpo macroscópico siempre es igual a cero o a un múltiplo entero (negativo o positivo) de la carga del electrón.

1. Conductores, aislantes y carga inducida.

Hay materiales que permiten que las cargas se muevan con facilidad mientras hay otros que no, los que lo hacen reciben el nombre de conductores y los que no se les llama aislantes, la mayor parte de metales son buenos conductores; en tanto que los no metales son aislantes en su mayoría. También existen materiales se denominan semiconductores porque tienen propiedades intermedias entre las de buenos conductores y buenos aislantes.

-Carga por inducción.

En este proceso, se carga eléctricamente a un cuerpo con signo contrario de otro, sin que pierda parte de su propia carga, es decir, se excede a un material con una carga en específico. Estas cargas excedentes se llaman cargas inducidas.

-Fuerzas eléctricas en objetos sin carga.

Un cuerpo con carga ejerce fuerzas aun sobre objetos que no están cargados, esta interacción es un efecto de carga inducida. Incluso en un aislante, las cargas eléctricas pueden desplazarse un poco en un sentido u otro cuando hay otra carga cerca. Las cargas positivas y negativas en el material se hallan presentes en cantidades iguales, sin embargo un lado del objeto cargado es mayormente positivo, por ejemplo, por lo que reciben una fuerza de atracción mayor que la fuerza de repulsión que se ejerce sobre las cargas negativas, dando así una fuerza de atracción neta. Por lo tanto, un objeto con carga de cualquier signo ejerce una fuerza de atracción sobre un aislante sin carga.

1. Ley de Coulomb

En 1784 Charles Agustín de Coulomb estudió las fuerzas de atracción de partículas cargadas Coulomb descubrió que la fuerza eléctrica es proporcional a 1/ . Es decir, cuando se duplica la distancia r, la fuerza disminuye a ¼ de su valor inicial; cuando la distancia disminuye a la mitad, la fuerza incrementa cuatro veces su valor inicial. La fuerza eléctrica de dos cargas depende también de la cantidad de carga “Q”. Coulomb Descubrió que las fuerzas que dos cargas puntuales q1 y q2 ejercían una sobre la otra eran proporcionales a cada carga, por lo que también eran proporcionales a su producto q1q2.[pic 4]

Ley de Coulomb: “La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.”

[pic 5]

La magnitud de la fuerza de cada carga q1 y q2, separadas por una distancia “r” se interpreta por la ecuación de arriba donde k es una constante de proporcionalidad. Las direcciones de las fuerzas que las dos cargas ejercen sobre la otra siempre son a lo largo de la recta que las une. Cuando las cargas q1 y q2 tienen el mismo signo, positivo o negativo, las fuerzas son de repulsión; cuando las cargas tienen signos opuestos, las fuerzas son de atracción[pic 6]

-Constantes eléctricas fundamentales.

La unidad del SI para la carga eléctrica se llama coulomb (1 C). En unidades del SI, la constante k que aparece en la ecuación: “k = 8.987551787 x  N *  / = 8.988 3 109 N *  /”. Y se relaciona de cerca con la rapidez de la luz en el vacío. Donde C= 2.99792458 x  m/s por lo que: k = ( N * / ) .[pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16]

Definimos entonces: [pic 17]

Un coulomb representa el negativo de la carga total de aproximadamente 6 x  electrones. En problemas de electrostática es muy raro encontrar cargas tan grandes como de 1 coulomb. Por lo que es conveniente usar un microcuolomb o nanocoulomb como unidades de cargas prácticas.[pic 18]

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