Carga electrica y ley de coulom

CAPÍTULO 1

CARGA ELÉCTRICA Y LEY DE COULOMB

1.1 INTRODUCCIÓN

L

a finalidad del presente capítulo es iniciar al estudiante de bachillerato del Colegio en el estudio de la electrostática, que es la parte de la electricidad que se encarga del estudio de las cargas eléctricas en reposo. La parte fundamental del capítulo es la conocida e importante ley de Coulomb, que describe la interacción entre cargas eléctricas puntuales.

Para tratar el tema de la ley de Coulomb de una forma coherente y clara, primero se presentará de manera elemental una breve exposición sobre una de las propiedades de la materia, denominada carga eléctrica. Con el propósito de lograr una explicación adecuada sobre la electrización de un cuerpo por contacto, se expondrá escuetamente como está estructurado el átomo, en seguida se planteará la electrización de un cuerpo por inducción, pero antes, se clasificarán las sustancias en conductores y aisladores.

En esta parte se destacará, una vez que se haya establecido la existencia de la carga eléctrica, que la carga eléctrica cumple con el principio de conservación, enseguida se planteará que la carga eléctrica está cuantizada.

Después de exponer los conceptos sobre la carga eléctrica y los procedimientos de electrización de los cuerpos, se procederá a la formulación de la ley de Coulomb, a continuación se presentan problemas resueltos en los que se mostrará y aclarará el empleo de ésta importante ley de la electrostática.

Para finalizar se plantea una serie de preguntas y problemas propuestos, además al final del libro se presenta una amplia bibliografía, para que los alumnos puedan profundizar o ampliar lo tratado en este capítulo.

1.2 CARGA ELÉCTRICA

Seguramente la electricidad debió parecer a sus primeros investigadores como un fenómeno extraordinario. Tal vez con excepción del espectáculo de un relámpago, para el hombre las manifestaciones comunes y corrientes de la naturaleza, por ejemplo, desde  la congelación del agua, el crecimiento de una planta o de un árbol, así como la configuración estable de nuestro cuerpo no parecían tener relación con el curioso comportamiento de los cuerpos electrizados.

Actualmente, se sabe que las fuerzas eléctricas determinan en gran parte las propiedades físicas y químicas de la materia en todo el dominio, desde el átomo, la célula, hasta estructuras mucho más complejas como podría ser un organismo vivo.

Se debe señalar desde un principio, que el electromagnetismo clásico trata de las cargas y corrientes eléctricas, así como de sus interacciones, suponiendo que todas las magnitudes que intervienen pueden medirse independientemente con una precisión ilimitada, aquí el término clásico significa "no-cuántico". En la teoría clásica del electromagnetismo se ignora la ley cuántica con su constante h, tal como ocurre en la mecánica ordinaria, en realidad la teoría clásica había llegado casi a su estado presente de desarrollo antes del descubrimiento de Planck y ha sobrevivido extraordinariamente, ni la revolución de la física cuántica, ni el desarrollo de la teoría de la relatividad han empañado el esplendor de las ecuaciones del campo electromagnético que formuló James Clerk Maxwell

Desde los antiguos griegos se sabía que el ámbar frotado con lana, adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Al interpretar hoy esta propiedad se dice que el ámbar está electrizado, que posee una carga eléctrica o que está cargado eléctricamente. Es posible transferir carga eléctrica a cualquier cuerpo material frotándolo con otra sustancia, ya que todo lo que se requiere para electrizar un cuerpo es un íntimo contacto y el frotamiento sirve simplemente para establecer un buen contacto entre muchos puntos de las superficies.

Es conveniente empezar examinando algunos hechos básicos de los fenómenos eléctricos y luego discutir su interpretación. Por ejemplo, considere una experiencia eléctrica simple, la cual consiste  en frotar una  barra de vidrio con un paño de seda y luego colocar dicha barra horizontalmente sobre un soporte colgado de un hilo de seda. Enseguida frotar una segunda barra de vidrio y acercarla a la primera, entonces, se observará que las dos barras se repelen mutuamente. Si se repite la experiencia con dos barras de plástico frotadas con un trozo de piel se observará que las barras se repelen del mismo modo que las barras de vidrio.

Finalmente, si se frota una barra de vidrio con seda y una de plástico con piel, y si se coloca una de ellas en el soporte y se acerca la otra barra, se observará que las barras se atraen mutuamente. Para obtener una mayor claridad las experiencias antes expuestas se ilustran en la figura 1.1.

[pic 1]

Fig. 1.1 a) Barras de vidrio cargadas se repelen mutuamente.  b) Barras de plástico cargadas se repelen también mutuamente. c) Barras de vidrio y plástico cargadas eléctricamente se atraen entre sí

De las experiencias anteriores, se puede implicar que existen sustancias materiales que electrizadas se atraen mutuamente, mientras que otras se repelen. Por consiguiente, los cuerpos electrizados pueden clasificarse en dos grupos, es decir, sólo existen dos "estados eléctricos", uno semejante al de la barra de vidrio y otro semejante al de la barra de plástico.

Siguiendo el lenguaje común, que data de los tiempos de Benjamín Franklin, se establecerá que la barra de vidrio, así como aquellos objetos electrizados que se comportan de igual manera que el vidrio están cargados positivamente. Por otro lado, se establecerá que la barra de plástico, así como aquellos objetos electrizados que se comportan del mismo modo que el plástico electrizado están cargados negativamente.

Resumiendo se tiene: dos cuerpos cargados positivamente se repelen mutuamente como lo hacen las dos barras de vidrio electrizadas, de igual modo, dos cuerpos cargados negativa-mente se repelen mutuamente, además cualquier objeto cargado positivamente atrae a cualquier objeto cargado negativamente.

1.3 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

Con el propósito de comprender fácilmente las formas de electrización, es conveniente que se exponga, de una manera breve y sencilla la estructura del átomo.

Todos los átomos son agrupaciones más o menos complejas de partículas subatómicas y existen muchos procedimientos para separar algunas de estás partículas ya sea aisladas o en grupos. Las partículas subatómicas, es decir los constituyentes de los cuales están formados los átomos son tres: el electrón, el protón y el neutrón. Se han observado o postulado otras partículas subatómicas, pero su existencia es transitoria y no forman parte de la materia ordinaria.

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