Interacciones y campos: Un estudio profundo de las cargas eléctricas opuestas e iguales

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Laboratorio No. 2

FÍSICA III

Interacciones y Campos: Un Estudio Profundo de las Cargas Eléctricas Opuestas e iguales

Maximiliano Martinez Garces1, Karen Dayanna Lázaro Guevara3, Juan Jaiver Abril2 y Ronald Valderrama4

RESUMEN

En este experimento se investigó la dinámica del campo eléctrico generado por dos pares de electrodos con cargas iguales y opuestas, empleando un enfoque práctico para medir sus potenciales eléctricos. Los electrodos, creados con bolígrafo de tinta de plata sobre papel conductor y separados por 6 cm, se conectaron a fuentes de alimentación con polaridades opuestas. Utilizando un multímetro, se midió el voltaje en distintos puntos alrededor de los electrodos, identificando superficies equipotenciales mediante el posicionamiento de alfileres en áreas de voltaje constante. A través de este proceso, se delinearon las líneas de campo eléctrico, perpendiculares a las equipotenciales, para ambos conjuntos de electrodos. Este laboratorio permitió una comprensión profunda de la interacción entre cargas eléctricas y la formación de campos eléctricos en su entorno, aplicando principios fundamentales como la ley de Coulomb, que describe la fuerza de atracción o repulsión entre cargas basada en su magnitud y distancia relativa. Este análisis práctico, reforzado por la aplicación de herramientas específicas y materiales conductores, resultó en una exploración precisa y reveladora de las propiedades eléctricas en juego.

PALABRAS CLAVES: Campo eléctrico, Electrodos, Potenciales equipotenciales, Ley de Coulomb, Conductividad

ABSTRACT

In this experiment, the dynamics of the electric field generated by two pairs of equally and oppositely charged electrodes was investigated using a practical approach to measure their electric potentials. The electrodes, created with silver ink pen on conductive paper and separated by 6 cm, were connected to power supplies with opposite polarities. Using a multimeter, voltage was measured at different points around the electrodes, identifying equipotential surfaces by positioning pins in areas of constant voltage. Through this process, electric field lines, perpendicular to the equipotentials, were delineated for both sets of electrodes. This laboratory allowed a deep understanding of the interaction between electric charges and the formation of electric fields in their environment, applying fundamental principles such as Coulomb's law, which describes the force of attraction or repulsion between charges based on their size and relative distance. This practical analysis, reinforced by the application of specific tools and conductive materials, resulted in a correct and revealing exploration of the electrical properties at play.

KEYWORDS: Electric field, Electrodes, Equipotential potentials, Coulomb's law, Conductivity, Conductivity 

INTRODUCCIÓN

La interacción entre cargas eléctricas opuestas e iguales es un fenómeno que reside en el corazón de la física y es fundamental para entender el universo a nivel microscópico y macroscópico. Este principio rige desde la estructura atómica hasta la formación de complejas redes de campos eléctricos que permean el espacio, influenciando todo, desde la química molecular hasta la tecnología que impulsa nuestra vida cotidiana. Las cargas iguales se repelen con una fuerza que disminuye con el cuadrado de la distancia, mientras que las opuestas se atraen, manteniendo un equilibrio que es esencial para la estabilidad de la materia. Esta danza de atracción y repulsión entre cargas no solo explica fenómenos naturales como los rayos, sino que también es la base para el desarrollo de dispositivos electrónicos, marcando la pauta para los avances tecnológicos y científicos.

En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas y se evidencia por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, a través de campos electromagnéticos. La materia compuesta por átomos es eléctricamente neutra, es decir, no está cargada a menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica positiva (protones). (Young, 2019)

Sin embargo, la materia puede cargarse eléctricamente, es decir, puede ganar o perder carga, y así quedar cargada en forma negativa o positiva. La materia cargada genera un campo eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. (Griffiths, 2017)

Las cargas eléctricas no pueden crearse ni destruirse. La cantidad de carga eléctrica en el universo es constante, no cambia con el tiempo.

Los materiales responden de distinto modo a la inducción electromagnética. Algunos son conductores de la electricidad y otros son aislantes, es decir, no la conducen.

Conforme al Sistema Internacional de Medidas (SI), las cargas eléctricas se miden en una unidad llamada Coulombios o Coulomb (C). Su nombre se estableció en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), uno de los mayores estudiosos de este tipo de fenómenos físicos.

Una unidad de Coulomb se define como la cantidad de carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio por un conductor eléctrico en un segundo. Un amperio corresponde a 6,242 x 1018 electrones libres. (Purcell, 2013)

Las cargas eléctricas interactúan entre sí de acuerdo con su tipo: pueden ser positivas o negativas, como las llamó Benjamín Franklin. Estas denominaciones son arbitrarias, es decir, no hay nada que distinga a la positiva de la negativa, pero se las piensa igual que a un dipolo magnético, como una batería, que posee un polo positivo (o norte) y un polo negativo (o sur). (Purcell, 2013)

La positiva se denota con el signo + y la negativa con el signo -, convencionalmente. Las cargas eléctricas de signos iguales se repelen. Las cargas eléctricas de signos opuestos se atraen.

Dicho en términos físicos, es un campo vectorial en el cual una carga eléctrica determinada (q) sufre los efectos de una fuerza eléctrica (F).

Estos campos eléctricos pueden ser consecuencia de la presencia de cargas eléctricas, o bien de campos magnéticos variables, como lo demostraron los experimentos de los científicos británicos Michel Faraday y James C. Maxwell. (Feynman, 1964),

Por esa razón, los campos eléctricos, en las perspectivas físicas contemporáneas, se consideran junto a los campos magnéticos para formar campos electromagnéticos. Así, un campo eléctrico es esa región del espacio que se ha visto modificada por la presencia de una carga eléctrica. Si esta carga es positiva, genera líneas de campo eléctrico que «nacen» en la carga y se extienden hacia fuera con dirección radial. Si, por el contrario, la carga es negativa, las líneas de campo «mueren» en la carga. Si se acerca una carga a la región del espacio donde existe un campo eléctrico, ésta experimentará una fuerza eléctrica con una dirección y sentido. (Purcell, 2013)

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