Unidades de carga eléctrica en el sistema internacional

La materia consiste de partículas extremadamente pequeñas agrupadas juntas para formar el átomo. Hay 92 ocurrencias naturales de estas agrupaciones de partículas llamadas elementos. Estos elementos fueron agrupados en la tabla periódica de los elementos en secuencia de acuerdo a sus números atómicos y peso atómico. Hay además 14 elementos hechos por el hombre que no ocurren en la naturaleza, por lo que al final son unos 106 elementos conocidos hasta la fecha. Estos elementos no pueden cambiarse por procesos químicos. Ellos solo pueden ser cambiados por reacción nuclear o atómica, sin embargo pueden ser combinados para producir el incontable número de compuestos con los que tropezamos día a día.

ESTRUCTURA DE ÁTOMO

Un átomo puede ser representado simbólicamente en un modelo que recrea nuestro sistema solar, el cual tiene en el centro el sol y los planetas girando en órbitas alrededor de él. Este modelo atómico, representado en la figura 1 fue propuesto por el físico Danés, Niels Bohr en 1913. Los mecanismos cuánticos actuales han demostrado que este modelo no es exactamente correcto, pero sigue siendo útil para la visualización de átomo.

El centro del átomo se llama núcleo y está principalmente formado por las partículas llamadas Protones y Neutrones, los que constituyen la mayoría de la masa del átomo. Orbitando alrededor del los núcleos están pequeñas partículas llamadas electrones. Estos electrones tienen una masa muchas veces mas pequeña que el Protón y el Neutrón. Hay otras partículas sub-atómicas estudiadas por los físicos atómicos, pero estas tres son suficientes para nuestro propósito.

1.1.2. CARGA ELÉCTRICA

Toda la materia, se compone de átomos y estos a su vez en partículas elementales como los electrones los protones y los neutrones y todos ellos tienen una propiedad llamada carga eléctrica. La cual también se interpreta como la cantidad e electricidad que transporta un conductor.

Un átomo puede ganar electrones y quedar con carga negativa, o bien, perderlos y adquirir carga positiva. La masa de un protón es casi 2000 veces mayor que la del electrón pero la magnitud de las cargas eléctricas es la misma.

En cuanto a las cargas eléctricas un electrón tiene carga negativa y un protón carga positiva, mientras que los protones son eléctricamente neutros ya que contienen el mismo número de cargas positivas y negativas.

Una carga eléctrica se distribuye uniformemente en la superficie de un objeto.

La ley de la conservación de la carga nos dice que es imposible producir o destruir una carga positiva sin producir o destruir al mismo tiempo una carga negativa de idéntica magnitud por tanto la carga eléctrica total del universo es una magnitud constante, pues no se crea ni se destruye.

Es importante resaltar que existe una gran diferencia entre las cargas eléctricas y los campos electromagnéticos. Mientras los campos electromagnéticos no pueden existir aislados uno del otro, las cargas eléctricas si pueden existir por separado.

1.1.3. UNIDADES DE CARGA ELÉCTRICA EN EL SISTEMA INTERNACIONAL

La unidad elemental para medir la carga eléctrica, es la carga eléctrica del electrón, pero por ser una unidad muy pequeña se emplean múltiplos de acuerdo al Sistema Internacional (SI).

En dicho sistema se emplea el coulomb que es 6.27X1018 veces la carga del electrón. En electrostática se trabaja con cargas eléctricas mucho menores a 1C y por eso se emplean submúltiplos del Coulomb como el milicoulomb y el microcoulomb

La carga de un electrón y de un protón expresada en Coulombs es la siguiente:

1 electrón = -1.6X10-19 C

1 protón = 1.6X10-19 C

1.1.4. LEY DE COULOMB

Charles Coulomb observo que a mayor distancia entre dos objetos cargados eléctricamente, menor es la fuerza de atracción o repulsión. Pero la fuerza no se reduce en igual proporción al incremento de la distancia sino respecto al cuadrado de la misma.

Este científico también descubrió que la fuerza de atracción o repulsión entre dos objetos cargados aumenta de modo proporcional al producto de sus cargas, y de estas observaciones estableció: que el valor de la fuerza F de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa.

En base a estas observaciones Coulomb formulo la ley que lleva su nombre: la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales q1 y q2, es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que las separa. Donde k es la constante dieléctrica del cual dependerá del medio donde se encuentre la carga eléctrica

Medio material Constante Dieléctrica (k) Medio material Constante Dieléctrica (k)

Vacio 1 Aceite 2.5

Aire 1.0005 Mica 6

Gasolina 2.3 Glicerina 43

Ámbar 2.7 Agua 81

Vidrio 4.5

q1, q2 = cargas de los objetos en Coulombs

r = distancia entre los dos objetos

F = fuerza atractiva o repulsiva, según sean las cargas de signo contrario o del mismo signo, en newton (N).

k = constante electrostática equivalente a 9×109 Nm2 / C2.

Si entre dos objetos existe una sustancia, la fuerza, como ya se dijo, se vuelve menor; el coeficiente entre la fuerza en el vacío y la fuerza de un medio interpuesto, se llama permeabilidad o coeficiente dieléctrico de la sustancia

Donde:

F = fuerza entre dos cargas colocadas en el vacio

F´= fuerza entre dos cargas, con un dieléctrico entre ellas

k = permeabilidad del medio

1.1.5. CAMPO ELÉCTRICO

Una carga eléctrica se encuentra siempre rodeada por un campo eléctrico. Las cargas de diferente signo se atraen y las de igual signo se repelen, aun cuando se encuentren separadas. Esto quiere decir que las cargas eléctricas influyen sobre la región que esta a su alrededor; esta región recibe el nombre de campo eléctrico, el cual es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los objetos cargados con lo cual es fácil detectar su influencia.

En otras palabras en un punto del espacio existirá un campo eléctrico cuando sobre una carga eléctrica (q) colocada en dicho punto, ejerce una fuerza de origen eléctrico.

La dirección del campo eléctrico en cualquier punto viene dada por la de la fuerza que actúa sobre una carga positiva unidad colocada en dicho punto. Las líneas de fuerza en un campo eléctrico están trazadas de modo que son, en todos sus puntos, tangentes a la dirección del campo, y su sentido positivo se considera que es el que partiendo de las cargas positivas termina en las negativas (Figura 1).

Dicho de otra forma consideramos que la fuerza eléctrica que actúa sobre q se debe a la acción del campo, y no a la acción directa de una carga sobre otra.

Figura 1. Líneas de fuerzas en cargas puntuales.

1.1.6. INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO

La intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial, ya que la fuerza también lo es y por eso los campos eléctricos se suman vectorialmente. Por tanto la dirección y el sentido del vector que represente la intensidad del campo eléctrico será igual a la de la fuerza a la de la fuerza que actúa en ese punto sobre una carga positiva. El valor de la intensidad del campo eléctrico no es constante sino que disminuye a medida que aumenta la distancia. Sin embargo la intensidad del campo eléctrico será la misma para todos los puntos con igual distancia del centro de la carga

También se considera que la intensidad del campo eléctrico (E) es el cociente de dividir la fuerza (F) que recibe la carga, entre el valor de la misma, cuando la carga se coloca en un punto fijo.

Es importante que se especifique el puinto, ya que en otro punto seguramente la intensidad del campo sera distinta. La intensidad del campo eléctrico es igual a la fuerza que recibe la unidad de carga.

1.1.7. FLUJO ELÉCTRICO Y LEY DE GAUSS

La magnitud matemática relacionada con el número de líneas de fuerza que atraviesa una superficie recibe el nombre de flujo eléctrico. Debido a que el campo eléctrico es proporcional al número de líneas por unidad de área, el flujo es proporcional al número de líneas de fuerza que atraviesan esa área.

Cuando un campo eléctrico atraviesa una superficie, se define al flujo eléctrico como el producto escalar del campo por la superficie. Mide de alguna manera las líneas de campo que atraviesan esa superficie.

Siendo θ el ángulo entre el vector normal al área y el vector campo eléctrico. Como las superficies pueden no ser planas y los campos eléctricos no uniformes, se resuelve con una integral. En caso de que el campo sea uniforme se saca E fuera de la integral.

1.2. POTENCIAL ELÉCTRICO Y CAPACITANCÍA

1.2.1. POTENCIAL ELÉCTRICO

El potencial eléctrico en un punto es el trabajo realizado para mover una carga eléctrica de un punto a otro.

T = trabajo realizado para pasar la carga del potencial cero al punto considerado (Joule)

.q = carga que será transportada (coulomb)

V = potencial en el punto considerado volts (Volts)

1.2.2. DIFERENCIA DE POTENCIAL

Se llama diferencia de potencial o de tensión entre dos puntos, al trabajo suministrado parra llevar a una carga de un punto a otro

T12 = es el trabajo realizado para llevar la carga

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