LA CARGA ELÉCTRICA Y LA LEY DE COULOMB

LA CARGA ELÉCTRICA Y LA LEY DE COULOMB

27.1 Electromagnetismo. Un estudio preliminar

Las fuerzas electromagnéticas son responsables de la estructura de los átomos y del enlace de los mismos en las moléculas y en los sólidos.

La elasticidad de los sólidos y la tensión superficial de los líquidos son de naturaleza electromagnética, así como también la fuerza de un resorte, la fricción y la fuerza normal, debido a que su origen son de la misma.

27.2 La carga eléctrica

La carga eléctrica es una de las propiedades básicas de la materia. los fenómenos eléctricos indivisiblemente unidos a los magnéticos están presentes en todas partes ya sea en tormentas, la radiación solar o el cerebro humano.

La esencia de la electricidad es la carga eléctrica, existen dos tipos cargas positivas y negativas, las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

Los fenómenos de la electrización y la conducta pueden explicarse como el resultado de la acción de fuerzas eléctricas, se puede cargar un cuerpo solo con tocarlo con otro previamente cargado. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que esta neutro.

Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionados, que de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre el otro. La magnitud de las fuerzas eléctricas de atracción y repulsión entre cargas se rige por el principio fundamental de la electrostática también llamado ley de coulomb

Oersted hizo este descubrimiento cuando preparaba una plática de demostración para sus estudiantes de física.

Michael Faraday (1791-1867), un experimentador con un talento natural para la intuición y la abstracción en la física, desarrollo la nueva ciencia del electromagnetismo.

James Clerk Maxwell (1831-1879), puso las ideas de Faraday en forma matemática e introdujo muchas ideas nuevas propias, dotando al electromagnetismo con una base teórica sólida.

Maxwell llego a la conclusión de que la luz es de naturaleza electromagnética y que su velocidad podía deducirse a partir de mediciones puramente eléctricas y magnéticas, así pues la óptica estaba íntimamente relacionado con la electricidad y el magnetismo.

El alcance de las ecuaciones de Maxwell es notable, pues abarcan los principios fundamentales de todos los aparatos electromagnéticos y ópticos en gran escala, como los motores, la radio, la televisión, el radar de microondas, el microscopio y el telescopio.

El interese actual por el electromagnetismo adquiere dos formas, en el ámbito de las aplicaciones o en la práctica, las ecuaciones de Maxwell se emplean en el estudio de las propiedades eléctricas y magnéticas de nuevos materiales y en el diseño de aparatos electrónicos de una complejidad y perfección cada vez mayores.

La unificación del electromagnetismo de Maxwell podía predecir fenómenos (a saber, la existencia de las ondas electromagnéticas).Están en camino esfuerzos teóricos persistentes por extender esta unificación e incluir la interacción fuerte, que enlaza a los núcleos entre sí, y existen esperanzas que al final se incluya también en esta unificación a la fuerza gravitatoria, de modo que un mismo marco teórico abarcaría todas las interacciones fundamentales conocidas.

Todos estamos familiarizados con el fenómeno del relámpago, tales fenómenos ponen en evidencia la gran cantidad de carga eléctrica que se almacena en los objetos que nos rodean.

La neutralidad eléctrica de la mayoría de los objetos en nuestro mundo visible y tangible oculta el contenido de cantidades enormes de carga eléctrica positiva y negativa. Que en su mayor parte, se cancelan entre sí en sus efectos externos. Solo cuando este equilibrio eléctrico se perturba, la naturaleza nos revela los efectos de una carga positiva o negativa no compensada. Los cuerpos cargados ejercen fuerzas entre sí.

Existen dos clases de carga, una positiva y otra negativa. Es decir las cargas del mismo signo se repelen, y las cargas del signo contrario se atraen. Los nombres positivo y negativo referidos a la carga eléctrica se deben a Benjamín Franklin (1706-1790).

Las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados tienen muchas aplicaciones industriales, estando entre ellas el rociado electrostático de pintura y el recubrimiento con polvos, la precipitación de cenizas volantes, la impresión sin impacto por chorro de tinta y el fotocopiado.

27-3 Conductores y aislantes

Hay ciertos materiales por los cuales la carga puede fluir fácilmente, a estoy materiales se les llaman conductores, de los cuales el cobre es un ejemplo. En otros materiales, llamados aislantes, las cargas no fluyen en la mayoría de los casos.

Si se colocan cargas en un aislante, por ejemplo el plástico, las cargas permanecen en donde se colocaron .El vidrio, el agua químicamente pura y los plásticos son ejemplos comunes de aislantes. Si bien no existen aislantes perfectos, el cuarzo fundido es bastante bueno, su capa capacidad aislante es de alrededor de 10ᶺ25 veces la del cobre.

El cobre, los metales en general, el agua de la llave, y el cuerpo humano son ejemplos comunes de conductores. En los metales, un experimento llamado “efecto hall” demuestra que las cargas negativas (electrones) son las que pueden moverse libremente.

Cuando los átomos de cobre se unen para formar cobre solido sus electrones exteriores no permanecen unidos a cada átomo, sino que quedan en libertad de moverse dentro de la estructura reticular rígida formada por los centros de los iones cargados positivamente , a estos electrones móviles se les llama “electrones de conducción”.

En un conductor típico, cada átomo puede contribuir con un electrón de conducción y, por tanto debería haber unos 10ᶺ23 electrones de conducción por cmᶺ3 en promedio.

En un punto intermedio entre los conductores y aislantes están los semiconductores como el silicio o el germanio. Un semiconductor típico puede contener entre 10ᶺ10 y en 10ᶺ12 electrones de conducción por cmᶺ3 .Una de las propiedades de los semiconductores es que la densidad de los electrones de conducción puede cambiarse pronunciadamente mediante cambios pequeños en las condiciones del material, introduciendo, por ejemplo, pequeñas cantidades de impurezas o variando el voltaje aplicado, la temperatura, o la intensidad de la luz que incide sobre el material.

27-4 La ley de coulomb

Charles Augustin Coulomb (1736-1806) midió cuantitativamente la atracción y repulsión eléctrica y dedujo la ley que las gobierna.

Los experimentos realizados por coulomb y sus contemporáneos demostraron que la fuerza eléctrica que un cuerpo cargado ejerce sobre otro depende directamente del producto de las magnitudes de las dos cargas e inversamente del cuadrado de su separación.

Esto es:

F∞ q1q1/rᶺ2

Aquí F es la magnitud de la fuerza mutua que actúa sobre cada una de las 2 cargas a y b; q1 y q2 son las medidas relativas de las cargas en las esferas a y b y r es la distancia entre sus centros. La fuerza en cada carga debido a la otra actúa a lo largo de la línea que une a las cargas. Las dos fuerzas apuntan en sentidos opuestos pero tienen magnitudes iguales, aun cuando las cargas sean diferentes.

Para convertir la proporcionalidad anterior en una ecuación, introduzcamos una constante de proporcionalidad representada por ahora por k. así, obtenemos, para la fuerza entre las cargas.

(1) F=k (q1 q2)/rᶺ2

La ecuación 1, que se llama ley de Coulomb, generalmente se cumple solo para objetos cargados cuyas dimensiones sean mucho menores que la distancia entre ellos.

La ley de Coulomb se asemeja a la ley de la variación inversa del cuadrado de la distancia enunciada por newton para la gravitación F=G m1m2/Rᶺ2. Ambas son leyes del inverso de los cuadrados, la carga q desempeña el mismo papel en la ley de Coulomb que le que desempeña la masa m en la ley de la gravitación de newton .Una diferencia entre las dos es que las fuerzas gravitatorias, son siempre de atracción, mientras que las fuerzas electrostáticas pueden ser de repulsión o de atracción.

La fuerza por ser un vector, tiene también propiedades direccionales. En la ley de coulomb la dirección de la fuerza queda determinada dependiendo del signo relativo de las dos cargas eléctricas.

La forma vectorial de la ley de coulomb es útil porque conlleva la información direccional acerca de F y si la fuerza es de atracción o de repulsión. El uso de la forma vectorial es de importancia crítica cuando consideramos que las fuerzas actúan sobre un conjunto de más de dos.

Representación matemática del principio de superposición aplicado a fuerzas eléctricas.

F1=F12+F13+F14 +….,

Donde F12 es la fuerza sobre la partícula 1 provocada por la partícula 2, F13 es la fuerza que ejerce sobre la partícula 1, la partícula 3 y así sucesivamente.

Este principio nos permite calcular la fuerza debida a cualquier par de cargas como si las otras cargas no estuvieran presentes.

Esta ley, cuando está incorporada dentro de la estructura de la física cuántica, describe correctamente:

(1) Las fuerzas eléctricas de enlace de los electrones de un átomo con su núcleo.

(2) las fuerzas que enlazan a los átomos entre sí para formar las moléculas.

(3) las fuerzas que ligan

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