Conceptos Fundamentales de Electrostática y Electricidad
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Electrostática: Fundamentos de las Cargas Eléctricas
La electrostática es la rama de la física que se dedica al estudio de los fenómenos eléctricos producidos por las cargas eléctricas en reposo.
El Átomo y las Cargas: Modelo Atómico de Bohr y Partículas Subatómicas
Modelo Atómico de Bohr
Niels Bohr, en 1913, propuso un modelo en el que el átomo podía imaginarse como un sistema solar en miniatura. En este modelo, las partículas subatómicas fundamentales son los electrones, protones y neutrones.
Según la teoría de Bohr, los protones y neutrones forman la parte central del átomo (el núcleo), mientras que los electrones giran a su alrededor, describiendo órbitas circulares y elípticas.
Es importante destacar que los electrones y los protones se atraen mutuamente debido a sus cargas opuestas. Sin embargo, los protones entre sí se repelen, al igual que los electrones entre sí, debido a que poseen cargas del mismo signo.
Clasificación de Partículas Subatómicas (Más allá del Modelo de Bohr)
Aunque el modelo de Bohr se centra en electrones, protones y neutrones, la física de partículas ha descubierto más de 200 partículas subatómicas. Estas, al agruparse según su masa, se clasifican en:
- Leptones: Partículas ligeras (ej., electrones, neutrinos).
- Mesones: Partículas de masa intermedia.
- Nucleones: Partículas pesadas que forman el núcleo (ej., protones, neutrones).
- Hiperones: Partículas muy pesadas.
Electricidad: Fenómenos de Atracción y Repulsión
La electricidad se refiere a todos los fenómenos producidos por la atracción y repulsión atribuidas a los protones y electrones. Por convenio, los electrones se consideran con carga negativa, y los protones con carga positiva.
- Un electrón tiene una masa de 9,11 × 10-31 kg y una carga (q) de 1,6 × 10-19 C (Coulomb).
- Un protón tiene una masa de 1,67 × 10-27 kg.
Electrones Libres
Los electrones libres son aquellos electrones que se han liberado de la acción de atracción del núcleo atómico y, por lo tanto, no giran a su alrededor. Son fundamentales para la conductividad eléctrica.
Resumen de la Teoría de Bohr sobre Carga
Según esta teoría, un cuerpo electrizado positivamente es aquel al que le faltan electrones (déficit de electrones), y un cuerpo electrizado negativamente es aquel al que le sobran electrones (exceso de electrones).
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es la cantidad de electrones en exceso o en defecto que posee un cuerpo. Es una propiedad fundamental de la materia.
Electrización de los Cuerpos: Métodos y Principios
Métodos de Electrización
Por Frotamiento
Consiste en poner en contacto dos cuerpos y frotarlos entre sí. Parte de los electrones de uno de ellos pasan al otro cuerpo, quedando uno cargado positivamente y el otro negativamente.
Por Influencia (Inducción)
Consiste en acercar un cuerpo cargado de electricidad a un cuerpo en estado neutro, sin que haya contacto físico. Esto provoca una redistribución de las cargas en el cuerpo neutro.
Distribución de la Electricidad en los Cuerpos
Experimentalmente se ha comprobado que la electricidad (la carga neta) se distribuye únicamente en la superficie de los cuerpos conductores.
Densidad Eléctrica
La densidad eléctrica es la cantidad de carga por cada unidad de superficie de un cuerpo cargado.
Electroscopio
Un electroscopio es un aparato utilizado para determinar si un cuerpo está cargado de electricidad y, en algunos casos, la polaridad de la carga.
Ley de Coulomb: La Interacción entre Cargas
Charles-Augustin de Coulomb, en 1785 (siglo XVIII), estudió experimentalmente las acciones entre las cargas eléctricas. La Ley de Coulomb establece que:
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Esta ley es fundamental para entender la electrostática y se expresa matemáticamente como: F = k * (|q1 * q2|) / r2.
Coulomb (Unidad de Carga)
El Coulomb (C) es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI). Se define como la carga eléctrica capaz de atraer o repeler a otra igual, situada en el vacío y a la distancia de un metro, con una fuerza de 9 × 109 N (Newtons).