Fenómenos Eléctricos y Electrostática: Una Introducción

Fenómenos Eléctricos

La energía eléctrica se manifiesta en fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de estas. Cuando una carga eléctrica se encuentra en estado estacionario o estático, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en la misma región del espacio.

Efectos Eléctricos

Estas partículas pueden ser positivas, negativas o neutras. La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente (protones) que se repelen mutuamente. Las partículas negativas, como los electrones, también se repelen. En cambio, las partículas positivas y negativas se atraen entre sí.

• Mismos signos se repelen.
• Diferentes signos se atraen.

Electrostática

Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas Q1 y Q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb:

F_elec = k * (q1 * q2) / r²

Según esta ley, la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad k depende del medio que rodea a las cargas. La ley se llama así en honor al físico francés Charles de Coulomb.

La unidad de carga es el coulomb (C). Así, por ejemplo, un electrón tiene una carga e = -1.6 * 10^-19 C y un protón una carga de p = 1.6 * 10^-19 C. El valor de la constante k la determinó Coulomb mediante su balanza de torsión. En la actualidad se utiliza el valor k = 9 * 10⁹ Nm²/C².

Historia

Coulomb empleó una balanza de torsión para estudiar las fuerzas electrostáticas. Para ello, cargó una esfera situada en el extremo de una varilla colgada con una carga q1. En el otro extremo posee un contrapeso para mantenerla en equilibrio. La fuerza ejercida por q2 sobre q1 tuerce la varilla y la fibra de la que cuelga. Girando el cabezal de suspensión en sentido contrario se mantiene las esferas a la distancia original. La fuerza ejercida por una carga sobre otra es directamente proporcional al producto de ambas cargas (q1 * q2). También observó que la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre las esferas cargadas. Esta relación se conoce como la ley de Coulomb.

Propiedades Eléctricas de los Sólidos

El primer fenómeno eléctrico artificial fue la propiedad que presentan algunas sustancias resinosas, como el ámbar, que adquieren una carga negativa al ser frotadas con una piel o un paño de lana, tras lo cual atraen objetos pequeños. Un cuerpo así tiene un exceso de electrones. Igual que con una varilla de vidrio frotada con seda, tiene una capacidad similar para atraer objetos no cargados y atraer cuerpos cargados negativamente con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga positiva, que puede describirse como un defecto de electrones o un exceso de protones.

Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan libres uno o más electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material. En algunos materiales, llamados conductores, ciertos electrones se liberan fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la plata, son buenos conductores.

Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se conocen como aislantes, no conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la goma o la madera seca.