Electrostática: cargas eléctricas y cuantización en la Universidad San Marcos

Electrostática en la Educación Virtual

San Marcos Electrostática Módulo 1 Curso: Física II Autora: M.Sc. Patricia Iglesias Chirinos Febrero: 2024San Marcos

Tabla de Contenidos

Tabla de contenidos ! La numeración de las páginas corresponde a la versión en línea.

• Electrostática
• Un poco de historia
• Cargas eléctricas
• Unidades de carga eléctrica
• Cuantización de la carga eléctrica
• Aislantes y conductores
• Fuerzas entre cargas eléctricas
• Bibliografía

Fenómeno de la Electrostática

San Marcos Electrostática Cuando frotamos un paño con un trozo de vidrio, en la impresión en máquinas fotocopiadoras o láser, o bien al arrastrar los pies con medias sobre una alfombra estamos ante ejemplos de la vida cotidiana en los que se evidencia la electrostática, que es un fenómeno físico entre dos cuerpos que acumulan carga eléctrica, ya sea por procesos de inducción, fricción o contacto. En todos estos casos, los electrones pasan de una superficie a otra a través del diferencial de nivel energético.San Marcos

Comportamiento de las Cargas Eléctricas

Por lo tanto, la electrostática es la rama de la física que se encarga del estudio del comportamiento de las cargas eléctricas en estado de equilibrio, que es de atracción o rechazo. Atracción cuando las cargas poseen cargas diferentes; es decir, una es positiva y la otra negativa y repulsión o rechazo cuando las cargas eléctricas son de igual signo: ambas positivas o ambas negativas, tal como puede apreciarse en la siguiente figura: Ver figura 1. En electrostática, el nivel de carga depende de factores como el material (si es conductor, semiconductor o aislante), así como de sus propiedades físicas y eléctricas. Estas definiciones de los diferentes tipos de materiales, se abordará más adelante en esta lectura.

+ 4 - - - + Cargas eléctricas iguales se repelen + Cargas eléctricas diferentes se atraen Figura 1. Atracción y repulsión de fuerzas electrostaticas. Fuente: https://www.significados.com/ley-de-coulomb/San Marcos

Historia de la Electrostática

Figura 2. Experimento realizado por Thales de Mileto. Fuente: Sciarini (s.a.). Un poco de historia Los primeros indicios del estudio de la electrostática se remontan a la época de los griegos antiguos. El primer filósofo que estudió este fenómeno fue Thales de Mileto (624 a.C. - 546 a.C.), quien identificó comportamientos extraños a partir de la fricción del ámbar con tejidos como la lana, generando la atracción de objetos con electricidad estática. Después, en el siglo XVII se estudiaron los primeros análisis de la relación entre la electricidad y el magnetismo, para mejorar la precisión de las brújulas magnéticas. Para 1733, François de Cisternay du Fay planteó la existencia de las cargas eléctricas negativa y positiva, mientras que, en 1785, Charles Coulomb formalizó los conceptos cuantitativos de las fuerzas eléctricas, de tal forma que se formuló su Ley en la que se planteó la atracción y la repulsión de cargas eléctricas estáticas. La unidad de la fuerza electrostática es el Newton.San Marcos

Cargas Eléctricas y Partículas Subatómicas

Cargas eléctricas Como se abordó en la sección anterior, François de Cisternay du Fay planteó la existencia de las cargas eléctricas negativa y positiva. La carga eléctrica, independientemente de su signo, se define como una propiedad de la materia. Esta propiedad está presente en las partículas subatómicas (protón, electrón y neutrón) de cualquier átomo, como se ve en la siguiente figura. Ver figura 3. En este orden de ideas, resulta pertinente recordar que la materia, tal como la conocemos, está compuesta por átomos. En principio, todos los átomos son eléctricamente neutros; es decir, no están cargados y, cuando esto ocurre, tienen la misma cantidad de protones y electrones. Nucleus Electron Neutron Proton Orbit Figura 3. El átomo y sus partículas subatómicas.San Marcos

Cuerpos Cargados Negativa y Positivamente

gana electrones pierde electrones I + + + + I + + + cuerpo neutro cuerpo cargado negativamente cuerpo cargado positivamente Figura 4. Cuerpo neutro y cargados negativa y positivamente. Fuente: Sandoval (2017). No obstante, cualquier factor externo puede cargarlos eléctricamente. Esto implica que pueden ganar o perder cargas eléctricas. En el primer caso, la materia queda cargada negativamente, y, en el segundo, resulta con carga positiva, tal como se puede apreciar en la figura. Esto, porque las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen; es decir, en este fenómeno se aplica la Ley de la Conservación de la Energía. En cualquiera de estos casos, la materia genera un campo de fuerzas eléctricas.San Marcos

Unidades de Carga Eléctrica

Unidades de carga eléctrica De conformidad con las pautas del Sistema Internacional de Medidas (SI), las cargas eléctricas se miden en una unidad denominada Coulombios o Coulombs y su símbolo es C. Esta unidad recibió este nombre en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), quien fue uno de los mayores estudiosos de este tipo de fenómenos físicos. Con respecto al concepto de esta unidad, cabe destacar que un Coulomb (1C) 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.

Ejemplos de Cálculo de Carga Eléctrica

A continuación, se presentan algunos ejemplos.

1. Por un conductor circulan 8,25x1014 electrones. ¿ Cuál es la carga eléctrica que corresponde con este movimiento de electrones? Procedimiento: Datos Fórmula Sustitución n = 8,25x1014 e = 1,602×10-19C q = ne q = 8,25x1014x1,602x10-19 q = 1,32×10-4 ℃ Por lo tanto, la carga eléctrica que corresponde con este movimiento de electrones es de 1,32×10-4 C. Ejemplo 1 X
2. Se tiene una carga de 5x10-6 C ¿Cuántos electrones representa este valor?| Procedimiento: Datos Fórmula Sustitución q = 5x10-6 ℃ q = ne 5x10-6C e = 1,602x10-19C n =ª e n = 1,602x10-19C n = 3x1016 electrones La carga de 5x10-6 C representa 3x1013 electrones. Nótese como en ambas situaciones, se emplea el valor constante universal de la carga del electrón, 1,602x10-19 C, en la resolución de cada una. Esto implica que, cuando se resuelven situaciones en física en las que se han de emplear constantes universales, no se proporciona esta información en el enunciado, pero se deben utilizar de igual manera en el procedimiento para calcular lo solicitado en cada caso. Ejemplo 2

Cuantización de la Carga Eléctrica

Cuantización de la carga eléctricaLa carga eléctrica es discreta y la unidad elemental de carga es la que porta un electrón. En el Sistema Internacional la carga del electrón es: e =- 1,602×10-19 c Asimismo, es importante comprender que la carga del electrón es una constante física fundamental. El protón tiene la misma cantidad de carga que un electrón, pero con signo contrario. p+=+1,602x10-19 C En este sentido, la carga eléctrica está cuantizada; por lo tanto, cuando un objeto o partícula, excepto los quarks, está cargado, su carga es un múltiplo entero de la carga del electrón. Esto se calcula con la siguiente fórmula: q= ne Donde: · q representa la carga eléctrica, expresada en Coulombs O. · n es el número de electrones. · e corresponde con la carga del electrón. ▼San Marcos

Aislantes y Conductores

£ MATERIALES CONDUCTORES Aluminio Hierro Latón Bronce Acero Metal galvanizado Cobre CABLES Figura 5. Ejemplos de materiales conductores. Fuente: https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/ Aislantes y conductores Al momento de trabajar con electricidad, es importante conocer las características de los materiales que manipulas, porque algunos de ellos permiten el paso de los electrones y otros los dificultan. Con este conocimiento, se evitarán accidentes provocados por descargas eléctricas, entre otros inconvenientes. En este orden de ideas, se dice que un material conductor es aquel que permite el paso de la corriente eléctrica a través de él. Específicamente, los conductores eléctricos permiten el movimiento de sus cargas eléctricas cuando se aplica un campo eléctrico en ellos. Algunos ejemplos de esto se muestran en la siguiente figura: Ver figura 5.San Marcos

Características de los Materiales Conductores

Algunas de las características que tienen en común los materiales conductores son que pueden conducir electricidad de un punto a otro y permiten el paso de electrones, los cuales fluyen por la tensión eléctrica. Además, pueden cambiar la tensión al conformar transformadores, dan facilidad al paso de electrones en forma de partículas sucesivas, pueden crear campos electromagnéticos al componer un inductor y electroimanes. Existen diferentes tipos de materiales conductores. Estos son metálicos, electrolíticos y gaseosos. Los conductores metálicos presentan una estructura atómica que permite la conducción electrónica libre, gracias a que los electrones libres son sus portadores de cargas. Los conductores electrolíticos permiten el paso de la carga eléctrica en consonancia con un desplazamiento de materia y con una reacción química; por esto, su conducción es de naturaleza iónica. En el caso de los conductores gaseosos, la deionización es lo que permite que adquieran cargas eléctricas.

+ + +- + + + Corriente ascendente Figura 6. Ejemplo de un material conductor gaseoso. Fuente: Moreno (s.a.).San Marcos

Materiales Aislantes

Para ver la imagen interactiva debes dirigirte a la lectura en línea. En el siguiente video, también se pueden observar ejemplos de materiales conductores: Ver video Por otra parte, un material aislante impide el pasaje de corriente eléctrica a través de él. Esto ocurre porque los aislantes no tienen cargas eléctricas disponibles para moverse frente a un campo eléctrico. Por este motivo, se emplean como mediadores entre los conductores eléctricos para evitar cortocircuitos y, en ciertas ocasiones, resguardar a una persona de sufrir un accidente provocado por una descarga eléctrica. Algunos ejemplos de materiales aislantes se mencionan la madera, el vidro, la cerámica, el caucho, el plástico, la goma, el papel, el cartón, entre otros. Los materiales aislantes también se denominan dieléctricos. En la siguiente figura se presentan algunos ejemplos de este tipo de materiales. Figura 7. Ejemplos de materiales aislantes. Fuente: Calderón (s.a.)San Marcos

Actividad de Clasificación de Materiales

Actividad Aquí, una lista de diferentes materiales. Clasificalos como conductores o aislantes: ▼

• Pizarra
• Grafito
• Papel
• Mármol
• Corcho
• Oro
• Aluminio
• Cobre
• Vidrio
• Plástico
• Zinc
• Plata
• Madera
• Acero

5 Conductores electricos Plata Oro Cobre Acero Agua de mar 5 Aisladores electricos Caucho Vidrio Aceite Diamante Madera seca