Electrostática: Conceptos Fundamentales y Principios
Principio de Conservación de la Carga
El principio de conservación de la carga establece que cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro descargado, la carga se transfiere hasta que ambos tengan la misma carga y se repelan.
Tipos de Materiales Según su Comportamiento Eléctrico
- Conductores: Materiales como los metales que pierden fácilmente electrones y tienen cierta libertad de movimiento en algunos estados.
- Aislantes: Materiales en los que los electrones se encuentran en enlaces covalentes rígidamente en una red cristalina.
- Semiconductores: Materiales cuyos electrones no gozan de libertad pero pueden adquirirla, por ejemplo, cuando se calientan.
Ley de Coulomb
Dos cuerpos cargados se atraen o se repelen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Esta relación se expresa mediante la siguiente fórmula:
F = k * (q1 * q2) / r²
Donde:
- F: Fuerza electrostática
- k: Constante electrostática (relacionada con la permitividad del medio)
- q1, q2: Cargas de los cuerpos
- r: Distancia entre los cuerpos
La fuerza electrostática es una fuerza central, dirigida a lo largo de la línea que une ambos cuerpos. Su sentido depende del signo relativo de las cargas: si ambas cargas tienen el mismo signo, la fuerza es de repulsión; si tienen signos opuestos, la fuerza es de atracción.
En un sistema con múltiples cargas, la fuerza resultante sobre una carga específica es la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercidas por las demás cargas (principio de superposición).
Campo Electrostático
El campo electrostático es la región del espacio alrededor de un cuerpo cargado en reposo donde se manifiestan sus efectos eléctricos. La presencia del campo se detecta al introducir otra carga en la región, la cual experimentará una fuerza electrostática de atracción o repulsión.
Intensidad de Campo Eléctrico (E)
La intensidad de campo eléctrico en un punto es la fuerza que el cuerpo de carga ejerce por unidad de carga positiva colocada en dicho punto. Es una magnitud vectorial.
E = F / q
Donde:
- E: Intensidad de campo eléctrico
- F: Fuerza electrostática
- q: Carga de prueba
En un punto del espacio donde hay varias cargas presentes, la intensidad de campo resultante es la suma vectorial de las intensidades de campo que cada carga crearía individualmente (principio de superposición).
Dipolo Eléctrico
Un dipolo eléctrico es un sistema formado por dos cargas iguales en magnitud pero de signo contrario, separadas por una distancia pequeña.
Campo Creado por una Distribución Continua de Carga
Flujo Eléctrico
El flujo eléctrico a través de una superficie es una medida del número de líneas de campo eléctrico que atraviesan dicha superficie. Se representa de tal manera que el número de líneas de campo por unidad de superficie perpendicular a las mismas indica la intensidad del campo.
Teorema de Gauss
para el campo electrostatico dice que el flujo neto que atraviesa una superficie que se situa en el interior de un campo depende de la carga encerrada por dicha superficie.
ENERGIA ASOCIADA AL CAMPO ELECTRICO: El campo electrostatico es un campo conservativo. En consecuencia, el trabajo de las fuerzas del campo electrostatico a lo largo de una trayectoria cerrada es 0. La fuerza electrostatica es una fuerza central dirigida hacie el centro y cuyo modulo depende de la distancia al centro. La energia potencial es aquella que tiene una determinada carga por encontrarse bajo la influencia electrostatica de otras cargas. El signo de la Ep depende del signo de las cargas: Si las dos cargas tienen el mismo signo la Ep es + sino, tendra signo -. Si tenemos un sistema formado por n particulas, su energia sera la suma de la energia de todas las parejas que podamos formar.Teorema de conservacin de la energia mecanica nos dice que cuando un sistema se ve sometido unicamente a la accion de fuerzas conservativas, su energia mecanica se conserva.
POTENCIAL ELECTRICO: Es la energia potencial por unidad de carga positiva en ese punto.Si la carga que crea el campo es positiva, el V es positivo sino, es -. Hay que decir que es un campo escalar. El potencial es el trabajo necesario para traer la unidad positiva de carga desde fuera del campo hasta ese punto. El potencial en el infinito es 0. En un campo electrostatico, las cargas + se desplazan de forma espontanea en el sentido de los potencales decrecientes y las cargas negativas en el sentido de los potenciales crecientes.
REPRESENTACION DEL CAMPO ELECTROSTATICO: Las lineas de campo y superficies equipotenciales no se pueden cruzar ya que tendria dos valores distintos y eso es imposible. Las lineas de campo son lineas tangentes al vector intensidad de campo de ese punto. En un campo creado por una unica carga puntual, las lineas de campo tienen direccion radial y un sentido que depende del signo de la carga. Las cargas + se llaman manantiales de lineas de campo y las negativas sumideros. En un campo creado por dos cargas, las lineas de campo se deforman en la zona intermedia donde es significativo el efecto de ambas cargas. Las superficies equipotenciales son regiones del espacio para las cuales el potencial electrico tiene el mismo valor.