Electricidad y Campos Eléctricos
Introducción a la Electricidad
La electricidad es una propiedad fundamental de la materia que se manifiesta por la atracción o repulsión entre partículas cargadas. Esta interacción se debe a la presencia de cargas eléctricas, que pueden ser positivas o negativas.
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Un cuerpo está cargado eléctricamente cuando tiene la capacidad de atraer o repeler otros cuerpos debido a su carga.
Características de la Carga Eléctrica:
- El ámbar (electrón) frotado con piel adquiere carga.
- Dos tubos de plástico frotados con piel se repelen entre sí porque adquieren la misma carga. Lo mismo ocurre con el vidrio.
- Una barra de plástico y una de vidrio, ambas previamente frotadas, se atraen debido a sus cargas opuestas.
- La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de las partículas que constituyen los átomos.
Ley de Conservación de la Carga
La ley de conservación de la carga establece que la suma algebraica de todas las cargas eléctricas en un sistema cerrado permanece constante.
No existe interacción eléctrica cuando hay una sola carga.
Ley de Coulomb
Charles Coulomb formuló la ley que lleva su nombre, demostrando que:
- La fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Si la distancia aumenta, la fuerza disminuye.
- La magnitud de la fuerza es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas puntuales.
Balanza de Torsión de Coulomb
Coulomb utilizó una balanza de torsión para medir la fuerza eléctrica y magnética. Este instrumento se basa en la torsión de un material elástico. Al aplicar una torsión, el material genera un par torsor opuesto o recuperador.
Principio de Superposición
El principio de superposición establece que cuando causa y efecto tienen una relación lineal, el efecto total de varias causas actuando simultáneamente es igual a la suma de los efectos de cada causa actuando individualmente.
Campos Eléctricos
Una carga eléctrica ejerce influencia en el espacio que la rodea, creando un campo eléctrico.
- Las cargas negativas generan un campo eléctrico atractivo, mientras que las cargas positivas generan un campo eléctrico repulsivo.
- La intensidad del campo eléctrico es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa la carga de un punto cualquiera en el espacio.
Líneas de Campo Eléctrico
Las líneas de campo eléctrico son curvas imaginarias que representan la dirección del campo eléctrico en cada punto del espacio. Se dibujan de manera que la tangente en cualquier punto de la línea indica la dirección del vector de campo eléctrico en ese punto.
- Las líneas de campo se alejan de las cargas positivas y se acercan a las cargas negativas.
Campo Eléctrico Uniforme
En un campo eléctrico uniforme, las líneas de campo son rectas paralelas y equidistantes. Un campo eléctrico uniforme se puede aproximar utilizando dos placas paralelas con cargas opuestas.
En los extremos de las placas, las líneas de campo pierden su uniformidad y el campo eléctrico deja de ser uniforme.
Dipolo Eléctrico
Un dipolo eléctrico consiste en dos cargas puntuales de igual magnitud pero de signos opuestos, separadas por una distancia fija.
La fuerza neta sobre un dipolo en un campo eléctrico uniforme es cero. Sin embargo, las dos fuerzas que actúan sobre las cargas no son colineales, por lo que generan un momento de torsión que tiende a alinear el dipolo con el campo.
Iones
Un ion positivo (catión) es un átomo que ha perdido electrones, mientras que un ion negativo (anión) es un átomo que ha ganado electrones.
Preguntas y Respuestas
Pregunta: Si una carga se desplaza de un punto A a un punto B, y la carga tiene una magnitud de Q coulomb, ¿cuál es la fuerza electrostática existente?
Respuesta: No hay fuerza electrostática si solo hay una carga. La fuerza electrostática surge de la interacción entre dos o más cargas.
Pregunta: En un sistema de n cargas puntuales, ¿se puede aplicar la ley de Coulomb para calcular la fuerza neta sobre una de las cargas?
Respuesta: No directamente. La ley de Coulomb se aplica a dos cargas puntuales. Para calcular la fuerza neta en un sistema de n cargas, se debe aplicar el principio de superposición, sumando vectorialmente las fuerzas individuales ejercidas por cada una de las otras cargas.
Pregunta: Un campo eléctrico E es generado por una carga +Q. En un punto P cercano a la carga, ¿cómo se comporta el vector de campo eléctrico?
Respuesta: El vector de campo eléctrico en el punto P apunta radialmente hacia afuera de la carga +Q, ya que la carga es positiva. La magnitud del campo disminuye a medida que la distancia al punto P aumenta.
Pregunta: ¿Cómo se comporta el vector de campo eléctrico cerca del extremo de una placa cargada?
Respuesta: Cerca de los extremos de una placa cargada, las líneas de campo eléctrico se curvan, dejando de ser paralelas. El campo eléctrico deja de ser uniforme en esas regiones.