Carga Eléctrica y Ley de Coulomb
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia responsable de la interacción electromagnética. Tiene las siguientes propiedades:
- Puede ser negativa o positiva.
- La carga total de un conjunto de partículas es la suma algebraica con el signo de sus cargas individuales.
- La carga eléctrica total de un sistema aislado se conserva.
- La carga está cuantizada: solamente se presenta en cantidades discretas que son múltiplos enteros de una cantidad elemental: |e|=1.9·10^19 C. La carga del electrón es -|e| y la del protón +|e|.
La unidad de carga es el culombio (C).
Ley de Coulomb
La ley de Coulomb describe la interacción entre cargas eléctricas en reposo: La fuerza ejercida por una carga puntual q1 sobre otra q2 es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, r, que las separa. Se trata de una fuerza central dirigida según la línea que une las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos.
F = K·q1·q2·Ur/r2 ==> F = K·q1·q2·r/r3
Donde:
- Ur es el vector unitario que va de q1 a q2.
- r es la distancia que separa a ambas cargas.
- K es la constante de Coulomb = 1/4πεº = 9·10^9 Nm²/C²
La carga q2 ejerce sobre q1 una fuerza igual pero de sentido contrario a la que q1 realiza sobre q2.
Las fuerzas electrostáticas cumplen el principio de superposición: La fuerza neta que ejerce un conjunto de cargas sobre otra es la suma vectorial de todas las fuerzas ejercidas sobre ella.
Energía Potencial Eléctrica y Potencial Eléctrico
Energía Potencial Eléctrica
Imaginamos dos cargas eléctricas puntuales positivas, una »Q» fija que crea un campo eléctrico y otra »q» que bajo la acción del campo se traslada desde el punto A hasta el punto B.
a) Como la fuerza eléctrica entre dos cargas es conservativa, tiene asociada una función energía potencial eléctrica Ep, cuya diferencia entre dos puntos corresponde al trabajo realizado por la fuerza eléctrica entre esos puntos:
Wab = – ΔEp = – [EpB – EpA] = EpA – EpB
b) Aplicando la definición de trabajo:
(ECUACION1) (ECUACION2) – Se necesita la ecuación para completar este apartado
c) Así se deduce que la energía potencial eléctrica entre dos cargas es:
Ep = k·Q·q/r
Como es una energía, se trata de una magnitud escalar cuya unidad en el SI es el Julio (J).
Bajo la única acción de la fuerza eléctrica, las cargas se mueven hacia posiciones que corresponden a una configuración de mínima energía potencial eléctrica:
- Si Q y q son de igual signo, cuando la distancia entre las cargas es mayor la Ep disminuye. Se repelen las cargas de igual signo.
- Si Q y q son de distinto signo, cuando la distancia entre las cargas es mayor la Ep aumenta. Por lo tanto se atraen si son de distinto signo.
La energía potencial eléctrica total de un conjunto de cargas es la suma de las energías potenciales de todos los pares distintos de cargas que se pueden formar.
Potencial Eléctrico
El campo eléctrico E también es conservativo; por tanto, tiene asociado un campo escalar denominado potencial eléctrico. El potencial eléctrico producido por una carga puntual q situada en el origen es:
V = Ep/q = K·Q/r
En el SI el potencial se mide en Voltios (V). A la diferencia de potencial entre dos puntos también se le llama “voltaje”.
El potencial debido a un conjunto de cargas es la suma escalar de los potenciales debidos a cada una de las cargas.
Inducción Electromagnética
La inducción electromagnética es la producción de electricidad mediante magnetismo en determinadas condiciones. Los primeros científicos que la estudiaron fueron Faraday y Henry, quienes observaron que en un circuito se genera una corriente eléctrica en las siguientes circunstancias:
- Si se acerca un imán al circuito, o se aleja del mismo. O bien el circuito se mueve con respecto al imán.
- Si hay un movimiento relativo entre el circuito y otro circuito por el que circule una corriente continua.
- Si el segundo circuito transporta una corriente variable, aunque ambos estén en reposo.
- Si se deforma el circuito en el seno de un campo magnético.
Todos los hechos anteriores pueden explicarse mediante la ley de Faraday, que dice que: La variación temporal del flujo φ del campo magnético a través de un circuito genera en él una fuerza electromotriz:
f.e.m. = -dφ/dt
La f.e.m. es el trabajo por unidad de carga que se realiza en el circuito. Se mide en Voltios en el SI.
El flujo (como es el producto escalar del campo por la superficie, B·S) varía si cambia el campo magnético, la forma del circuito, o la orientación entre el campo y el circuito. En estos casos habrá corrientes inducidas.
El signo negativo en la ley de Faraday indica el sentido en que circula la corriente inducida. Esto se expresa en un principio físico conocido como ley de Lenz: la f.e.m. inducida origina una corriente cuyo campo magnético se opone a la variación del flujo magnético que la origina.
Una de las aplicaciones del principio de inducción electromagnética es en la generación de corriente eléctrica por transformación de trabajo mecánico en electricidad (por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas).