CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO

Frecuentemente, al abrir una carpeta, observamos que una hoja separadora de plástico es atraída por la vecina. Quizás, al descender del coche después de un viaje en un día seco, nos haya sorprendido desagradablemente un pellizco, un pequeño calambre. Incluso es posible percibir al despojarnos, en la oscuridad, de una prenda de vestir -especialmente si es de fibras sintéticas—, la luminosidad y oír el chasquido de las pequeñas chispas que se producen. Son ejemplos de un fenómeno, conocido desde antiguo, que recibe el nombre de electricidad estática. Ya los griegos observaron que, al frotar un pedazo de ámbar (électron, en griego clásico) con un paño, atraía pequeños objetos.

Para estudiar este fenómeno nos será útil conseguir un péndulo eléctrico, consistente en una bolita de médula de saúco (o algún sucedáneo) suspendida de un soporte de plástico mediante un hilo de seda. Trataremos de evidenciar las fuerzas eléctricas que aparezcan sobre la bolita. Utilizaremos diferentes materiales (vidrio, barras de diversos plásticos, lacre, etcétera) para ser frotados con otros (paños de lana, de seda, bolsas de plástico…), puesto que la electrización se da entre dos objetos cualesquiera que se froten entre sí.

 

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Si con una barra de un plástico cualquiera (o ebonita, o resina…) tocamos dos de estos péndulos próximos entre sí, comprobaremos que se repelen. Lo mismo sucede si los péndulos entran en contacto con una barra de vidrio que haya sido frotada. con un paño de seda o, incluso, con una bolsa de plástico. En cambio, si tocamos un péndulo con plástico y otro con vidrio, se atraen. Este hecho permite considerar dos clases diferentes del mismo fenómeno electrostático. Franklin llamó negativa a la electricidad de la resina (el plástico) y positiva a la del vidrio. En cada caso. el cuerpo con el que hemos frotado la barra adquiere una electricidad de signo contrario al de ésta: el paño con que se frota el plástico adquiere electricidad positiva.

Estructura eléctrica de la materia

¿Cómo hacemos aparecer electricidad en la materia eléctricamente neutra? La respuesta está en la propia estructura de la materia: los átomos que la conforman están, a su vez, compuestos por otras partículas menores, entre las cuales, los protones -portadores de electricidad positiva y muy internos en el átomo— y los electrones — negativos y situados en la zona exterior— se compensan. Al frotar entre sí dos cuerpos, uno de ellos arranca algunos electrones de los átonos superficiales del otro, quedando este último con electricidad positiva por defecto de electrones, mientras que el primero queda con electricidad negativa.

 

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Carga eléctrica

La magnitud física que produce los fenómenos electrostáticos es la carga eléctrica, y los cuerpos que tienen las propiedades descritas hasta aquí son cuerpos cargados. La unidad elemental de carga es la del electrón. El protón tiene la misma carga, pero de signo contrario. Como su valor es muy pequeño, las unidades habitualmente utilizadas son otras: en el SI, el coulomb (C) corresponde a la carga de cada uno de dos cuerpos que, situados a 1 m de distancia en el vacío, se repelen con una fuerza de 9.109N. La unidad electrostática de carga (u.e.e.q.) es 3. 109 veces menor.

Ley de Coulomb

La interacción electrostática entre dos cargas eléctricas de valores respectivos q y q’, situadas a una distancia d, viene cuantificada por la ley de Coulomb, en cuya expresión:

 

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el valor del factor 1/πε depende del medio que separa las cargas. En el vacío, y para unidades SI, vale 9.109N.m2/C2; y para unidades electrostáticas, vale 1 dyn.cm2/u.e.e.q2. Con la letra ε se designa la constante dieléctrica del medio.

Campo eléctrico

A veces prescindimos de considerar las cargas eléctricas y estudiamos sus efectos mediante la utilización del concepto de campo eléctrico, que ocupa la zona del espacio en la cual se manifiestan fuerzas de atracción y de repulsión sobre cargas eléctricas, y cuya intensidad e en un punto dado corresponde a la fuerza que actúa sobre una carga positiva de valor unidad colocada en dicho punto. Así, si conocemos el valor de e, podremos calcular la fuerza con que actúa sobre una carga cualquiera q situada en un punto dado, multiplicando e por q:

 

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Para representar el campo eléctrico en una zona del espacio, se dibujan las líneas de campo; en lugar de señalar el vector e en todos los puntos, se trazan líneas tales que, en cada punto, el vector e les sea tangente. Si la carga que crea el campo es puntual, las líneas de campo serán radiales. Si se superponen varios campos, en cada punto deberemos hallar e como la suma de todos los campos elementales, mientras que las líneas de campo tendrán formas diversas.

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