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Electrostática

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  • Jofre A. Robles P.| Fsica Aplicada

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    UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICA

    INGENIERA INFORMTICA

    FSICA APLICADA

    CAPTULO 1

    ELECTROSTTICA

    INTRODUCCIN HISTRICA

    Tales de Mileto, sabio griego que vivi seiscientos

    aos Antes de Cristo, descubri que frotando un trozo de

    mbar la misma que es una resina de origen natural, atraa

    a pequea esferas o pajitas. Como al mbar los griegos lo

    llamaban electrn, aquel extrao fenmeno lo llam

    elctrico.

    Aproximadamente en el mismo tiempo, en la

    regin de Magnesia, ubicada al norte de Grecia se conoci

    la propiedad de una roca que es qumicamente oxido de

    hierro, por atraer objetos de hierro que le denominaron

    como magnetita por el lugar donde fue extrado.

    Ambos fenmenos no se relacionaron entre s hasta

    miles de aos despus. En el ao 1 600, William Gilbert

    descubri que hay muchos materiales que se comportan

    como el mbar; en realidad todos los dielctricos. En 1 736 Charles Agustn Coulomb

    recrea experimentalmente las observaciones de la electrizacin por frotamiento,

    cuantificando las fuerzas entre cargas elctricas y enuncia la ley que lleva su nombre.

    Loa fsicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros

    experimentos importantes con corriente elctrica. Galvani produjo contracciones

    musculares en las patas de una rana aplicndoles una corriente elctrica. En 1 800, Volta

    present la primera fuente electroqumica artificial de diferencia de potencial, un tipo de

    pila elctrica o batera.

    George Simon Ohm, en 1 827 public en su folleto el resultado de su trabajo ms

    importante sobre el circuito galvnico examinado matemticamente, donde expona la ley

    sobre la resistencia de los conductores.

    En 1 820, 2 500 aos despus de haberse descrito los primeros fenmenos

    elctricos y magnticos, Hans Christian Oersted descubre de forma casual durante una

    experiencia de ctedra, que una brjula de aguja, es decir, un imn que est influenciado

    por una corriente elctrica dndose por primera vez una relacin entre electricidad y

    magnetismo. A partir de entonces, realizan trabajos y experimentos que llegaran a unificar

    ambos fenmenos. As en 1 831 Michael Faraday y Joseph Henri producen y describen las

    corrientes inducidas. Alrededor de 1 840, James Prescott Joule y el cientfico alemn

    Hermann Von Helmholtz demostraron que los circuitos elctricos cumplen la ley de

    conservacin de la energa.

    El fsico matemtico britnico James Clerk Maxwell realiz una contribucin

    importante al estudio de la electricidad en el siglo XIX; el mismo que investigo las

    propiedades de las ondas electromagnticas y la luz, abriendo camino al fsico alemn

    Heinrich Hertz que produjo y detect ondas elctricas en la atmsfera por el ao de 1 886,

    y al ingeniero italiano Guglielmo Marconi, en 1 896 empleo esas ondas para producir el

    primer sistema prctico de seales de radio.

    La teora de los electrones que forma la base de la teora elctrica moderna, fue

    presentada por el fsico holands Hendrik Antoon Lorentz en 1 892. El primero en medir

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    con precisin la carga del electrn fue el fsico estadounidense Robert Andrews Millikan,

    en 1 909. El uso generalizado de la electricidad como fuente de energa se debe en gran

    medida a ingenieros e inventores pioneros de Estados Unidos, como Thomas Alva Edison,

    Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz.

    Por lo tanto podemos decir que la electrosttica estudia los fenmenos producidos

    por las cargas elctricas, cuya posicin relativa permanece constante a lo largo del tiempo.

    CAMPO DE ESTUDIO DE ELECTROSTTICA

    La electrosttica es una de las partes de fsica que se ocupa de los campos

    elctricos y en general de los fenmenos elctricos sin movimiento de cargas. Adems

    estudia las acciones entre cargas elctricas fijas en puntos determinados del espacio y las

    que ejercen stas en el espacio circundante.

    La electrizacin, su transmisin de un cuerpo a otro, y las propiedades generales de

    los cuerpos electrizados en equilibrio es el objeto de estudio de la electrosttica.

    CARGAS ELCTRICAS

    Es originada por la existencia de cargas elctricas y por la interaccin de las

    mismas. Cuando una partcula se encuentra estacionaria o esttica, produce fuerzas

    elctricas sobre las otras cargas situadas en su misma regin del espacio; Cuando las

    partculas estn en movimiento, producen adems efectos magnticos. Los efectos

    elctricos y magnticos dependen de la posicin y movimiento relativo de las partculas

    cargadas (Este tema no ser considerado para realizar esta investigacin).

    En lo que se refiere a los efectos elctricos, estas partculas pueden ser neutras,

    positivas o negativas. La electricidad se ocupa de las partculas cargadas positivamente,

    como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partculas cargadas negativamente,

    como los electrones, que tambin se repelen mutuamente. En cambio las partculas

    negativas y positivas se atraen entre si. Este comportamiento puede resumirse diciendo

    que: Las cargas del mismo signo, sean estas positiva o negativa se repelen y las cargas de

    distinto signo que pueden ser positiva y negativa, negativa y positiva se atraen.

    PROPIEDADES DE LAS CARGAS ELCTRICAS

    a) La carga est cuantizada: la carga de un cuerpo cargado siempre es un mltiplo

    entero de una carga elemental que corresponde a la carga del electrn. Los electrones

    pueden desplazarse a travs de ciertos cuerpos que reciben el nombre de conductores.

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    b) La carga se conserva: Al electrizar un cuerpo no est creando carga, solo se

    transmite carga (electrones) de un cuerpo a otro. La carga total siempre permanece

    constante.

    PROPIEDADES ELCTRICAS DE LOS MATERIALES

    El primer fenmeno elctrico artificial que se observ fue la propiedad que

    presentan algunas sustancias resinosas como el mbar, que adquiere una carga negativa al

    ser frotada con una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos pequeos. Gilbert

    enunci a la atraccin y repulsin de los materiales de la siguiente manera: Un cuerpo

    cargado negativamente, es aquel que tiene un exceso de electrones; un cuerpo cargado

    positivamente, es aquel que tienen un defecto de electrones.

    ELECTRIZACIN

    1. Electrizacin por frotamiento.

    Fue descubierta por el griego Thales de Mileto 600 aos antes de Cristo, observ

    que despus de frotar un trozo de mbar, que es un a resina fsil este era capaz de atraer

    cuerpos muy ligeros. Posteriormente se comprob que otros materiales se comportaban de

    la misma manera. En el siglo XVII de nuestra era el francs Du Fay descubri que se

    generaban dos clase antagnicas de electricidad cuando se frotaba vidrio o mbar.

    Podemos demostrar este hecho con un experimento sencillo. Si frotamos una barra de

    vidrio con un trozo de piel con pelo y la acercamos a una bolita muy ligera de plstico o

    corcho suspendida en un hilo la bolita es atrada por el vidrio.

    Lo mismo ocurre si usamos una barra de mbar. No obstante, si despus de

    frotadas acercamos ambas barras a la bolita esta no se mueve. La nica explicacin posible

    a este hecho es que el vidrio y el mbar han adquirido dos clases opuestas de electricidad

    que podemos denominar positiva y negativa.

    La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales y del rea de la

    superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las

    superficies, si son lisas o rugosas; la humedad o impurezas que contengan dichas

    superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de

    impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

    Un ejemplo de materiales ordenados de ms positivo a ms negativo es el

    siguiente: piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodn, madera,

    mbar, polister, poliuretano, vinilo (PVC), tefln.

    VIDRIO

    GRFICO

    MBAR

    VIDRIO

    MBAR

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    2. Electrizacin por induccin

    Cuando aproximamos un cuerpo electrizado a otro cuerpo neutro, el primero

    provoca (induce) en el segundo una separacin de electricidad positiva y negativa. El

    resultado final es que el cuerpo electrizado atrae al otro.

    De esta manera explicamos la atraccin elctrica entre los cuerpos: Las

    electricidades de signos opuestos se atraen y las del mismo signo se repelen.

    Podemos observar que una estudiante esta electrizando al electroscopio con un cuerpo

    electrizado (vidrio) por induccin; dicho aparato tambin se puede electrizar por contacto.

    En el grfico que se indica a continuacin el no conductor C, los electrones no

    pueden moverse libremente, pero los tomos y molculas del mismo se reorientan de

    forma que sus electrones constituyentes estn lo ms lejos posible de A; el no conductor

    tambin es atrado por A, pero en menor medida que el conductor.

    El movimiento de los electrones en el conductor B y la reorientacin de los tomos

    del no conductor C proporciona a esos cuerpos cargas positivas en los lados ms prximos

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    a A y negativas en los lados ms dist