Conceptos Fundamentales de Electrostática y Electricidad
Electrostática
Es la parte de la física que se ocupa del estudio de las propiedades y las acciones de las cargas eléctricas en reposo.
Modelo Atómico de Bohr
El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Dado que la cuantización del momento es introducida de forma ad hoc, el modelo puede considerarse transicional, ubicándose entre la mecánica clásica y la cuántica. Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además, el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.
Electricidad
Forma de energía que produce efectos luminosos, mecánicos, caloríficos, químicos, etc., y que se debe a la separación o movimiento de los electrones que forman los átomos.
La velocidad de giro y la masa originan una fuerza parecida a una aspiradora que actúa sobre el medio que la rodea. Esta fuerza se llama electricidad.
Electrón Libre
Son aquellos que no giran alrededor de ningún núcleo.
Carga Eléctrica
Entendemos por carga eléctrica a cualquier porción de materia que presenta un exceso o deficiencia de electrones.
Procesos de Electrización
Electrización por Frotamiento
En general, puede decirse que cuando se frotan dos cuerpos de distinta naturaleza se produce una transferencia de electrones desde uno de los cuerpos hasta el otro. El cuerpo que perdió los electrones quedó cargado positivamente y el que los ganó quedó cargado negativamente.
Electrización por Contacto
Cuando dos cuerpos se cargan por contacto, el cuerpo electrizado le comunicará al otro una carga de su mismo signo.
Electrización por Inducción
La inducción electrostática es el proceso de separación de cargas de un conductor, producida por el acercamiento de un cuerpo electrizado, donde las cargas adquiridas son de signos opuestos a la carga del inductor.
Si un cuerpo A cargado positivamente lo acercamos a otro B en estado neutro, se produce el efecto de atracción y repulsión sobre las cargas eléctricas de B, originando un desequilibrio en su distribución, pues los electrones se sitúan más cerca de A, quedando la parte más alejada de B con carga positiva en relación a A.
Distribución y Medición de Cargas
Distribución de la Carga Eléctrica en los Cuerpos
Para determinar experimentalmente la distribución de las cargas eléctricas en un cuerpo, usamos el electroscopio; el mayor o menor ángulo que forman las hojas nos indica la mayor o menor cantidad de carga eléctrica.
Densidad Superficial de Carga Eléctrica
La carga eléctrica se distribuye sobre la superficie del cuerpo que la contiene, pero generalmente de forma irregular, dependiendo de las características de dicha superficie. Por lo cual, se define otra magnitud física relativa a la cantidad de carga que hay en cada unidad de superficie, denominada densidad superficial de carga eléctrica, y que se mide como el cociente entre la carga y la superficie que la contiene.
Electroscopio
Es un aparato que también se usa para determinar si un cuerpo está cargado de electricidad, y consiste en una barra metálica en posición vertical que en su parte superior termina en una esfera metálica y en su parte inferior tiene dos hojas metálicas muy livianas unidas por uno de sus extremos. Estas hojas pueden ser de oro, plata, estaño, etc. Todo este conjunto está situado dentro de un recipiente de vidrio que protege a las hojas de la corriente de aire.
Interacciones Eléctricas y Campos
Importancia de la Ley de Coulomb
Es algo más que la descripción y cálculo de las fuerzas que actúan entre esferas cargadas de electricidad, y la mejor comprobación de ella se encuentra en la validez de muchas conclusiones que han sido deducidas de ella, más bien que en los experimentos directos con las cargas puntuales.
Esta ley, analizada en base a la estructura de la física cuántica, describe de forma correcta las fuerzas eléctricas que ligan a los electrones de un átomo con su núcleo y a las fuerzas que ligan a los átomos y moléculas entre sí para formar los cuerpos sólidos y líquidos.
Campo Eléctrico
Entendemos por campo eléctrico a todo el espacio alrededor de un cuerpo electrizado, dentro del cual su acción es apreciable. Es decir, aunque el campo eléctrico que origina un cuerpo cargado de electricidad se extiende hasta el infinito, en la práctica solamente consideramos que hay campo eléctrico donde se puede detectar una fuerza de origen eléctrico que actúa sobre una carga de prueba.
Campo Eléctrico Uniforme
Es aquel en el que en todos sus puntos la intensidad tiene la misma dirección, sentido y módulo.
Intensidad del Campo Eléctrico en un Punto
Como un campo eléctrico es vectorial, significa que cuando dicho campo está formado por varias cargas o cuerpos electrizados, su acción sobre una carga eléctrica situada en él es igual a la suma vectorial de cada una de las acciones individuales.
Si el cuerpo eléctrico está formado por cargas eléctricas puntuales y la carga de prueba también es puntual, la acción resultante sobre esta carga se puede calcular aplicando la ley de Coulomb.
La intensidad del campo eléctrico en un punto la definimos como la fuerza que aplica el campo sobre la unidad positiva de carga eléctrica, situada en dicho punto, y la medimos como el cociente que resulta de dividir la fuerza que aplica el campo entre la carga que está situada en dicho punto.
Intensidad de Campo Originada por una Carga Puntual
Si en el ámbito del campo eléctrico creado por una carga puntual, colocamos una carga de prueba q a una distancia d, el módulo de la fuerza que actúa sobre la carga de prueba se calcula por la ley de Coulomb.
Línea de Campo
Para “visualizar” geométricamente un campo eléctrico, se dibujan líneas de fuerza, que son líneas con flechas y representan la trayectoria, dirección y sentido por donde se movería una carga eléctrica positiva (carga de prueba) colocada en dicho campo.
Propiedades de las Líneas de Campo
Se pueden resumir en:
- El vector de campo eléctrico es tangente a las líneas de campo en cada punto.
- Las líneas de campo eléctrico son abiertas; salen siempre de las cargas positivas o del infinito y terminan en las cargas negativas o en el infinito.
- El número de líneas que salen de una carga positiva o entran en una carga negativa es proporcional a dicha carga.
- La densidad de líneas de campo en un punto es proporcional al valor del campo eléctrico en dicho punto.
- Las líneas de campo no pueden cortarse. De lo contrario, en el punto de corte existirían dos vectores de campo eléctrico distintos.
- A grandes distancias de un sistema de cargas, las líneas están igualmente espaciadas y son radiales, comportándose el sistema como una carga puntual.
Dipolo Eléctrico
Las líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales de igual magnitud pero de signos opuestos son conocidas como dipolo eléctrico. Es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud y cercanas entre sí.
Flujo de Campo Eléctrico
Entendemos por flujo de campo eléctrico al número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie que puede ser abierta o cerrada, o que está situada en un campo eléctrico.
Ley de Gauss
La ley de Gauss nos permite calcular de una forma simple el módulo del campo eléctrico, cuando conocemos la distribución de cargas con simetría esférica o cilíndrica.
Cuando el vector de campo eléctrico E es constante en todos los puntos de una superficie S, se denomina flujo al producto escalar del vector de campo por el vector de superficie Φ = E · S.
El vector de superficie S es un vector que tiene por módulo el área de dicha superficie, y su dirección es perpendicular al plano que la contiene.
Cuando el vector de campo E y el vector de superficie S son perpendiculares, el flujo es cero.