Electrostática: Cargas Eléctricas, Fuerzas y Comportamiento

Electrostática

La electrostática estudia las cargas eléctricas, las fuerzas que ejercen entre sí y su comportamiento en el interior de los materiales.

Fuerzas y Cargas Eléctricas

Las fuerzas eléctricas surgen de las partículas dentro de los átomos. Los protones del núcleo atraen a los electrones y los mantienen en órbita, similar a como el Sol mantiene a los planetas en órbita. Los protones atraen a los electrones, pero estos se repelen entre sí. Este comportamiento de atracción y repulsión se atribuye a una propiedad llamada carga.

¿Por qué los protones del núcleo no se repelen entre sí y salen volando en todas direcciones? ¿Qué evita que el núcleo se desintegre? Las fuerzas nucleares.

Las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas de signos opuestos se atraen.

Conservación de la Carga

Los electrones y protones poseen carga eléctrica. La carga positiva total equilibra exactamente la carga negativa total. Si se elimina un electrón de un átomo, este deja de ser neutro. El átomo tiene una carga positiva adicional en relación con la carga negativa y se dice que está cargado positivamente.

Un átomo cargado se conoce como ion. La materia está compuesta de átomos, y los átomos están compuestos de electrones y protones.

Electrón y protón tienen la misma magnitud, pero signo opuesto.

Cualquier objeto con un número diferente de electrones y protones posee una carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones, la carga es negativa; si tiene menos electrones que protones, la carga es positiva.

Todo objeto con carga eléctrica tiene un exceso o déficit de electrones. La carga del objeto es un múltiplo entero de la carga del electrón.

El pequeño valor de G indica que la gravedad es una fuerza débil; el gran valor de K indica que la fuerza eléctrica es enorme en comparación con la fuerza de gravedad.

Ley de Coulomb

Establece que la fuerza ejercida entre dos partículas u objetos cargados que son pequeños en comparación con la distancia que los separa es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia.

Conductores y Aislantes

Los electrones externos de los átomos de un metal no están ligados a ningún núcleo en particular, sino que son libres de moverse por todo el material. Estos materiales son buenos conductores. Los metales son buenos conductores del movimiento de cargas eléctricas porque sus electrones están libres.

Los electrones de otros materiales, como el caucho y el vidrio, no tienen libertad para moverse a otros átomos del material. Estos materiales son buenos aislantes.

La clasificación de una sustancia como conductor o aislante depende de cuán firmemente estén ligados los electrones a sus átomos.

Los materiales que a veces se comportan como aislantes y a veces como conductores son los semiconductores. Ejemplo: germanio y silicio, buenos aislantes en estado cristalino puro.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, la conductividad de ciertos metales se vuelve infinita. Son los superconductores. Compuestos no metálicos.

Carga por Fricción y Contacto

Los electrones se transfieren por fricción al frotar dos materiales. Los electrones pueden pasar de un material a otro por simple contacto. Cuando se pone una barra cargada en contacto con un objeto neutro, parte de la carga se transfiere a este. Este método de carga se llama carga por contacto. Si el objeto es un buen conductor, la carga se distribuye por toda su superficie debido a la repulsión entre cargas del mismo signo. Si es un mal conductor, puede ser necesario tocar varios puntos del objeto con la barra para obtener una distribución de carga más o menos uniforme.

Carga por Inducción

La carga de las esferas se ha redistribuido. Se puede cargar una esfera de manera similar si se toca mientras se separan por inducción. La carga neta o total de la esfera sigue siendo cero. Cuando se toca con el dedo la parte cargada de una superficie metálica, se proporciona a las cargas que se repelen un camino conductor hacia un depósito infinito de carga eléctrica: la tierra. Cuando un conductor adquiere carga por contacto, se está poniendo a tierra. Tormenta eléctrica (carga por inducción): las nubes de carga negativa inducen una carga positiva en la tierra. Los rayos son descargas eléctricas entre cargas opuestas. Franklin descubrió que la carga se escapa por los objetos puntiagudos y construyó el primer pararrayos (la carga se escapa en lugar de estar por inducción). El objetivo principal es evitar que se produzca una descarga eléctrica.

Polarización de la Carga

El proceso de carga por inducción es exclusivo de los conductores. En un aislante, se alteran las posiciones de las cargas dentro de los propios átomos y moléculas. Por inducción, un extremo se vuelve más positivo que el otro. Entonces, el átomo o molécula está eléctricamente polarizado. Esto explica por qué un objeto cargado puede atraer trozos de papel neutro. Las moléculas de papel se polarizan, y los lados de las moléculas con cargas opuestas a las del objeto se atraen.