Fundamentos de la Electrostática: Historia, Conceptos y Leyes Básicas

Pioneros en el Estudio de la Electricidad y el Magnetismo

• Tales de Mileto (c. 624/623 – c. 548/545 a.C.): Considerado el primero en observar y estudiar los fenómenos magnéticos y electrostáticos (frotando ámbar).
• Sir William Gilbert (1544-1603): Comprobó que, al frotar diversos cuerpos, estos se electrizaban, acuñando el término "eléctrico" (del griego elektron, ámbar).
• Charles du Fay (1698-1739): Fue el primero en estudiar sistemáticamente las atracciones y repulsiones producidas por cuerpos frotados, experimentando con electricidad estática y postulando la existencia de dos tipos de electricidad.
• Stephen Gray (1696-1736): Observó la conducción de electricidad a través de ciertas sustancias, sentando las bases para la distinción entre conductores y aislantes.
• Jean-Théophile Desaguliers (1683-1744): Propuso los nombres de aislantes y conductores para designar a las sustancias que impiden o permiten, respectivamente, el paso de la electricidad.
• Benjamin Franklin (1706-1790): Sugirió la existencia de dos tipos de carga eléctrica, a las que denominó positiva y negativa, y propuso el principio de conservación de la carga.
• Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806): Cuantificó las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas, formulando la ley que hoy lleva su nombre.

Conceptos Fundamentales de la Electrostática

La electrostática es la rama de la física que se ocupa del estudio de las propiedades y las acciones de las cargas eléctricas en reposo.

Interacciones Eléctricas

Las interacciones eléctricas son los fenómenos de atracción y repulsión entre cargas eléctricas. Cuerpos con cargas del mismo signo se repelen, mientras que cuerpos con cargas de signo contrario se atraen.

Dispositivos y Materiales en Electrostática

• Péndulo eléctrico: Consiste en una esfera pequeña de sustancia liviana (como médula de saúco o poliestireno expandido) que cuelga de un hilo aislante, utilizada para detectar cargas eléctricas.
• Electroscopio: Es un dispositivo que permite conocer si un cuerpo está cargado eléctricamente e identificar el signo de su carga.
• Conductores: Son aquellos materiales en los que la carga eléctrica se desplaza con facilidad, debido a la presencia de electrones libres (ej. metales).
• Aislantes: Son materiales cuyos electrones se hallan fuertemente ligados al núcleo, impidiendo el transporte de cargas con facilidad (ej. vidrio, plástico).
• Semiconductores: Materiales que presentan propiedades intermedias entre conductores y aislantes, y cuya conductividad puede ser controlada (ej. silicio, germanio).

Procesos de Carga de un Cuerpo

Un cuerpo puede adquirir carga eléctrica a través de diferentes mecanismos:

• Por Frotamiento: Cuando se frotan dos cuerpos de distinta naturaleza, se produce una transferencia de electrones de un cuerpo al otro, dejando a ambos cargados con signos opuestos.
• Por Contacto: Cuando un cuerpo cargado toca a otro neutro, el cuerpo electrizado transfiere al otro una carga de su mismo signo, distribuyéndose la carga entre ambos.
• Por Inducción: Es el proceso de separación de cargas en un conductor neutro, producido por la proximidad de un cuerpo electrizado (inductor) sin contacto directo. Las cargas adquiridas en el conductor son de signo opuesto a la carga del inductor.

Carga de un Electroscopio

Carga por Contacto

Si frotamos una barra de vidrio con un paño de lana (la barra de vidrio adquiere carga positiva), y con dicha barra tocamos la esferita del electroscopio, algunos electrones de las laminillas y de la barra metálica del electroscopio se transferirán hacia la barra de vidrio. Esto dejará al electroscopio con una carga neta positiva, haciendo que sus laminillas se separen.

Carga por Inducción

El electroscopio puede ser cargado sin necesidad de tocarlo. Al acercar un cuerpo cargado (inductor) a la esferita del electroscopio, las cargas en este se redistribuyen. Si se conecta momentáneamente el electroscopio a tierra mientras el inductor está cerca, y luego se retira el inductor, el electroscopio quedará cargado con signo opuesto al del inductor.

Estructura de la Materia y Carga Eléctrica

La materia está compuesta por átomos, que a su vez contienen partículas subatómicas con carga eléctrica:

• Electrón: Posee una carga eléctrica negativa y es la partícula de menor masa dentro del átomo.
• Protón: Posee una carga eléctrica positiva. Los protones son aproximadamente 1836 veces más masivos que un electrón y se ubican en el núcleo del átomo.
• Neutrón: Se ubican en el núcleo del átomo y no poseen carga eléctrica neta.

Ley de Coulomb

Charles-Augustin de Coulomb cuantificó las relaciones existentes entre las fuerzas de atracción y repulsión eléctricas, deduciendo la ley que hoy lleva su nombre. La Ley de Coulomb establece que la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Definición de Coulomb (Unidad de Carga)

El Coulomb (C) es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional. Se define como la cantidad de carga que pasa a través de la sección transversal de un conductor en un segundo cuando por él circula una corriente constante de un amperio (1 C = 1 A·s).